svolti 12 - sconosciuto

Esempi di bilanciamento di ossido-riduzioni

1. As + KClO + KOH o K3AsO4 + KCl + H2O

BILANCIAMENTO ELETTRONICO:

vengono determinati i numeri di ossidazione:(0) (+1) (+1)(2) (+1 )(-2 )(+1) (+1 ) (+5)(2) (+1) (1) (+1) (2)

As + KClO + KOH o K3AsO4 + KCl + H2O

As e Cl variano il proprio numero di ossidazione

vengono individuate le due semireazioni ed il numero di elettroni in gioco:(0) (+1) (+5) (-1)

As + KClO + KOH o K3AsO4 + KCl + H2O(-5 e-)

(+2 e-)

vengono individuati i due numeri per cui moltiplicare le due semireazioni in modo che gli elettroni coinvolti siano in numero uguale. Questi due numeri diventano i coefficienti stechiometrici per i corrispondenti

reagenti(0) (+1) (+5) (-1)

2 As + 5 KClO + KOH o K3AsO4 + KCl + H2O

(-5 e-) x 2

(+2 e-) x 5

si procede al bilanciamento di massa:2 As + 5 KClO + 6 KOH o 2 K3AsO4 + 5 KCl + 3 H2O

2. Completare e bilanciare la seguente reazione che avviene in soluzione acquosa acida:

Cr2O72- + Fe2+ o Cr3+ + Fe3+

BILANCIAMENTO ELETTRONICO:

(+6) (2 ) (+2) (+3) (+3)

Cr2O72- + 6 Fe2+ o Cr3+ + Fe3+

(+3 e- x 2 = 6 e-) x 1

(-1 e-) x 6

NOTA: Ogni atomo di Cr acquista 3 e-; dal momento che nello ione Cr2O72- gli atomi di Cr sono 2, gli e-

totali in gioco nella semi-reazione di riduzione sono 6.

si procede al bilanciamento di massa per le specie diverse da ossigeno ed idrogeno:Cr2O7

2- + 6 Fe2+ o 2 Cr3+ + 6 Fe3+

si procede al bilanciamento di carica: i reagenti hanno in totale 10 cariche positive, i prodotti 24 cariche positive. Dal momento che la reazione avviene in ambiente acido, il bilanciamento di carica viene effettuato

con gli ioni H+: si aggiungono 14 ioni H+ ai reagenti:

Cr2O72- + 6 Fe2+ + 14 H+ o 2 Cr3+ + 6 Fe3+

si procede al bilanciamento di massa per H e O, aggiungendo, se necessario, molecole di H2O:Cr2O7

2- + 6 Fe2+ + 14 H+ o 2 Cr3+ + 6 Fe3+ + 7 H2O

3. Completare e bilanciare la seguente reazione che avviene in soluzione acquosa basica:

Bi2O3 + ClO- o BiO3

-+ Cl-

BILANCIAMENTO ELETTRONICO:(+3) (2 ) (+1)(-2) (+5) (-2) (-1)

Bi2O3 + 2 ClO- o BiO3

-+ Cl

-

(-2 e- x 2 = - 4 e-) x 1

(+2 e-) x 2

NOTA: Ogni atomo di Bi perde 2 e-; dal momento che in Bi2O3 gli atomi di Bi sono 2, gli e- totali in gioco

nella semi-reazione di ossidazione sono 4.

si procede al bilanciamento di massa per le specie diverse da ossigeno ed idrogeno:

Bi2O3 + 2 ClO- o 2 BiO3

-+ 2 Cl

-

si procede al bilanciamento di carica: i reagenti hanno in totale 2 cariche negative, i prodotti 4 cariche negative. Dal momento che la reazione avviene in ambiente basico, il bilanciamento di carica viene

effettuato con gli ioni OH-: si aggiungono 2 ioni OH- ai reagenti:

Bi2O3 + 2 ClO-

+ 2 OH - o 2 BiO3

-+ 2 Cl

-

si procede al bilanciamento di massa per H e O, aggiungendo, se necessario, molecole di H2O:

Bi2O3 + 2 ClO-

+ 2 OH - o 2 BiO3

-+ 2 Cl

-+ H2O

4. Completare e bilanciare la seguente reazione che avviene in soluzione acquosa basica:

Cl2 + OH - o ClO3

-+ Cl

-+ H2O

Questa una reazione di disproporzione o dismutazione: una specie chimica si comporta

contemporaneamente da ossidante e da riducente.

BILANCIAMENTO ELETTRONICO:(0) (-2)(+1) (+5) (-2) (-1) (+1)(-2)

Cl2 + OH - o ClO3

-+ 5 Cl

-+ H2O

(-5 e-) x 1

(+1 e-) x 5

NOTA: in questo caso, i due numeri, per i quali vanno moltiplicate le due semi-reazioni in modo che il

numero di elettroni in esse coinvolto sia uguale, diventano i coefficienti stechiometrici dei corrispondenti

prodotti.

si procede al bilanciamento di massa per le specie diverse da ossigeno ed idrogeno:3 Cl2 + OH

- o ClO3-

+ 5 Cl-

+ H2O

si procede al bilanciamento di carica:

3 Cl2 + 6 OH- o ClO3

-+ 5 Cl

-+ H2O

si procede al bilanciamento di massa per H e O:

3 Cl2 + 6 OH- o ClO3

-+ 5 Cl

-+ 3 H2O

CALCOLI STECHIOMETRICI

1) Nota la quantit di un reagente determinare la quantit necessaria di un altro reagente

Es: Calcolare quanti g di HCl reagiscono con 60 g di Ca(OH)2, secondo la reazione:

Ca(OH)2 + 2 HCl CaCl2 + 2 H2O

Dalla reazione bilanciata si osserva che 1 mole di Ca(OH)2 reagisce con 2 moli di HCl. E necessario calcolare il

numero di moli a cui corrispondono 60 g di Ca(OH)2:

n Ca(OH)2 = m Ca(OH)2 /M Ca(OH)2 = 60 (g) / 74,09 (g/mol) = 0,81 mol

Vale la relazione:

1 mole Ca(OH)2 : 2 moli HCl = 0,81 moli Ca(OH)2 : x moli HCl

da cui: n HCl = 0,81 2 = 1,62 mol

m HCl = n HCl M HCl = 1,62 (mol) 36,461 (g/mol) = 59,1 g

2) Nota la quantit di prodotto determinare la quantit di reagente necessaria per ottenerla

Es: Per decomposizione termica il KClO3 produce ossigeno secondo la reazione:

2 KClO3 2 KCl + 3 O2

Calcolare la quantit di KClO3 necessaria per ottenere 70,0 g di O2.

n O2 = m O2 /M O2 = 70 (g) / 31,999 (g/mol) = 2,19 mol

2 moli KClO3 : 3 moli O2 = x moli KClO3 : 2,19 moli O2

da cui: n KClO3 = (2,19 2)/3 = 1,46 mol

m KClO3 = n KClO3 M KClO3 = 1,46 (mol) 122,55 (g/mol) = 179 g

3) Note le quantit dei reagenti determinare la quantit di prodotto ottenibile

Es: Calcolare quanti g di Al2(SO4)3 si ottengono da 300 g di Al(OH)3 e 800 g di H2SO4 , secondo la reazione:

2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 6 H2O

n Al(OH)3 = m Al(OH)3 /M Al(OH)3 = 300 (g) / 78,003 (g/mol) = 3,85 mol

n H2SO4 = m H2SO4 /M H2SO4 = 800 (g) / 98,07 (g/mol) = 8,16 mol

Si procede al calcolo del reagente in eccesso e del reagente in difetto. Consideriamo un reagente, per esempio

Al(OH)3, e calcoliamo le moli teoriche di H2SO4 che reagirebbero con 3.85 moli di Al(OH)3.

2 moli Al(OH)3 : 3 moli H2SO4 = 3,85 moli Al(OH)3 : x moli H2SO4

da cui: moli teoriche di H2SO4 = n* H2SO4 = (3,85 3)/2 = 5,77 mol

Occorrono, quindi, 5,77 moli di H2SO4: dal momento che ne abbiamo 8,16, H2SO4 il reagente IN ECCESSO.

Al(OH)3 il reagente in DIFETTO.

Bisogna impostare i calcoli utilizzando il reagente in difetto.

2 moli Al(OH)3 : 1 mole Al2(SO4)3 = 3,85 moli Al(OH)3 : x moli Al2(SO4)3

n Al2(SO4)3 = 3,85 /2 = 1,93 mol

m Al2(SO4)3= n Al2(SO4)3 M Al2(SO4)3 = 1,93 (mol) 342,14 (g/mol) = 660 g

4) Calcolo della resa o del rendimento di una reazione chimica

Data la generica reazione chimica:

aa A + A + bb BB oo ll L + L + mm MMsi definisce rendimento della reazione chimica in termini di prodotto L rispetto al reagente A lespressione:

nL = numero di moli di L che si sono formate

n*L = numero di moli di L che si formerebbero se tutto il reagente A si trasformasse completamente.

Es: Calcolare il rendimento della reazione:

CaCO3 CaO + CO2sapendo che riscaldando 300 g di CaCO3 si sono ottenuti 135 g di CaO.

n CaCO3 = m CaCO3 /M CaCO3 = 300 (g) / 100 (g/mol) = 3,00 mol

n CaO = m CaO /M CaO = 135 (g) / 56,0 (g/mol) = 2,41 mol

n* CaO = n CaCO3 = 3,00 mol

%

100L

LL/A n

n

3,80100 3,00

2,41100

CaO

CaO

CaO/CaCO n

n3

17

Esercizi

1. Calcolare lentalpia standard di formazione a 25C dellalcol metilico (CH3OH) liquidoconoscendo i seguenti dati alla stessa temperatura:

Hcomb, CH3OH (l) = -728 KJ/mol; Hf, CO2(g) = - 394 KJ/mol; Hf, H2O(l) = - 286 KJ/mol

Soluzione: Si scrive la reazione, bilanciata, di cui si vuole calcolare leffetto termico e si impostaun ciclo utilizzando le reazioni di cui si conoscono gli effetti termici:

C (s,gr) + 1/2 O2 (g) + 2 H2 (g) CH3OH (l)

CO2 (g) + 2 H2O (l)

Per la legge di Hess: HX + HIII = HI + HII ; HX = HI + HII - HIIIdove: HI = Hf, CO2 (g)

HII = 2 Hf, H2O(l)HIII = Hcomb, CH3OH (l)

Sostituendo:Hf, CH3OH (l) = Hf, CO2 (g) + 2 Hf, H2O(l) - Hcomb, C2H6 (g) = -238 Kcal/mol

+ 1/2 O2(g) + O2 (g) + 3/2 O2 (g)HI HII HIII

HX

18

2. Calcolare lentalpia standard di formazione a 25C delletano (C2H6) gassoso conoscendo iseguenti dati alla stessa temperatura:

Hcomb, C2H6 (g) = -373 Kcal/mol; Hf, CO2 (g) = - 94,1 Kcal/mol; Hf, H2O(l) = - 68,3 Kcal/mol

Soluzione: Si scrive la reazione, bilanciata, di cui si vuole calcolare leffetto termico:

2 C (s,gr) + 3 H2 (g) C2H6 (g)

Si imposta un ciclo utilizzando le reazioni di cui si conoscono gli effetti termici:

2 C (s,gr) + 3 H2 (g) C2H6 (g)

2 CO2 (g) + 3 H2O (l)

Per la legge di Hess: HX + HIII = HI + HII ; HX = HI + HII - HIIIdove: HI = 2 Hf, CO2 (g)

HII = 3 Hf, H2O(l)HIII = Hcomb, C2H6 (g)

Sostituendo:Hf, C2H6 (g) = 2 Hf, CO2 (g) + 3 Hf, H2O(l) - Hcomb, C2H6 (g) = -188,2 204,9 + 373 = - 20,1

Kcal/mol

+ 2 O2 + 3/2 O2 + 7/2 O2

HX

HI HIIHIII

19

3. Calcolare il calore di combustione a 25C dellalcool metilico liquido CH3OH(l), dai seguenti datialla stessa temperatura:

Hf, CO2 (g) = - 94.1 Kcal/mol; Hf, H2O (l) = - 68.3 Kcal/mol; Hf, CH3OH (l) = -56.9 Kcal/mol;


CH3OH (l) + 3/2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (l)

C (s,gr) + 2 H2 (g)

Per la legge di Hess: HX + HI = HI I + HIII ; HX = HII HIII - HIdove: HI = Hf, CH3OH (l)

HII = Hf, CO2 (g)HIII = 2 Hf, H2O (l)

Sostituendo:Hcomb, CH3OH (l)=Hf, CO2(g)+2 Hf, H2O(l) -H f, CH3OH(l) = -94,1+2(-68,3)+ 56,9 = -174 Kcal/mol

+ 1/2 O2(g) + O2 (g) + O2 (g)HI HII HIII

HX

20

4. Calcolare lenergia del legame C-H attraverso la valutazione della variazione di entalpia dellareazione: C(g) + 4 H(g) CH4 (g)conoscendo i seguenti dati:C(s,gr) + 2 H2 (g) CH4 (g) Hf, CH4 (g) = - 74.81 kJ/molC(s,gr) C (g) Hsubl, C (s,gr) = 712.96 kJ/molH2 (g) 2 H (g) Hdissoc, H2 (g) = 435.94 kJ/mol


C (g) + 4 H (g) CH4 (g)

C (s,gr) + 2 H2 (g)

Per la legge di Hess: HI + HI I + HX = HIII ; HX = HIII HI - HIIdove: HI = Hsubl, C (s,gr)

HII = 2 Hdissoc, H2 (g)HIII = Hf, CH4 (g)

Sostituendo:Hreaz= Hf, CH4 (g) - Hsubl, C (s,gr) - 2 Hdissoc, H2 (g) = -74,81-712,96-(2 435,94) = -1667 KJ/molPer un legame C-H: 1667/4 = 416.9 kJ/mol. Quindi, lenergia di legame media C-H 417 kJ/mol

HI HII HIII

HX

1. Una soluzione al 30,7% in peso di NH3 ha una densit di 0,890 g ml-1. Calcolare la molarit della soluzione (MNH3= 17,0 g ml-1).30,7 % in peso significa che 30,7 g di NH3 sono contenuti in 100 g di soluzione.

Per calcolare la molarit occorre conoscere il volume della soluzione.

Vsoluzione =

Calcoliamo la molarit:

ml 112 )(gml 0,890(g) 100

d 1-soluzsoluz

==

m

mol 1,80 )(gml 17,0(g) 30,7

1-3 ==n

1-NH l mol 16,1 1000 (ml) 112(mol) 1,80

)(n

3

===

lVM

soluz

2. Calcolare la molalit (m) di una soluzione acquosa 3,00 M di H2SO4 se la sua densit di 1,180 g ml-1, noto che M H2SO4 = 98,0 g

mol-1.

3,00 M significa che 3 moli di H2SO4 sono contenute in 1 l (1000 ml) di soluzione.Per calcolare la molalit occorre conoscere la massa del solvente puro.

msoluzione = Vsoluz dsoluz = 1000 (ml) 1,180 (gml-1) = 1180 gmH2SO4 = nH2SO4 MH2SO4= 3,00 (mol) 98,0 (g mol-1) = 294 gmsolvente = mH2O = 1180 294 = 886 g

1-SOH Kg mol 3,39 1000 (g) 886(mol) 3,00

42===

m

nm

3. Una soluzione acquosa stata ottenuta sciogliendo 150 mg di Na2CO3 in 1 litro complessivo di soluzione.

Calcolare la concentrazione degli ioni Na+ in ppm (in massa) considerando la densit della soluzione uguale a 1,00 g ml-1.

In 1 litro di soluzione si ha:

nNa+ = 2 nNa2CO3 = 2,83 10-3 mol

mNa+ = nNa

+ MNa+ = 2,88 10-3 mol 22,98977 g mol-1 = 6,51 10-2 g

msoluz = d V = 1,00 g ml-1 1000 ml = 1000 g

moln CONa 10 1,415

ml g 105,989g 0,150

3-1-32 ==

65,1 10 g 1000

g 10 6,51 10

m

m

6-2

6

soluz

Na=

==

+

+Nappm

4. Calcolare la conc. In g/l e la molarit di una soluzione acquosa di NaOH al 36,0 % in peso, noto che dsoluz = 1,39 g ml-1 e MNaOH = 40,0 g mol-1.

36,0 % in peso vuol dire che 36,0 g di NaOH sono contenuti in 100 g di soluzione.

1-

soluz

NaOH

1-NaOH

NaOHaOH

NaOH

1-soluz

soluz

l mol 12,5 1000 (ml) 71,9(mol) 0,900

)(Vn

M

mol 0,900 )mol (g 40,0(g) 36,0

Mm

n

g/l 501 1000 (ml) 71,9(g) 36,0

V(l)m

c(g/l)

ml 71,9 )ml (g 1,39(g) 100

dm

===

===

===

===

l

V

N

soluzione

5. Calcolare wi % e la molarit di una soluzione acquosa 4,00 molale di HNO3 la cui densit d= 1,130 g ml-1 noto MHNO3 = 63,0 g mol-1.

4,00 m vuol dire che 4,00 mol di HNO3 sono contenute in 1 Kg (1000 g) di solvente puro H2O.

Per calcolare wHNO3 % occorre la massa della soluzione

msoluz = mHNO3 + mH2O

mHNO3 = n HNO3 MHNO3 = 4,00 (mol) 63,0 (g mol-1) = 252 gmsoluz = 252 (g) + 1000 (g) = 1252 (g)

Per calcolare la molarit occorre Vsoluzione

20,1 100 (g) 1252

(g) 252 100

m

m %

soluz

HNO33

===HNOw

1-

soluz

HNO

1-soluz

soluz

l mol 3,61 1000 (ml) 1108(mol) 4,00

)(Vn

M

ml 1108 )ml (g 1,130(g) 1252

dm

3===

===

l

Vsoluz

6. Una soluzione contiene 90,0 g di CaCl2 in 440 ml di H2O e ha una densit d= 1,15 g ml-1. Note le masse molari MCaCl2 = 111 g mol-1 e MH2O = 18,0 g mol-1 e dH20 =1,00 g ml-1, calcolare:a) la percentuale in pesob) la conc. in g/lc) le frazioni molari dei due componentid) la molalite) la molarit

a) Percentuale in peso (% m/m)

17,0 100 (g) 530(g) 90,0

% massa

g 530 90,0 440 m m mg 440 )ml (g 1 (ml) 440 d V m m

:che risulta ,ml g 1,00 d poich

100 m

m 100

m

m m/m %

22

222

2

2

CaClOHsoluzione

1-OHOHOHsolvente

1-OH

soluzione

CaCl

soluzione

soluto

==

=+=+=

====

=

==

b) la conc. in g/l

c) le frazioni molari dei due componenti

1-CaCl

1-soluzione

soluzione

ml g 195 1000 (ml) 461(g) 90,0

(l) m

g/l

ml 461 )ml (g 1,15(g) 530

dm

2===

===

soluzione

soluzione

V

V

0.9768 0,0322 -1 x- 1 x

0,0322 (mol) 25,2(mol) 0,811

n x

mol 25,2 n

mol 24,4 )ml (g 18,0(g) 440

m

mol 0,811 )ml (g 111(g) 90,0

m

22

2

2

22

2

2

2

2

2

2

soluz

soluz

1-

1-

===

===

=+=

===

===

CaClOH

CaClCaCl

OHCaCl

OH

OHOH

CaCl

CaClCaCl

n

nn

Mn

Mn

d) la molalit

e) la molarit

1-

OH

CaCl Kg mol 1,84 1000 (g) 440(mol) 0,811

m

n

2

2===m

1-

soluz

CaCl l mol 1,76 1000 (ml) 461(mol) 0,811

)(Vn

2===

lM

Calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi monoproticiACIDI e BASI FORTIUn litro di soluzione acquosa contiene 1,0010-3 moli di HClO4. Calcolare il pH della soluzione e

le concentrazioni di tutte le specie presenti.

1. Individuare le reazioni presenti: HClO4 + H2O H3O+ + ClO4

2 H2O H3O+ + OH

2. Individuare le concentrazioni note e quelle incognite:

La concentrazione iniziale di HClO4 :

[HClO4]0 = (1,0010-3 mol / 1 l) = 1,0010-3 mol/l Dal momento che HClO4 un acido forte, completamente dissociato in soluzione, risulta:

[ClO4] = [HClO4]0 = c0 = 1,0010-3 mol/lLe concentrazioni incognite sono: [H3O+] e [OH ]

3. Scrivere un numero di equazioni pari al numero delle incognite:

a) KW = [H3O+] [OH ] = 1,0010-14 prodotto ionico dellacquab) [H3O+] = [OH] + [ClO4] = [OH] + c0 condizione di elettroneutralit della soluzione

4. Risoluzione del sistema a 2 equazioni e 2 incognite:

dalla b): [OH] = [H3O+] c0sostituendo nella a): KW = [H3O+] ([H3O+] - c0)= 1,00 10-14

si ricava: KW = [H3O+]2 - c0 [H3O+][H3O+]2 - c0 [H3O+] KW = 0

[H3O+] =

5. Si pu scegliere una risoluzione approssimata:ipotesi semplificative: la soluzione avr un carattere acido. Se [H3O+]>> [OH ] possibile trascurare [OH] nella equazione b): quindi, [H3O+] = [ClO4]. Questa approssimazione significa trascurare gli ioni H3O+ derivanti dallautoprotolisi dellacqua.

[H3O+] = [ClO4] = c0 = 1,00 10-3 MpH = -Log10 [H3O+] = 3,00 (pH acido)

Dalla a): [OH ] = KW / [H3O+] = 1,00 10-14 / 1,00 10-3 =1,00 10-11 mol/lda cui: [OH ]

Questa risoluzione approssimata lecita per valori di c0 > 1,00 10-6 mol/l.Infatti nellequazione di secondo grado

[H3O+] =

per c0 > 1,00 10-6 mol/l il secondo termine sotto radice (4KW) trascurabile rispetto al primo (c02), per cui:

[H3O+] = c0

Quindi per acidi e basi forti, se la concentrazione iniziale della acido [Acido]0 o della base [Base]0 > 10-6 M, si possono trascurare gli ioni H3O+ o OH- derivanti dallautoprotolisi dellH2O.Allora:

per soluzioni acide: [H3O+] = [Acido]0pH = -Log10 [Acido]0

per soluzioni basiche: [OH-] = [Base]0pOH = -Log10 [Base]0

Se la concentrazione iniziale < 10-6 M, non si pu trascurare lautoprotolisi dellH2O e quindi non si possono fare approssimazioni e si risolve lequazione di 2grado.

( )2

K4cc W2

00 +

Calcolare il pH di una soluzione di HCl 1,00 10-8 M.Il pH non pu essere calcolato applicando direttamente la relazione:

pH = -Log10 [Acido]0 = - Log10 1,00 10-8 = 8,00perch la soluzione risulterebbe basica. In questo esempio, data la bassa concentrazione dellacidonon si pu trascurare lautoprotolisi dellacqua.

1. Individuare le reazioni presenti: HCl + H2O H3O+ + Cl

2 H2O H3O+ + OH

2. Individuare le concentrazioni note e quelle incognite :

Dal momento che HCl un acido forte, completamente dissociato in soluzione, risulta:

[Cl] = [HCl]0 = c0 = 1,00 10-8 mol/lLe concentrazioni incognite sono: [H3O+] e [OH]3. Scrivere un numero di equazioni pari al numero delle incognite:

a) KW = [H3O+] [OH] = 1,00 10-14 prodotto ionico dellacquab) [H3O+] = [OH] + [Cl] = [OH] + c0 condizione di elettroneutralit

della soluzione

4. Risoluzione del sistema a 2 equazioni e 2 incognite:

dalla b): [OH] = [H3O+] c0sostituendo nella a): KW = [H3O+] ([H3O+] c0 )= 1,00 10-14

si ricava: KW = [H3O+]2 - c0 [H3O+][H3O+]2 - c0 [H3O+] KW = 0

[H3O+] = 1,05 10-7 mol/lpH = - Log10 [H3O+] = 6,98 (pH leggermente acido)

[OH ] = KW / [H3O+] = (1,00 10-14 / 1,05 10-7) = 9,52 10-8 mol/l

BASE FORTECalcolare il pH di una soluzione di NaOH 8,3210-2 M.1. Individuare le reazioni presenti: NaOH Na+ + OH

2 H2O H3O+ + OH


Dal momento che NaOH una base forte, completamente dissociata in soluzione, risulta:

[Na+] = [NaOH]0 = c0 = 8,32 10-2 mol/lLe concentrazioni incognite sono: [H3O+] e [OH]


a) KW = [H3O+] [OH] = 1,00 10-14 prodotto ionico dellacquab) [H3O+] + [Na+] = [OH] condizione di elettroneutralit

della soluzione

4. Si possono fare delle ipotesi semplificative: la soluzione avr un carattere basico. Se[OH]>> [H3O+] posso trascurare [H3O+] nella equazione b): quindi, [Na+] = [OH]. Questa approssimazione significa trascurare gli ioni OH derivanti dallautoprotolisi dellacqua.

[Na+] = [OH] = 8,32 10-2 MpOH = 1,08 pH = 14- pOH = 12,9 (pH basico)[H3O+] = 1,2 10-13 M

ACIDI e BASI DEBOLICalcolare il pH e le concentrazioni delle specie presenti allequilibrio di una soluzione 1,00 M di CH3COOH, sapendo che la sua costante di dissociazione Ka= 1,76 10-5.

1. Individuare le reazioni presenti: CH3COOH + H2O CH3COO + H3O+

2 H2O H3O+ + OH

2. Individuare le concentrazioni incognite: [CH3COOH], [CH3COO], [H3O+] e [OH]3. Scrivere un numero di equazioni pari al numero delle incognite:

a) KW = [H3O+] [OH] = 1,00 10-14 prodotto ionico dellacqua

b) costante di dissoc. acida

c) [H3O+] = [CH3COO] + [OH] elettroneutralit della soluzioned) [CH3COOH]0 = [CH3COO] + [CH3COOH]= 1,00 M bilancio di materia

[ ] [ ][ ]

5

3

33COOH)(CHa 101,76COOHCH

COOCHOH K

3

+

=

=

4. Si possono fare delle ipotesi semplificative: la soluzione avr un carattere acido, cio [H3O+]>> [OH]. Quindi possibile trascurare [OH] nella equazione c). Inoltre Ka>>KW, quindi possibile trascurare gli ioni H3O+ derivanti dallautoprotolisi dellacqua.

Ottengo un sistema semplificato:

a)

b) [H3O+] = [CH3COO]c) [CH3COOH]0 = [CH3COO] + [CH3COOH]= 1,00 M

5. Risoluzione del sistema:

dalla c): [CH3COOH]= [CH3COOH]0 - [CH3COO] = [CH3COOH]0 - [H3O+]

sostituendo nella a):

risolvendo lequazione di 2

si ricava: [H3O+] = 4,19 10-3 MpH = 2,38 (pH acido)

[ ] [ ][ ]

5

3

33COOH)(CHa 101,76COOHCH

COOCHOH K

3

+

=

=

[ ][ ] [ ] 533

3COOH)(CHa 101,76OHCOOHCH

OH K

3

+

+

=

=

0

2

6. Calcolo delle concentrazioni di tutte le specie presenti.[OH] = (KW / [H3O+]) = (1,00 10-14 / 4,19 10-3) = 2,39 10-12 mol/lE verificata lipotesi [H3O+]>> [OH].

[CH3COO] = [H3O+] = 4,19 10-3 mol/l

[CH3COOH]= [ ] [ ] mol/l 0,998K

COOCHOHa

33=

+

Calcolare il pH e le concentrazioni delle specie presenti in una soluzione ottenuta sciogliendo 0,5 g di NH3 in 3 litri di soluzione, sapendo che Kb= 1,79 10-5. 1. Individuare le reazioni presenti: NH3 + H2O NH4+ + OH

2 H2O H3O+ + OH


[NH3]0 = [0,5 g / (17 g/mol 3l)] = 0,01 mol/lconcentrazioni incognite: [NH3], [NH4+], [H3O+] e [OH]


a) KW = [H3O+] [OH] = 1,00 10-14 prodotto ionico dellacqua

b) costante di dissoc. basica

c) [H3O+] + [NH4+] = [OH] elettroneutralit della soluzioned) [NH3]0 = [NH3] + [NH4+] bilancio di materia

[ ] [ ][ ] 534

b 101,79NHHONHK

+

=

=

4. Si possono fare delle ipotesi semplificative: la soluzione avr un carattere basico, cio [OH] >>[H3O+]. Quindi possibile trascurare [H3O+] nella equazione c). Inoltre Kb>>KW, quindi possibile trascurare gli ioni OH derivanti dallautoprotolisi dellacqua.

Ottengo un sistema semplificato:

a)

b) [NH4+] = [OH]c) [NH3]0 = [NH3] + [NH4+]

5. Risoluzione del sistema:

dalla c): [NH3]= [NH3]0 - [NH4+] = [NH3]0 - [OH] sostituendo nella a):

risolvendo lequazione di 2

si ricava: [OH] = 4,14 10-4 MpOH = 3,38

pH = 14 - pOH = 10,62 (pH basico)

[ ] [ ][ ] 53

4b 101,79NH

NHOH K

+

=

=

[ ][ ] [ ] 503

2

b 101,79OHNHOH

K

=

=

6. Calcolo delle concentrazioni di tutte le specie presenti.[H3O+] = (KW / [OH]) = (1,00 10-14 / 4,14 10-4) = 2,41 10-11 mol/lE verificata lipotesi [OH] >> [H3O+].

[NH4+] = [OH] = 4,14 10-4 mol/l

[NH3]= [ ] [ ] mol/l 0,0096K

NHOHb

4=

+

Calcolo di pH in sistemi in cui avvengono reazioni di neutralizzazioneViene chiamata reazione di neutralizzazione la reazione stechiometrica di un acido con una base.

Calcolare il pH e le concentrazioni delle specie presenti in una soluzione ottenuta miscelando 7,4210-2 l di una soluzione acquosa 0,400 M in HCl con 8,2110-2 l di una soluzione acquosa 0,420 M in NaOH.

1. Individuare le reazioni presenti: HCl + H2O H3O+ + Cl

NaOH Na+ + OH

2 H2O H3O+ + OH


Il numero di moli di HCl introdotte (soluzione 1) sono: n0, HCl= M1V1 = (0,400 mol/l 7,4210-2 l) = 2,9710-2 mol

Il numero di moli di NaOH introdotte (soluzione 2) sono: n0, NaOH= M2V2 = (0,420 mol/l 8,2410-2 l) = 3,4510-2 mol

Le concentrazioni iniziali di HCl e NaOH (nella soluzione complessiva) risultano: [HCl]0 = [n0, HCl / (V1 +V2)] = [ 2,9710-2 mol / 1,5610-1 l ] = 1,90 10-1 mol/l[NaOH]0 = [n0, NaOH / (V1 +V2)] = [ 3,4510-2 mol / 1,5610-1 l ] = 2,21 10-1 mol/l

Dal momento che HCl e NaOH sono entrambi forti, cio completamente dissociati in acqua, risulta:

[Cl-] = [HCl]0 = 1,90 10-1 mol/l[Na+] = [NaOH]0 = 2,21 10-1 mol/l

Le concentrazioni incognite sono: [H3O+] e [OH]3. Scrivere un numero di equazioni pari al numero delle incognite:

a) KW = [H3O+] [OH] = 1,00 10-14 prodotto ionico dellacquab) [H3O+] + [Na+] = [OH] + [Cl] condizione di elettroneutralit della

soluzione

4. E possibile fare unipotesi semplificativa, considerando il fatto che [NaOH]0 > [HCl]0. Si pu considerare basica la soluzione finale ([H3O+] < 10-7

Risulta:

[OH] = [Na+] - [Cl] = (2,21 10-1 mol/l - 1,90 10-1 mol/l ) = 3,10 10-2 mol/lpOH = - Log10 [OH] = 1,51pH = 14 - pOH = 12,49 (pH basico)[H3O+] = (KW / [OH]) = (1,00 10-14 / 3,10 10-2) = 3,23 10-13 mol/lE verificata lipotesi [H3O+]

Calcolo del Calcolo del pHpH di una soluzione tamponedi una soluzione tampone

Calcolare il pH di 1 litro di una soluzione acquosa costituita da 0,100 mol di CH3COOH e 0,100 mol di CH3COONa, sapendo che Ka,CH3COOH = 1,7510-5 prime e dopo laggiunta di 0,010 mol di HCl e di 0,010 mol di NaOH.Le concentrazioni iniziali saranno:

[CH3COOH]= 0,100 mol l-1

[CH3COONa]= 0,100 mol l-1

Reazioni:CH3COONa CH3COO- + Na+

2 H2O H3O+ + OH- KWCH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ Ka,CH3COOHCH3COO- + H2O CH3COOH + OH- Kb,CH3COO-Concentrazioni incognite:[CH3COOH] , [CH3COO-] , [OH-] , [H3O+]

[Na+] = [CH3COOH]= 0,100 mol l-1

Equazione:

1) KW = [ H3O+ ] [ OH- ] = 1 10-14

2) Ka,CH3COOH = = 1,75 10-5

3) Bilancio di carica[CH3COO-] + [OH-] = [H3O+] + [Na+]

4) Bilancio di materia di CH3COOH e di CH3COO-[CH3COOH ]

+[CH3COONa]

= [CH3COO-] + [CH3COOH]

Risoluzione approssimata:Essendo Kb = KW/ Ka = 5,71 10-10 e Ka = 1,75 10-5

quindi Ka>> Kb e [CH3COOH ]=[CH3COONa]

possibile supporre la soluzione acida, per cui

[Na+]>> 10-7 >> [OH-] , si trascura [OH-] nella (3). e si trascura lautoprotolisi dellacqua.

[H3O+] [CH3COO-][CH3COOH]

Sistema semplificato:

2) Ka,CH3COOH = = 1,75 10-5

3) [CH3COO-] = [H3O+] + [Na+]4) [CH3COOH ]

+[CH3COONa]

= [CH3COO-] + [CH3COOH]

Dopo alcuni passaggi si ottiene:[CH3COOH] = [CH3COOH ]

- [H3O+]= 0,100 - [H3O+]

[CH3COO-] = [H3O+] + [Na+]= 0,100 + [H3O+]Sostituendo nella (2), si ha:

Ka,CH3COOH = = 1,75 10-5

[H3O+] = 1,75 10-5 pH=4,76

[H3O+] [CH3COO-][CH3COOH]

[H3O+] ([H3O+]+0,100)0,100 - [H3O+]

- Aggiunta di 0,010 mol di HCl

Laggiunta di 0,010 mol di HCl cio di 0,010 mol di ioni [H3O+] provoca la seguente reazione:

CH3COO-+H3O+ CH3COOH + H2O

cio gli ioni vengono sottratti alla soluzione reagendo con CH3COO-, per cui:

nCH3COOH= 0,100+0,010= 0,110 mol e quindi [CH3COOH ] =0,110 mol l-1 mentre nCH3COO-1= 0,100-0,010= 0,090 mol e quindi [CH3COO-1] =0,110 mol l-1

Ka,CH3COOH = = 1,75 10-5= = 1,75 10-5

[H3O+] = 2,14 10-5 mol l-1 pH= 4,67

Il pH rimasto praticamente invariato (da 4,76 a 4,67) mentre in H2O pura il pH sarebbe risultato di 2.

[H3O+] [CH3COO-]

[CH3COOH]

[H3O+] 0,090

0,110

- Aggiunta di 0,010 mol di NaOH

Laggiunta di 0,010 mol di ioni [OH-] provoca la seguente reazione:

CH3COOH + OH- CH3COO- + H2O

cio gli ioni vengono sottratti alla soluzione, per cui:

nCH3COO -1 = 0,100+0,010= 0,110 mol e quindi [CH3COO-1] =0,110 mol l-1 mentre nCH3COOH= 0,100-0,010= 0,090 mol e quindi [CH3COOH] =0,110 mol l-1

Ka,CH3COOH = = 1,75 10-5= = 1,75 10-5

[H3O+] = 1,43 10-5 mol l-1 pH= 4,84

Il pH rimasto praticamente invariato.

[H3O+] [CH3COO-]

[CH3COOH]

[H3O+] 0,110

0,090

- Aggiunta di 0,080 mol di HCl

Laggiunta di 0,080 mol di HCl cio di 0,080 mol di ioni [H3O+] provoca la seguente reazione:

CH3COO-+H3O+ CH3COOH + H2O

cio gli ioni vengono sottratti alla soluzione reagendo con CH3COO-, per cui:

nCH3COOH= 0,100+0,080= 0,180 mol e quindi [CH3COOH ] =0,180 mol l-1 mentre nCH3COO-1= 0,100-0,080= 0,020 mol e quindi [CH3COO-1] =0,020 mol l-1

Ka,CH3COOH = = 1,75 10-5= = 1,75 10-5

[H3O+] = 1,575 10-4 mol l-1 pH= 3,80

Il pH varia.

[H3O+] [CH3COO-][CH3COOH] 0,180

[H3O+] 0,020

Bilanciamento RedoxCalcoli ponderaliTermochimicaSoluzionipH

svolti 12 - sconosciuto

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