Supponiamo di avere un acido e una base. Conosci la concentrazione dell'acido, ma la concentrazione della base è un mistero. Per scoprire la concentrazione incognita, si può effettuare un tipo di reazione nota come titolazione.
- Questo articolo tratta le curve di pH e le titolazioni in chimica.
- Inizieremo con la definizione di titolazione prima di esaminare il metodo di titolazione.
- Successivamente, discuteremo cosa si intende per punto di equivalenza.
- In seguito, esamineremo le diverse curve di pH per le varie combinazioni di acidi e basi forti e deboli.
- Ci eserciteremo poi a calcolare le concentrazioni utilizzando i calcoli delle curve di pH.
- Infine, esploreremo l'uso degli indicatori nelle titolazioni. Questo permetterà di definire il punto finale.
Che cosa sono le titolazioni?
La titolazione è una reazione utilizzata per trovare la concentrazione incognita di una soluzione, detta titolante, aggiungendola gradualmente a una soluzione a concentrazione nota fino a quando non si verifica un cambiamento percepibile.
La variazione percepibile è causata da un indicatore.
Un indicatore è una sostanza che subisce un cambiamento percepibile quando cambiano le condizioni della sua soluzione. Ad esempio, può essere la formazione di un precipitato, ma di solito si tratta di un cambiamento di colore.
In questo caso, utilizziamo le titolazioni per determinare la concentrazione incognita di un acido o di una base. Utilizziamo indicatori che cambiano colore ad un determinato valore di pH per aiutarci a determinare il punto finale della nostra reazione - torneremo su questo concetto tra poco. Tuttavia, se vogliamo misurare con maggiore precisione il pH in punti specifici, possiamo utilizzare una pH-metro (piaccametro). Si tratta di un dispositivo digitale che misura il pH con precisione. Possiamo utilizzare i nostri dati per disegnare una curva di pH.
La curva del pH, nota anche come curva di titolazione, è un grafico che mostra come cambia il pH di una soluzione quando vi si aggiunge un acido o un alcale ovvero un sale ionico basico di un metallo alcalino.
Figura 1. Curva di pH.
Non preoccuparti! Tra poco vedremo come interpretare e utilizzare questi grafici. Ma prima vediamo come si esegue una titolazione per raccogliere i dati necessari a tracciare una curva di pH.
Titolazione
Supponiamo di avere una soluzione di acido cloridrico (HCl) di 0,100 mol L-1. Abbiamo anche una soluzione di idrossido di sodio (NaOH), di cui vogliamo determinare la concentrazione. Per fare ciò, eseguiamo una titolazione. L'esperimento prevede i seguenti passaggi:
- Misurare 30 mL di soluzione a concentrazione nota con un matraccio tarato. In questo caso, utilizziamo HCl. Versare la soluzione in una beuta.
- Aggiungere 2-3 gocce del proprio indicatore e agitare la soluzione nella beuta.
- Lavare una buretta con acqua distillata e successivamente con la soluzione della concentrazione incognita, che è il titolante. In questo caso, utilizziamo NaOH. Utilizzare un supporto e una pinza per sistemare la buretta in modo che penda sopra la beuta.
- Riempire la buretta con il titolante. Annotare il volume di questa soluzione, che può essere letto dalla buretta. Questo è il volume iniziale.
- Aggiungere il titolante nella beuta ad intervalli di 1 mL, agitando dopo ogni aggiunta, finché la soluzione nella beuta non cambia colore. Annotare il valore indicato sulla buretta. Questo è il volume finale.
- Per calcolare il titolo, sottrarre il volume finale dal volume iniziale. In questo modo si ottiene il volume di titolante aggiunto alla beuta.
- Ripetere l'esperimento finché non si ottengono tre valori di titolo entro 0,1 mL l'uno dall'altro. Questi sono noti come risultati concordanti. Tuttavia, quando si raggiunge la fine della titolazione (cioè quando ci si avvicina al punto in cui avviene il cambiamento di colore), aggiungere il titolante goccia a goccia. Il cambiamento di colore avviene in un piccolo intervallo di volume e quindi l'aggiunta del titolante in quantità ridotte consente di essere più precisi.
Alternativamente, è possibile misurare il pH della soluzione nella beuta con un pH-metro, dopo ogni aggiunta di titolante. Quando ci si avvicina al punto di viraggio, aggiungere un volume minore, come spiegato sopra.
Qui di seguito viene mostrata la configurazione tipo di una titolazione.
Figura 2. Set up tipico per un esperimento di titolazione.
Fonte: commons.wikimedia.org
Curva di titolazione punto di equivalenza
Supponiamo di eseguire la titolazione descritta sopra, aggiungendo NaOH ad HCl. Si potrebbe ottenere una curva di pH (titolazione) che assomiglia un po' a questa (si noti che si tratta della curva di pH che abbiamo mostrato in precedenza):
Figura 3. Curva di pH.
Cosa si può dire di questo grafico? L'aumento del pH non è lineare.
- Quando si inizia ad aggiungere la base, il pH inizialmente aumenta lentamente. L'aggiunta di una grande quantità di base ha un effetto minimo sul valore del pH.
- Il pH aumenta rapidamente in un intervallo di volume ridotto, creando una sezione verticale ripida. L'aggiunta di una piccola quantità di base ha un grande effetto sul valore del pH.
- Il pH si stabilizza e torna a salire lentamente. Ancora una volta, l'aggiunta di una grande quantità di base ha un effetto minimo sul valore del pH.
Si noterà la sezione ripida e quasi verticale del grafico in cui il pH cambia rapidamente. In questa titolazione, ciò avviene dopo aver aggiunto circa 25 mL della nostra base (NaOH).
Ricorda che un alcali è una base acquosa. Ciò significa che NaOH è sia un alcali che una base. Tutti gli alcali sono basi, ma non tutte le basi sono alcali!
La sezione verticale contiene il punto di equivalenza, che si trova al centro della sezione verticale.
Il punto di equivalenza è quello in cui è stata aggiunta una quantità di base sufficiente a neutralizzare l'acido in una reazione di titolazione o viceversa.
In questa reazione, il punto di equivalenza si trova ad un pH di circa 7.
Figura 4. Punto di equivalenza sulla curva di pH.
Sebbene ogni curva di pH abbia una forma simile, ogni curva è unica. Nella prossima sezione esploreremo vari tipi di curve di pH per acidi e basi forti e deboli.
Curve di titolazione
Le curve di pH (titolazione) con diverse combinazioni di acidi e basi deboli e forti hanno un aspetto leggermente diverso. Possono sembrare molte informazioni da ricordare, ma in realtà capire la forma di una curva di titolazione è piuttosto semplice. Tutto si basa sui valori relativi di pH degli acidi e delle basi forti e deboli:
- Acidi forti hanno valori di pH bassi.
- Acidi deboli hanno valori di pH bassi.
- Basi deboli hanno valori di pH alti.
- Basi forti hanno valori di pH alti.
Ricorda che gli acidi e le basi forti si dissociano completamente in soluzione, mentre gli acidi e le basi deboli si dissociano solo parzialmente. Per saperne di più, consulta Acidi e basi deboli.
Ecco la scala di pH da 0 a 14.
Figura 5. Valori tipici di pH di acidi e basi forti/deboli.
Vediamo ora alcuni esempi di curve di pH.
In tutti i nostri esempi, aggiungiamo un alcali a un acido. Tuttavia, è anche possibile il contrario: significa solo che il grafico inizia con un pH più alto e termina con un pH più basso. Basta riflettere la curva lungo l'asse y per ottenere la forma corretta.
Acido forte e base forte
Abbiamo già visto la curva del pH per un acido forte e una base forte nell'esempio precedente. Inizia con un pH molto basso, ha un'ampia sezione verticale e termina con un pH molto alto.
Figura 6. Curva di pH per la reazione tra un acido e una base forte.
Acido forte e base debole
Le basi deboli hanno un pH più basso delle basi forti a parità di concentrazione. Pertanto, il grafico termina con un pH elevato, ma non tanto elevato quanto quello osservato nella curva tra un acido forte e una base forte. Pertanto, la sezione verticale è più corta.
Figura 7. Curva di pH per la reazione tra un acido forte e una base debole.
Acido debole e base forte
Gli acidi deboli hanno un pH leggermente superiore a quello degli acidi forti. Questo grafico è l'opposto di quello precedente, con un pH iniziale basso ma un pH finale molto alto.
Figura 8. Curva di pH per la reazione tra un acido debole ed una base forte.
Avrai notato che all'inizio il pH aumenta bruscamente quando aggiungiamo un po' di alcali. L'aumento è dovuto alla reazione dell'acido debole con l'alcali, che forma una soluzione tampone. Per saperne di più, consulta la sezione Soluzioni tampone.
Acido debole e base debole
La curva del pH di un acido debole e di una base debole presenta un breve tratto verticale. Inizia con un pH basso e termina con un pH alto. Confrontala con la curva del pH della reazione tra un acido forte e una base forte, che ha un pH iniziale molto basso e un pH finale molto alto.
Figura 9. Curva di pH per la reazione tra un acido debole ed una base debole.
In tutti gli esempi che abbiamo visto, si tratta di acidi monoprotici. Sono acidi che donano un protone per ogni molecola di acido. Tuttavia, è possibile effettuare titolazioni anche con acidi diprotici o addirittura con acidi poliprotici. Gli acidi diprotici forniscono curve di pH con due sezioni distinte e a forte pendenza. Nella prima sezione, ogni molecola di acido perde il suo primo protone. Nel secondo tratto, ogni molecola perde il suo secondo protone.
Riepilogo curve di titolazione
Ecco una tabella che riassume le caratteristiche delle curve di pH (titolazione) tra diverse combinazioni di acidi e basi forti e deboli.
| Base forte | Base debole |
| Acido forte | pH iniziale molto bassoAmpia sezione verticalepH finale molto alto | pH iniziale molto bassoSezione verticale mediapH finale alto |
| Acido debole | pH iniziale bassoSezione verticale mediapH finale molto alto | pH iniziale bassoSezione verticale cortapH finale alto |
Calcoli curve di titolazione
All'inizio di questo articolo abbiamo eseguito una titolazione tra acido cloridrico (HCl) e idrossido di sodio (NaOH) per trovare la concentrazione della soluzione di idrossido di sodio. Alla fine abbiamo ottenuto una serie di valori che ci dicono il volume di NaOH che abbiamo aggiunto in ogni titolazione prima di raggiungere il punto di equivalenza, cioè quando abbiamo aggiunto una quantità di NaOH sufficiente a neutralizzare tutto l'HCl. Vediamo come utilizzare questi risultati per calcolare la concentrazione di NaOH. Dobbiamo procedere come segue:
- Identificare i risultati concordanti.
- Utilizzare i risultati concordanti per calcolare il titolo medio. Ricordate che questo titolo medio è semplicemente il volume medio di NaOH (la soluzione incognita) aggiunto in ogni titolazione.
- Utilizzate il volume e la concentrazione di HCl (la soluzione nota) per calcolare il numero di moli di HCl utilizzate in ogni titolazione.
- Utilizzare l'equazione chimica bilanciata per trovare il numero di moli di NaOH che reagiscono in ogni titolazione.
- Utilizzare questo numero di moli, insieme al titolo medio calcolato in precedenza, per calcolare la concentrazione di NaOH.
Si esegue una reazione di titolazione tra HCl e NaOH, utilizzando 30 mL di HCl 0,100 mol L-1 in ogni titolazione e una soluzione di NaOH come titolante. Utilizza i seguenti dati per calcolare la concentrazione della soluzione di NaOH.
| Titolo 1 | Titolo 2 | Titolo 3 |
Volume (in mL) di NaOH aggiunto | 24.9 | 25.2 | 25.0 |
In primo luogo, è necessario identificare i risultati concordanti. Per le reazioni di titolazione, questi sono generalmente definiti come risultati che si trovano entro 0,1 mL l'uno dall'altro. Si può notare che i titoli 1 e 3 hanno prodotto risultati concordanti. Evidenziamo questi risultati e calcoliamo il titolo medio:
| Titolo 1 | Titolo 2 | Titolo 3 |
Volume (in mL) di NaOH aggiunto | 24.9 | 25.2 | 25.0 |
(24.9 + 25.0) ÷ 2 = 24.95 mL
Concordante significa generalmente "d'accordo". Si può pensare a questi risultati come a un "accordo" sul volume di titolante necessario per neutralizzare la soluzione.
Ora mettiamo da parte questo titolo medio per un secondo e calcoliamo il numero di moli di HCl in ogni titolazione. Per farlo, utilizziamo le informazioni contenute nella domanda e l'equazione che collega moli, concentrazione e volume. Il nostro HCl ha una concentrazione di 0,100 mol L e ne abbiamo usato 30 mL in ogni titolazione.
Ricorda di convertire tutti i volumi in litri (L). La conversione da mL a L si effettua dividendo per 1000.
moli = concentrazione x volume
moli = 0.100 x 0.03 = 0.003 moli
Se scriviamo un'equazione per la reazione tra HCl e NaOH, possiamo vedere che reagiscono in un rapporto 1:1.
HCl + NaOH → NaCl + H2O
Ciò significa che abbiamo bisogno dello stesso numero di moli di NaOH e di HCl per neutralizzare completamente HCl. Pertanto, dobbiamo aver utilizzato 0,003 moli di NaOH. Ora possiamo usare il volume del titolo medio (convertito in L, ovviamente) per calcolare la concentrazione di NaOH:
concentrazione = moli ÷ volume
concentrazione = 0.003 ÷ 0.02495 = 0.012 mol L-1
Fai attenzione al numero di decimali indicati nella domanda. È necessario arrotondare la risposta a questo numero.
Curve di titolazione e indicatori
Quando aggiungiamo un alcali a un acido, o viceversa, il pH cambia. Ad esempio, il pH aumenta quando aggiungiamo idrossido di sodio all'acido cloridrico. Quando il pH raggiunge un certo livello, l'indicatore cambia colore. Questo è noto come punto finale della titolazione.
Il punto finale è il punto in cui l'indicatore cambia colore.
Possiamo usare i punti finali per determinare i punti di equivalenza di specifiche combinazioni acido-base. Ricordiamo che il punto di equivalenza si trova al centro di una sezione quasi verticale della curva di pH. Questa sezione copre un'ampia gamma di valori di pH e l'aggiunta di un po' di titolante cambia drasticamente il pH. Ciò significa che quando si raggiunge il punto di equivalenza della reazione, si raggiunge anche il suo punto finale. Per determinare con precisione il punto di equivalenza di una titolazione, dobbiamo utilizzare indicatori i cui punti finali rientrano nell'ampio intervallo di pH di questa sezione quasi verticale.
Per essere adatto alla titolazione, un indicatore deve soddisfare diversi criteri.
- Il cambiamento di colore deve essere evidente.
- Il cambiamento di colore deve essere brusco e non deve verificarsi in un ampio intervallo di valori di pH.
- Il punto finale dell'indicatore deve corrispondere al punto di equivalenza della titolazione.
Considera l'esempio riportato sotto.
Utilizzare la curva di pH fornita per determinare quale indicatore sarebbe adatto alla seguente titolazione. I punti finali dei due possibili indicatori sono rappresentati da una linea al pH appropriato, che mostra il cambiamento di colore.
Figura 10. Curva di pH per la reazione tra un acido forte ed una base debole, mostra il punto finale di ciascun indicatore
In questo caso, la fenolftaleina non sarebbe un indicatore adatto perché il suo punto finale, in cui cambia colore, non rientra nella sezione verticale della curva del pH. Pertanto, il suo punto finale non coincide con il punto di equivalenza della titolazione. Tuttavia, il punto finale del metilarancio cade nella sezione verticale della curva di pH e quindi sarebbe un indicatore adatto.
Curva di titolazione – Punti chiave
- Una titolazione è una reazione in cui si trova la concentrazione incognita di una soluzione, nota come titolante, aggiungendola gradualmente a una soluzione di concentrazione nota fino a quando non si verifica un cambiamento percepibile. Per giudicare quando la titolazione è completa, utilizziamo degli indicatori.
- La curva di pH è un grafico prodotto da una titolazione che mostra come cambia il pH di una soluzione quando vi si aggiunge un acido o un alcali.
- Il punto di equivalenza di una titolazione è quando è stata aggiunta una quantità di base sufficiente a neutralizzare l'acido o viceversa.
- Il punto finale di una titolazione è il punto in cui l'indicatore cambia colore.
- Gli indicatori adatti alle reazioni di titolazione devono produrre un cambiamento di colore distinto in un piccolo intervallo di valori di pH e avere un punto finale pari al punto di equivalenza della titolazione.
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