Bilancio protonico: spiegazione, esempi

Il bilancio protonico o condizione del protone esprime l’uguaglianza tra la concentrazione di ioni idrogeno ceduta dalle specie acide e quella acquistata dalle specie basiche.

Un metodo rigoroso del trattamento degli equilibri acido-base consiste nel considerare tutte le reazioni protolitiche che hanno luogo fra il solvente e gli acidi e le basi presenti in soluzione.

Per esempio il bilancio protonico per l’acqua pura si trova prendendo in esame l’equilibrio di dissociazione dell’acqua:

H₂O ⇄ H⁺ + OH^–

Da cui appare chiaro che : [H⁺] = [OH^–]

Mentre se è presente un acido forte monoprotico avente concentrazione molare pari ad a si ha:

[H⁺] = [OH^–] + a

Se la soluzione contiene sia un acido forte monoprotico che una base forte avente concentrazione molare pari a b si ha:

[H⁺] = [OH^–] + a – b

Se l’acido o la base forte hanno la possibilità di scambiare più di un protone per molecola, le concentrazioni di a e di b vanno moltiplicate per il rispettivo numero di protoni.

Il bilancio protonico per una soluzione contenente un acido debole monoprotico HB si ricava prendendo in esame gli equilibri:

H₂O ⇄ H⁺ + OH^–

HB ⇄ H⁺ + B

Ed è dato da: [H⁺] = [OH^–] +[B]

Se a questa soluzione si aggiunge una base forte il bilancio protonico diviene: [H⁺] = [OH^–] +[B]+ a – b

Se una soluzione, oltre ad HB, all’acido forte e alla base forte contiene anche la base debole G è necessario tenere conto anche dell’equilibrio:

G + H⁺⇄ HG

In questo caso il bilancio protonico è: [H⁺] = [OH^–] +[B] – [HG] + a – b

Esempio

Determinare il bilancio protonico di NaNH₄HPO₄

Gli equilibri protolitici che interessano sono i seguenti:

H₂O ⇄ H⁺ + OH^–        K_w = 1.00 ∙ 10^-14

NH₄⁺ ⇄ NH₃ + H⁺       K_NH4+ = 5.8 ∙ 10^-10

HPO₄^2- ⇄  H⁺ + PO₄^3-     K₃ = 4.8 ∙ 10^-13

Lo ione idrogeno fosfato può comportarsi da base e pertanto:

HPO₄^2- + H⁺ ⇄  H₂ PO₄^–     1/K₂ = 1.6 ∙ 10⁷

HPO₄^2- + 2 H⁺ ⇄  H₃PO₄     1/K₁K₂ = 2.8 ∙10⁹

Il bilancio protonico è pertanto:

[H⁺] = [OH^–] + [NH₃] + [PO₄^3-] – [HPO₄^–] – 2 [H₃PO₄]

Il coefficiente 2 che precede [H₃PO₄] è dovuto al fatto che per trasformare lo ione HPO₄^2- in una molecola di acido fosforico occorrono due protoni.