Concentrazione: definizioni, unità di misura Titolazioni Concentrazione: definizioni, unità di misura Titolazioni e termini usati nelle titolazioni Standard primari e soluzioni standard Calcoli volumetrici

Titolazioni I metodi di titolazione sono procedimenti analitici nei quali la concentrazione incognita dell’analita viene determinata misurando la quantità di una specie standard che reagisce completamente con l’analita. Il reagente può essere una soluzione a concentrazione nota di una specie chimica, di cui si misura il volume o la massa. In questo caso si parla di titolazioni volumetriche o gravimetriche.

Titolazioni volumetriche Nella buretta è contenuta una soluzione a concentrazione nota (standard o titolante). Nella beuta è contenuto un volume esattamente noto di una soluzione a concentrazione incognita di una specie che reagisce con il titolante (analita o titolato) Si eroga con la buretta il volume di titolante necessario a reagire completamente con l’analita Dal volume di titolante necessario si risale alla concentrazione dell’analita

Quantità di sostanza La mole (mol) è l’unità SI usata per esprimere la quantità di una specie chimica. Una mole è definita come la quantità di sostanza che contiene tante unità quanti sono gli atomi di 0,012 kg 12C. Se la sostanza è una specie chimica, le unità a cui ci si riferisce sono gli atomi o le molecole.

Mole e numero di Avogadro In 1 mol di una specie chimica vi sono approssimativamente 6,022 141 99 x 1023 molecole. Il numero di molecole in 1 mol è detto numero di Avogadro. In chimica analitica, per comodità, si usa spesso un sottomultiplo della mole, la millimole (mmol) pari a 10-3 mol.

Massa molare La massa molare (M) di una sostanza è la massa (espressa in g) di 1 mol di quella sostanza. La massa molare si esprime quindi in g oppure in g/mol. Le masse molari dei composti si calcolano sommando le masse molari di tutti gli atomi che ne costituiscono la formula chimica.

Massa molare La massa molare relativa (Mr) di una sostanza è il rapporto tra la massa di 1 mol di quella sostanza e 1/12 della massa di 1 mol di 12C. La massa molare relativa è quindi un numero adimensionale (non ha unità di misura). Poiché 1/12 della massa di 1 mol di 12C è, per definizione, uguale a 1 g, la massa molare e la massa molare relativa sono numericamente uguali.

Concentrazione delle soluzioni La concentrazione molare (cx) di una soluzione della specie chimica X è il numero di moli di quella specie contenute in un litro di soluzione. L’unità di misura della concentrazione molare è la molarità (M), che ha le dimensioni di mol L-1.

Concentrazione delle soluzioni Definizioni di concentrazione percentuale

Concentrazione delle soluzioni Uso delle concentrazioni percentuali La concentrazione in % w/w è spesso usata per definire la concentrazione di reagenti commerciali, perché è indipendente dalla temperatura. Con le % v/v e w/v si specifica la preparazione di soluzioni rispettivamente per aggiunta di soluti liquidi o solidi.

Relazioni algebriche fondamentali Calcoli volumetrici Relazioni algebriche fondamentali

Titolazioni – Glossario Soluzione (o titolante) standard: reagente a concentrazione nota usato in un’analisi di titolazione. Standard primario: composto ad alto grado di purezza che serve a preparare soluzioni standard per titolazioni volumetriche. Titolazione: processo in cui un reagente standard viene aggiunto ad una soluzione di un analita fino a che la reazione tra analita e reagente non viene giudicata completa.

Titolazioni – Glossario Punto di equivalenza (o punto equivalente): è il punto di una titolazione in cui la quantità di reagente standard aggiunta è esattamente uguale alla quantità di analita. Punto finale: è il punto di una titolazione in cui si verifica un cambiamento fisico che permette all’operatore (o a un sistema automatizzato) di giudicare completa la titolazione. Errore di titolazione: è la differenza (espressa, a seconda dei casi, in volume, massa o quantità di carica) tra punto di equivalenza e punto finale. Indicatore: sostanza aggiunta alla soluzione del campione, in grado di produrre in corrispondenza del punto di equivalenza un cambiamento fisico osservabile della soluzione.

Titolazioni Punto di equivalenza Al punto di equivalenza, la quantità di titolante aggiunto è chimicamente equivalente alla quantità di analita, in base alla stechiometria della reazione. Es: Ca(OH)2 + 2HCl  CaCl2 + 2H2O Titolato Titolante Prodotti In questo caso, al punto di equivalenza, sono state aggiunte 2 mol di HCl per ogni mol di Ca(OH)2 che erano contenute nel campione iniziale. hA : hT = 1 : 2 = rapporto stechiometrico

Punto finale Titolazioni Il punto finale è il punto che l’operatore giudica come la migliore approssimazione possibile del punto equivalente. Al punto equivalente si ha una netta variazione della concentrazione relativa di titolante e titolato. Si aggiunge alla soluzione un indicatore, cioè una sostanza che evidenzia questa variazione con una variazione di una proprietà osservabile. La variazione di una proprietà osservabile della soluzione (es. colore) permette di determinare il punto finale.

Espressione dell’equivalenza chimica Calcoli volumetrici Espressione dell’equivalenza chimica Espressioni alternative Sono utili quando non si conoscono concentrazione e volume del titolante, oppure il volume del titolato (ad es. quando sono aggiunti in forma solida), e quindi è necessario ragionare in termini di moli e non di concentrazioni

Soluzione di un problema di titolazione Calcoli volumetrici Soluzione di un problema di titolazione Individuare titolante e titolato Scrivere la reazione titolante/titolato e bilanciarla Convertire opportunamente le unità di misura dei dati del problema (concentrazioni in molarità e quantità in numero di moli) Applicare l’espressione di equivalenza chimica nella forma opportuna, considerando i coefficienti stechiometrici Esprimere i risultati nella forma richiesta dal problema

Titolazioni Standard primari Gli standard primari servono come materiali di riferimento nei metodi di titolazione, e ne determinano l’accuratezza. I loro principali requisiti sono: Elevata purezza. Stabilità agli agenti atmosferici. Assenza di acqua di idratazione. Costo modesto. Sufficiente solubilità nel mezzo di titolazione. Massa molare sufficientemente grande.

Soluzioni standard Una soluzione standard per titolazioni dovrebbe: Essere sufficientemente stabile Reagire rapidamente con l’analita Reagire completamente con l’analita Essere coinvolto con l’analita in una reazione selettiva e descritta da una equazione stechiometrica semplice.

Titolazioni Soluzioni standard Per stabilire la concentrazione di una soluzione standard si possono utilizzare due metodi: metodo diretto: una quantità pesata di standard primario è disciolto in un solvente fino ad un volume noto. standardizzazione: la concentrazione della soluzione viene determinata mediante titolazione con una massa o un volume esatto di standard primario.

Secondo la definizione di Brønsted e Lowry: Acidi e basi Secondo la definizione di Brønsted e Lowry: un acido è un donatore di protoni. una base è un accettore di protoni. Affinché una molecola si comporti come acido, deve incontrare un accettore di protoni (o base) e, viceversa, affinché una molecola si comporti come base deve incontrare un donatore di protoni (o acido).

Acidi e basi secondo Brønsted e Lowry Acidi e basi coniugate Secondo la teoria di Brønsted e Lowry, l’entità prodotta quando un acido dona un protone è un potenziale accettore di protoni, detto base coniugata. Analogamente, quando una base accetta un protone dà origine ad un acido coniugato. acido1 base1 + protone base2 + protone acido2 acidox e basex costituiscono una coppia coniugata.

acido1 + base2 base1 + acido2 Reazioni acido/base Quando i processi di dissociazione acida e basica si combinano, ne risulta una reazione acido/base, detta anche neutralizzazione: acido1 + base2 base1 + acido2 Esempi: NH3 + H2O NH4+ + OH- HNO2 + H2O NO2- + H3O+

Reazioni acido/base Lo ione H3O+ è lo ione idronio, che è la specie che per convenzione si forma in soluzione acquosa dalla reazione di un protone con una molecola d’acqua. In chimica analitica, quando si scrivono le reazioni chimiche che coinvolgono il protone, lo ione idronio viene spesso scritto nella forma semplificata H+.

Equilibrio chimico Le reazioni in soluzione acquosa non danno mai come risultato la trasformazione completa dei reagenti in prodotti, ma procedono fino allo stato di equilibrio chimico. All’equilibrio chimico il rapporto delle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti rimane costante. Lo stato di equilibrio di un sistema dipende solo dalla sua composizione (analitica), dalla temperatura e dalla pressione (se uno dei prodotti o dei reagenti è un gas). Lo stato di equilibrio è indipendente dal modo in cui questo viene raggiunto.

Costanti di equilibrio Equilibrio chimico Costanti di equilibrio Il valore costante del rapporto tra concentrazione dei prodotti e dei reagenti all’equilibrio chimico è espresso dalle costanti di equilibrio. Le espressioni della costante di equilibrio sono equazioni algebriche che esprimono la relazione tra concentrazioni di reagenti e prodotti all’equilibrio chimico.

Costanti di equilibrio Espressione della costante di equilibrio wW + xX yY + zZ La costante di equilibrio è uguale al rapporto tra le concentrazioni molari di equilibrio dei prodotti, elevate ai rispettivi coefficienti stechiometrici, e le concentrazioni dei reagenti, elevate ai rispettivi coefficienti stechiometrici. Per convenzione le concentrazioni dei prodotti vanno al numeratore, quelle dei reagenti al denominatore.

Costanti di equilibrio Prodotto ionico dell’acqua Il prodotto ionico dell’acqua è la costante di equilibrio della reazione di dissociazione (autoprotolisi) dell’acqua. H2O + H2O H3O+ + OH- (il valore numerico della Kw si riferisce alla temperatura di 25°C)

Costanti di equilibrio Costanti di dissociazione acida e basica HnA + nH2O An- + nH3O+ B + nH2O BHnn+ + nOH-

Titolazioni di neutralizzazione In una titolazione di neutralizzazione (o acido-base), la reazione chimica tra titolante e titolato è una reazione fra un acido e una base. Le soluzioni standard impiegate nelle titolazioni di neutralizzazione sono acidi forti o basi forti, perché queste sostanze reagiscono completamente con l’analita Il punto finale di una titolazione acido-base è evidenziato da un indicatore acido-base, o strumentalmente mediante misurazioni di pH.

Titolazioni di neutralizzazione Soluzioni standard di acidi o basi forti Reagendo completamente con l’analita, rispetto ad acidi o basi deboli, queste soluzioni danno origine a punti finali meglio definiti. Le soluzioni standard acide più utilizzate sono soluzioni diluite di HCl, HClO4 e H2SO4. Per le soluzioni standard basiche si utilizzano NaOH, KOH e a volte Ba(OH)2..

Titolazioni di neutralizzazione Indicatori acido/base Un indicatore acido/base è una sostanza le cui soluzioni assumono colorazioni diverse a seconda del pH. Gli indicatori acido/base devono avere le seguenti proprietà: essere acidi o basi organiche deboli la forma indissociata deve essere di colore diverso dalla relativa specie coniugata. HIn + H2O In- + H3O+ Colore dell’acido Colore della base A pH acido prevale il colore della forma acida, a pH alcalino prevale il colore della forma basica. Il pH a cui avviene il cambiamento di colore (viraggio) dipende dalla Ka dell’indicatore: pHviraggio = pKa

Titolazioni di neutralizzazione Indicatori acido/base Poiché l’occhio umano è sensibile alle differenze di colore solo quando il rapporto [In-]/[Hin] è >10 o minore di 0.1, la variazione di colore è percepibile nell’intervallo di pH = pKa ± 1 Le stesse considerazioni valgono per un indicatore basico. Metilarancio Fenolftaleina

Titolazioni di neutralizzazione Curva di titolazione pH = 7 viraggio del metilarancio La curva di titolazione per una titolazione volumetrica acido/base è un grafico che riporta il pH della soluzione in funzione del volume di titolante aggiunto.

Titolazioni acido/base Curve di titolazione per acidi e basi deboli 1. Al punto di equivalenza, la soluzione contiene solo la specie coniugata del titolato (il sale formato dal titolante e dal titolato). Il pH si calcola in base alla concentrazione di questa specie. 2. A causa della debolezza dell’acido, il salto di pH al punto finale è meno pronunciato (e metilarancio)

Equazione per la diluizione di soluzioni Calcoli volumetrici Equazione per la diluizione di soluzioni Questa equazione è formalmente simile all’equazione che esprime l’equivalenza chimica (se nanalita = ntitolante = 1), perché entrambe esprimono un’uguaglianza fra numeri di moli. Le moli di analita nella soluzione concentrata sono uguali alle moli nella soluzione diluita

Determinazione del punto finale Titolazioni Determinazione del punto finale Le variazioni osservabili della soluzione possono essere sia rilevate direttamente dall’operatore (comparsa o variazione di colore, comparsa di torbidità), oppure rivelate strumentalmente. Fra gli strumenti utilizzati per determinare il punto finale si hanno i colorimetri, i turbidimetri, i termometri, gli amperometri, i voltmetri, i conduttimetri.