Indicatori di pH. Esercizi svolti

Gli indicatori sono composti in grado di subire modifiche facilmente osservabili – di solito il colore – in funzione dell’ambiente chimico in cui si trovano.

 

Gli indicatori usati in acidimetria e alcalimetria sono acidi organici deboli o basi organiche deboli, la cui forma acida possiede un colore diverso da quello della forma basica coniugata.

Consideriamo il generico indicatore acido HIn che, a contatto con l’acqua, dà il seguente equilibrio che, in accordo con la teoria di Bronsted e Lowry è il seguente:

 

HIn (aq) + H2O (l) ↔ H3O+ (aq) + In (aq)

acido             base                acido coniugato     base coniugata

 

in cui la forma acida rappresentata da HIn ha un colore diverso rispetto a quello della base coniugata In. Sia Kin la costante di dissociazione del generico indicatore HIn; si ha:

 

Kin = [H3O+][In]/ [HIn]  (1)

da cui:

Kin/ [H3O+] = [In]/ [HIn]

La variazione di colore della soluzione al variare del pH è dovuta al fatto che, per il Principio di Le Chatelier, l’aggiunta di ioni H3O+ fa retrocedere l’equilibrio e la concentrazione della forma in dissociata HIn diventa predominante rispetto a quella della forma in dissociata In.
In tali condizioni la colorazione che assume la soluzione è quella della forma acida dell’indicatore. Al contrario, l’aggiunta di una base, che equivale alla sottrazione di ioni H3O+ determina uno spostamento dell’equilibrio verso destra con conseguente aumento della concentrazione della forma dissociata In e la colorazione che la soluzione assume corrisponde a quella caratteristica dello ione In.

pH di viraggio

Il pH di viraggio degli indicatori è il pH al quale la concentrazione della forma protonata è uguale a quella della forma deprotonata quindi: [HIn] = [In]

Il rapporto [In]/ [HIn] è pari a 1 e la (1) diviene:

Kin = [H3O+]

Affinché l’occhio umano possa distinguere la transizione da una colorazione all’altra degli indicatori è necessario che nella soluzione sia presente un eccesso di una delle due forme rispetto all’altra di almeno 10 volte per cui se

[HIn]/ [In] > 10 il colore della soluzione è quella della forma acida mentre se [In]/[HIn] >10 il colore della soluzione è quello della forma basica

Esercizi svolti

  • Ad una soluzione 0.00200 M di HCl viene aggiunta una goccia di blu di bromo timolo ( Kin = 2.2 ∙ 10-2). Calcolare a) il valore del rapporto [In]/ [HIn]  b) la colorazione della soluzione sapendo che la forma acida è di colore rosso mentre quella basica è di colore giallo.

L’acido cloridrico è un acido forte per il quale si assume una dissociazione del 100% pertanto [H3O+] = 0.00200 M

Poiché Kin = [H3O+][In]/ [HIn]  sostituendo in questa espressione i valori noti si ha:

2.2 ∙ 10-2  = 0.00200 [In]/ [HIn]

Da cui:

2.2 ∙ 10-2  / 0.00200 = [In]/ [HIn]

[In]/ [HIn] = 11

Il colore della soluzione è quello della forma basica ovvero la soluzione è gialla.

 

  • Ad una soluzione 0.300 M di acido acetico (Ka = 1.76 ∙ 10-5) è aggiunta una goccia di blu di bromo fenolo ( Kin = 7.9 ∙ 10-5) . Calcolare a) il valore del rapporto [In]/ [HIn]  b) la colorazione della soluzione sapendo che la forma acida è di colore giallo mentre quella basica è di colore blu.

L’acido acetico è un acido debole che si dissocia secondo l’equilibrio:

CH3COOH + H2O  CH3COO + H3O+

 per calcolare la concentrazione di H3O+ all’equilibrio possiamo avvalerci di una I.C.E. chart:

  CH3COOH H2O CH3COO H3O+
Stato iniziale

0.300

Variazione

-x

+x

+x

Equilibrio

0.300-x

x

x

 

La costante di equilibrio Ka è pari a:

Ka = [CH3COO ][ H3O+]/ [CH3COOH]

Sostituendo nella costante di equilibrio i valori noti si ha:

Ka = 1.76 ∙ 10-5 = (x)(x) / 0.300-x

Da cui si ha: x = [H3O+] = 0.00230 M

Poiché Kin = [H3O+][In]/ [HIn]  sostituendo in questa espressione i valori noti si ha:

Kin = 7.9 ∙ 10-5 = 0.00230 [In]/ [HIn]

Da cui

7.9 ∙ 10-5 / 0.00230 = [In]/ [HIn]

[In]/ [HIn] = 0.0343

Il valore del rapporto [HIn]/ [In] vale:

[HIn]/ [In] = 1 / 0.0343 =  29

e ci indica che la forma acida HIn è predominante conseguentemente il colore della soluzione è quello della forma acida ovvero la soluzione è gialla.

  • Ad una soluzione 0.0300 M di etilammina (Kb = 5.6 10-4) viene addizionata una goccia di fenolftaleina ( KIn = 7.9 10-10). Calcolare a) il valore del rapporto [In]/ [HIn]  b) la colorazione della soluzione sapendo che la forma acida è incolore mentre quella basica è di colore rossa.

L’etilammina è una base debole che si dissocia secondo l’equilibrio:

CH3CH2NH2 + H2O CH3CH2NH3+ + OH

per calcolare la concentrazione di OH all’equilibrio possiamo avvalerci di una ICE chart:

  CH3CH2NH2 H2O CH3CH2NH3+ OH
Stato iniziale

0.0300

Variazione

-x

+x

+x

Equilibrio

0.0300-x

x

x

 

La costante di equilibrio Kb è pari a:

Kb = [CH3CH2NH3+ ][ OH] / [CH3CH2NH2 ]

Sostituendo nella costante di equilibrio i valori noti si ha:

Kb =5.6 ∙ 10-4 = (x)(x) / 0.0300-x

Da cui si ha: x = [OH] = 0.00410 M

Poiché [H3O+][OH] = Kw = 1.00 ∙ 10-14

Si ha: [H3O+] = 1.00 ∙ 10-14/ [OH] = 1.00 ∙ 10-14/0.00410 = 2.44 ∙ 10-12

Poiché Kin = [H3O+][In]/ [HIn]  sostituendo in questa espressione i valori noti si ha:

KIn = 7.9 ∙ 10-10 = 2.44 10-12[In]/ [HIn]

Da cui

7.9 ∙ 10-10 / 2.44 ∙ 10-12= [In]/ [HIn]

[In]/ [HIn] = 323

Il colore della soluzione è quello della forma basica ovvero la soluzione è rossa.

 

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