Curve di titolazione spiegate: punti di equivalenza, semiequivalenza e scelta dell'indicatore
Risposta breve: una curva di titolazione riporta il pH in funzione del volume di titolante aggiunto. Per un acido debole con NaOH parte dal pH dell'acido, sale lentamente attraverso una zona tampone in cui pH = pKa alla semiequivalenza, poi ha un salto ripido al punto di equivalenza. Il pH di equivalenza è 7,00 solo per un acido forte con una base forte. Scegli un indicatore il cui viraggio cada nella parte ripida. Il simulatore di curve di titolazione gratuito disegna la curva, segna ogni punto e valuta gli indicatori.
Che cosa mostra una curva di titolazione
In una titolazione acido-base, una soluzione a concentrazione nota (il titolante) viene aggiunta da una buretta a un volume misurato di analita. Il punto di equivalenza è quello in cui le moli di titolante corrispondono esattamente alle moli di analita. Il punto finale è quello in cui l'indicatore cambia colore.
La curva ha quattro parti: il pH iniziale, la zona tampone (per un acido o una base debole), il salto ripido attorno al punto di equivalenza e la regione piatta del titolante in eccesso.
Le formule per ogni regione
Per un acido debole HA titolato con NaOH:
- Inizio: [H⁺] = √(Ka × C).
- Zona tampone: pH = pKa + log(moli A⁻ / moli HA).
- Semiequivalenza: moli A⁻ = moli HA, quindi pH = pKa.
- Equivalenza: resta solo A⁻. [OH⁻] = √(Kb × C), dove Kb = Kw / Ka e C è la concentrazione del sale nel volume totale.
- Dopo l'equivalenza: [OH⁻] = moli di NaOH in eccesso / volume totale.
Il simulatore non passa da una formula all'altra. Risolve il bilancio di carica completo, [H⁺] + [Na⁺] = [OH⁻] + [A⁻] + 2[A²⁻] + 3[A³⁻] + [Cl⁻], a ogni volume. Così dà valori corretti per acidi poliprotici e soluzioni molto diluite, dove le scorciatoie non funzionano.
Come usare il simulatore di curve di titolazione
- Apri il simulatore di curve di titolazione.
- Scegli l'Analita nella beuta. Gli acidi si titolano con NaOH e le basi con HCl. Scegli Acido debole personalizzato o Base debole personalizzata per inserire il tuo pKa o pKb.
- Inserisci la Concentrazione dell'analita (mol/L), il Volume dell'analita (mL) e la concentrazione del titolante nella buretta.
- Leggi il pannello dei risultati: pH iniziale, ogni punto di equivalenza e ogni punto di semiequivalenza.
- Scegli un indicatore in Mostra la banda di colore dell'indicatore per vederne l'intervallo sul grafico. La tabella degli indicatori riporta l'errore di punto finale di metilarancio, rosso metile, tornasole, blu di bromotimolo e fenolftaleina.
- Scrivi dei volumi in pH a volumi scelti per ottenere una tabella di valori di pH.
- Salva il grafico con Esporta PNG o i dati con Esporta CSV.
Esempi svolti
1. 25,00 mL di HCl 0,100 M con NaOH 0,100 M
Inizio: pH = −log 0,100 = 1,00. Dopo 10,00 mL: 2,50 − 1,00 = 1,50 mmol di H⁺ in 35,00 mL, quindi [H⁺] = 0,0429 M e pH = 1,37.
A 25,00 mL il pH è 7,00. A 30,00 mL ci sono 0,500 mmol di OH⁻ in eccesso in 55,00 mL, quindi pOH = 2,04 e pH = 11,96. Il pH salta da 3,7 a 10,3 tra 24,90 e 25,10 mL.
2. 25,00 mL di acido acetico 0,100 M con NaOH 0,100 M
Inizio: [H⁺] = √(1,74 × 10⁻⁵ × 0,100) = 1,32 × 10⁻³ M, pH = 2,88. A 12,50 mL, pH = pKa = 4,76. A 20,00 mL, pH = 4,76 + log(2,00/0,50) = 5,36.
A 25,00 mL la beuta contiene acetato 0,0500 M. Kb = 5,75 × 10⁻¹⁰, [OH⁻] = 5,36 × 10⁻⁶ M, pH = 8,73. La fenolftaleina è l'indicatore giusto.
3. 25,00 mL di NH₃ 0,100 M con HCl 0,100 M
Inizio: pH = 11,12. Alla semiequivalenza, pH = pKa di NH₄⁺ = 9,25. All'equivalenza la beuta contiene NH₄⁺ 0,0500 M, quindi pH = 5,28. Usa il rosso metile.
4. 25,00 mL di H₃PO₄ 0,100 M con NaOH 0,100 M
I valori di pKa sono 2,15, 7,20 e 12,38. Il primo punto di equivalenza è a 25,00 mL, pH 4,70. Il secondo è a 50,00 mL, pH 9,67. A 37,50 mL, pH = pKa₂ = 7,20.
Il terzo punto di equivalenza a 75,00 mL non mostra alcun salto, perché HPO₄²⁻ è un acido troppo debole per essere titolato in acqua.
5. 25,00 mL di Na₂CO₃ 0,0500 M con HCl 0,100 M
Il carbonato accetta due protoni. Il primo punto di equivalenza (CO₃²⁻ → HCO₃⁻) è a 12,50 mL, pH 8,34. Il secondo (HCO₃⁻ → H₂CO₃) è a 25,00 mL, pH 3,98. Il metilarancio segnala il secondo punto finale, più netto.
Tabella riassuntiva
| Titolazione | pH iniziale | pH di semiequivalenza | pH di equivalenza | Indicatore |
|---|---|---|---|---|
| HCl 0,1 M + NaOH | 1.00 | nessuna | 7.00 | Fenolftaleina, rosso metile, blu di bromotimolo, metilarancio |
| CH₃COOH 0,1 M + NaOH | 2.88 | 4.76 | 8.73 | Fenolftaleina |
| NH₃ 0,1 M + HCl | 11.12 | 9.25 | 5.28 | Rosso metile, metilarancio |
| H₃PO₄ 0,1 M + NaOH | 1.63 | 2,29 e 7,20 | 4,70 e 9,67 | Nessuno ideale; usa un pH-metro o un indicatore più vicino |
| Na₂CO₃ 0,05 M + HCl | 11.50 | 10,32 e 6,35 | 8,34 e 3,98 | Metilarancio per il secondo |
Intervalli di viraggio degli indicatori: metilarancio da 3,1 a 4,4 (da rosso a giallo), rosso metile da 4,4 a 6,2 (da rosso a giallo), tornasole da 4,5 a 8,3 (da rosso a blu), blu di bromotimolo da 6,0 a 7,6 (da giallo a blu), fenolftaleina da 8,2 a 10,0 (da incolore a rosa).
Errori comuni
- Supporre che ogni punto di equivalenza sia a pH 7.
- Dimenticare di sommare il volume di titolante al volume di analita prima di calcolare le concentrazioni.
- Usare Henderson-Hasselbalch a 0 mL o al punto di equivalenza, dove è presente una sola forma.
- Scegliere un indicatore perché il suo intervallo include 7, non perché cade nella parte ripida.
- Aspettarsi un salto visibile per ogni protone di un acido poliprotico.
- Considerare il punto finale e il punto di equivalenza come la stessa cosa.
Consigli per l'esame
- AP Chemistry: spesso ti chiedono di tracciare la curva e indicare il punto di semiequivalenza. Scrivi "pH = pKa perché [HA] = [A⁻]".
- A-level: impara le quattro forme di curva e i due indicatori. Fenolftaleina per acido debole con base forte; metilarancio per acido forte con base debole.
- JEE e NEET: al punto di equivalenza di un acido debole con una base forte, pH = 7 + ½(pKa + log C). Per acetato 0,05 M: 7 + ½(4,76 − 1,30) = 8,73.
- Il volume di titolante all'equivalenza dipende solo dalle moli, non dalla forza dell'acido. Il pH in quel punto dipende invece dalla forza.
Domande e risposte
Qual è il pH al punto di equivalenza della titolazione di un acido debole con una base forte?
È superiore a 7 perché la base coniugata si idrolizza. Per 25,00 mL di acido acetico 0,100 M titolati con NaOH 0,100 M il punto di equivalenza si trova a 25,00 mL e pH 8,73.
Perché il pH è uguale al pKa al punto di semiequivalenza?
Metà dell'acido debole è stata convertita nella sua base coniugata, quindi [HA] = [A−]. In pH = pKa + log([A−]/[HA]) il termine logaritmico è log 1 = 0, quindi pH = pKa.
Come scelgo un indicatore per una titolazione?
Trova il pH al punto di equivalenza e scegli un indicatore il cui viraggio cada nella parte ripida della curva attorno a esso. La fenolftaleina è adatta ad acidi deboli con basi forti, il rosso metile e il metilarancio a basi deboli con acidi forti, e la maggior parte degli indicatori funziona per acido forte con base forte.
Perché l'acido fosforico mostra solo due punti di equivalenza?
Il suo terzo pKa è 12,38. HPO4 2− è un acido così debole che il terzo stadio si confonde con il pH dell'NaOH in eccesso, quindi al terzo punto di equivalenza non c'è un salto netto.
Che cos'è la zona tampone di una curva di titolazione?
È la parte piatta in cui sia l'acido debole sia la sua base coniugata sono presenti in quantità utili, all'incirca dal 10% al 90% del percorso verso il punto di equivalenza. Lì il pH resta entro circa un'unità dal pKa.
Perché il tornasole non si usa come indicatore di titolazione?
Il suo colore cambia gradualmente su un intervallo ampio, da pH 4,5 a 8,3, quindi è difficile vedere un punto finale netto.
Qual è la differenza tra punto finale e punto di equivalenza?
Il punto di equivalenza è quello in cui le moli di titolante eguagliano le moli di analita. Il punto finale è quello in cui l'indicatore cambia colore. Un buon indicatore li fa coincidere entro una frazione di punto percentuale del volume di titolante.