Alcalinità di una soluzione: determinazione di carbonati e idrogenocarbonati

L’alcalinità di una soluzione è definita come la capacità che hanno gli elettroliti in essa disciolti di reagire con gli acidi neutralizzandoli o formando con essi una soluzione tampone.

L’alcalinità di una soluzione può essere dovuta alla presenza di basi forti o deboli ma anche alla presenza di sali che danno idrolisi basica come i sali derivanti da acido debole e base forte come, ad esempio KF, CH₃COONa, KCN.

Gli ioni più comuni che conferiscono alcalinità ad una soluzione sono i carbonati CO₃^2- e gli idrogenocarbonati HCO₃^–.

Reazioni del carbonato

Lo ione carbonato infatti può agire da base di Brønsted e Lowry  potendo solo accettare protoni:
CO₃^2- + H₂O ⇄  HCO₃^– + OH^–

Lo ione idrogenocarbonato è in realtà un elettrolita anfotero che può agire sia da acido ovvero da donatore di ioni H₃O⁺ secondo l’equilibrio:

HCO₃^– + H₂O ⇄  CO₃^2-  + H₃O⁺

che da base di Brønsted e Lowry  secondo l’equilibrio:

HCO₃^– + H₂O ⇄  CO₂ + H₂O + OH^–

Tuttavia l’equilibrio di idrolisi è molto più spostato a destra di quanto non lo sia l’equilibrio di dissociazione di HCO₃^– pertanto sia  i carbonati che gli idrogenocarbonati contribuiscono all’alcalinità di una soluzione.

Determinazione dell’alcalinità

L’alcalinità di una soluzione può essere determinata tramite titolazione con un acido forte come HCl; tale titolazione viene effettuata con un doppio indicatore ovvero dapprima con la fenolftaleina che vira, a seguito dell’aggiunta di HCl dal rosa all’incolore e, dopo aver raggiunto il primo punto equivalente, con il metilarancio che vira dal giallo all’arancio.

Il viraggio della fenolftaleina avviene a pH pari a 8.3 e quando si raggiunge questo valore di pH sono stati titolati ioni idrossido e metà degli ioni carbonato ovvero si è determinata l’alcalinità alla fenolftaleina. Se la soluzione non contiene tali ioni ovvero non presenta alcalinità alla fenolftaleina allora l’aggiunta dell’indicatore alla soluzione non provoca la colorazione rosa ma la soluzione rimane incolore.

Il volume V₁ di acido aggiunto corrisponde alla neutralizzazione completa degli ioni idrossido e alla conversione del carbonato in idrogeno carbonato:

H⁺ + OH^– → H₂O

CO₃^2- + H⁺ → HCO₃^–

La titolazione prosegue quindi con l’aggiunta di metilarancio. Il volume V₂ di acido aggiunto per raggiungere il secondo punto equivalente corrisponde alla neutralizzazione dell’idrogenocarbonato:

HCO₃^– + H⁺ → CO₂ + H₂O

Il volume totale di HCl usato per la titolazione ovvero V₁ + V₂  corrisponde alla neutralizzazione di idrossidi, carbonati e idrogenocarbonati .

Quindi è una misura dell’alcalinità totale anche detta alcalinità al metilarancio.

Alcalinità alla fenolftaleina

Se l’alcalinità della soluzione è dovuta ai soli ioni idrossido la neutralizzazione è completa al viraggio della fenolftaleina;  quindi l’alcalinità totale coincide con l’alcalinità alla fenolftaleina.

Se l’alcalinità è dovuta alla sola presenza di carbonati al viraggio della fenolftaleina si è avuta la completa conversione del carbonato in carbonato acido ovvero è avvenuta la semineutralizzazione del carbonato. Ciò implica che il volume di HCl necessario per raggiungere il secondo punto equivalente è uguale a quello usato per raggiungere il primo punto equivalente.

Per soluzioni contenenti idrossido e carbonato al punto di viraggio della fenolftaleina è stato titolato tutto l’idrossido e si è avuta la semineutralizzazione del carbonato mentre l’aggiunta di ulteriore HCl in presenza di metilarancio porta alla neutralizzazione dell’idrogeno carbonato. Ovviamente il volume necessario per il raggiungimento del secondo punto equivalente è inferiore a quello per il raggiungimento del primo.

Per soluzioni contenenti carbonati e bicarbonati al punto di viraggio della si è avuta la semineutralizzazione del carbonato. Il volume di HCl necessario per raggiungere il secondo punto equivalente corrisponde alla neutralizzazione di HCO₃^– presente inizialmente e alla neutralizzazione di HCO₃^–  proveniente dalla semineutralizzazione del carbonato.

Ovviamente il volume necessario per raggiungere il secondo punto equivalente è maggiore del volume impiegato per il raggiungimento del primo punto equivalente. Detto V₁ il volume di acido necessario per avere il primo punto equivalente e detto V₂ il volume di acido necessario per avere il secondo punto equivalente l’alcalinità dovuta al carbonato è pari a 2V₁ mentre quella dovuta all’idrogenocarbonato è data da V₂ – V₁.

Se l’alcalinità è dovuta alla sola presenza di HCO₃^– allora l’aggiunta di fenolftaleina non provocherà la formazione del colore rosa. La titolazione avviene quindi usando il metilarancio e il volume di HCl corrisponde al carbonato acido presente.