Acizi si baze (pH, ionizare, neutralizare, titrari acido-bazice)

Pe scurt

Acizii și bazele sunt substanțe fundamentale în chimie, caracterizate prin proprietăți opuse, iar pH-ul măsoară aciditatea unei soluții. Neutralizarea reprezintă reacția dintre un acid și o bază, producând apă și o sare, iar titrarea acido-bazică este o tehnică volumetrică pentru determinarea concentrațiilor necunoscute. Înțelegerea acestor concepte este esențială pentru rezolvarea problemelor de Bacalaureat, inclusiv calcule de pH, Ka, Kb și determinarea concentrațiilor prin titrare.

Teorii privind acizii și bazele

Conform teoriei Arrhenius, un acid este o substanță care, în soluție apoasă, eliberează ioni de hidrogen (H⁺), iar o bază eliberează ioni de hidroxid (OH⁻). De exemplu:

• HCl → H⁺ + Cl⁻
• NaOH → Na⁺ + OH⁻

Conform teoriei Brønsted-Lowry, un acid este un donor de protoni (H⁺), iar o bază este un acceptor de protoni. În cazul apei, aceasta poate acționa atât ca acid (când donează un proton) cât și ca bază (când acceptă un proton), fiind o substanță amfoteră.

Puterea acizilor și bazelor

Puterea unui acid sau a unei baze se măsoară prin constanta de ionizare:

• Ka pentru acizi
• Kb pentru baze

Un acid tare (ex. HCl) se ionizează complet, iar un acid slab (ex. CH₃COOH) se ionizează parțial.

pH-ul și pOH-ul

pH-ul este o măsură a acidității unei soluții, definit ca

• pH = -log[H⁺], unde [H⁺] este concentrația ionilor de hidrogen (în mol/L)

O soluție neutră are pH = 7 (la 25°C), cele acide au pH < 7, iar cele bazice au pH > 7.

Relația dintre pH și pOH: pH + pOH = 14

Reacții de neutralizare

Neutralizarea este reacția dintre un acid și o bază, care produce apă și o sare. De exemplu:

• HCl + NaOH → NaCl + H₂O

Ecuația echivalenței: n_acid = n_bază

Titrarea acido-bazică

Titrarea acido-bazică este o tehnică volumetrică prin care se determină concentrația unei soluții necunoscute de acid sau bază, prin adăugarea controlată a unei soluții de concentrație cunoscută (titrant) până la atingerea punctului de echivalență, unde numărul de moli de acid este egal cu cel de bază.

Punctul de echivalență poate fi evidențiat cu ajutorul unui indicator (ex. fenolftaleina, care își schimbă culoarea la pH ≈ 8-10) sau cu ajutorul unui pH-metru.

Caracteristici ale titrării

• La titrarea unui acid tare cu o bază tare, pH-ul la echivalență este 7
• La titrarea unui acid slab cu o bază tare, pH-ul la echivalență este > 7, datorită hidrolizei sării formate

Calculul pH-ului în timpul titrării

Pentru soluții de acizi/baze tari

• [H⁺] = (n_acid_exces - n_bază_exces) / V_total

Pentru soluții tampon (amestec de acid slab cu baza sa conjugată) se folosește ecuația Henderson-Hasselbalch:

• pH = pKa + log([bază conjugată]/[acid slab])

Exemple de calcul

Exemplul 1: Se dizolvă 0,365 g HCl (M = 36,5 g/mol) în apă, obținându-se 500 mL soluție. Calculați pH-ul soluției.

• n_HCl = 0,365 / 36,5 = 0,01 mol
• [HCl] = 0,01 mol / 0,5 L = 0,02 M
• HCl este acid tare, deci [H⁺] = 0,02 M
• pH = -log(0,02) = -log(2×10⁻²) = 2 - log2 ≈ 2 - 0,3010 = 1,699

Exemplul 2: Se titrează 20 mL soluție de NaOH 0,1 M cu soluție de HCl 0,1 M.

• a) Calculați pH-ul inițial al soluției de NaOH: NaOH este bază tare, [OH⁻] = 0,1 M, pOH = -log(0,1) = 1, pH = 14 - 1 = 13
• b) Calculați pH-ul după adăugarea a 10 mL HCl: n_NaOH inițial = 0,1 × 0,020 = 0,002 mol; n_HCl adăugat = 0,1 × 0,010 = 0,001 mol; După reacție, n_NaOH exces = 0,002 - 0,001 = 0,001 mol; V_total = 20 + 10 = 30 mL = 0,030 L; [OH⁻] = 0,001 / 0,030 = 0,0333 M; pOH = -log(0,0333) = 1,477; pH = 14 - 1,477 = 12,523

Exemplul 3: Calculați pH-ul unei soluții care conține 0,1 M acid acetic (Ka = 1,8×10⁻⁵) și 0,1 M acetat de sodiu.

• Avem o soluție tampon formată din acid slab și sarea sa
• Aplicăm ecuația Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log([acetat]/[acid acetic])
• pKa = -log(1,8×10⁻⁵) = 5 - log1,8 ≈ 5 - 0,255 = 4,745
• [acetat] = 0,1 M, [acid] = 0,1 M, log(1) = 0, deci pH = 4,745

Verifică-te!

1. Care este diferența principală între un acid tare și un acid slab din punctul de vedere al ionizării?

1. Ce valoare are pH-ul la punctul de echivalență când se titrează un acid tare cu o bază tare?

1. Ce relație matematică se utilizează pentru calculul pH-ului unei soluții tampon?