Titolazione acido forte-base forte: pH e punto equivalente

La titolazione di un acido forte con una base forte (o viceversa) è il caso più semplice e il punto di partenza di tutta l’analisi volumetrica: si aggiunge titolante a volume noto e concentrazione nota finché la reazione di neutralizzazione è completa. Capire come varia il pH lungo l’aggiunta — e perché al punto equivalente vale esattamente 7 — permette di scegliere bene l’indicatore e di calcolare la concentrazione incognita con precisione.

Vediamo la reazione di neutralizzazione, il calcolo del pH nei quattro tratti della titolazione, perché il punto equivalente cade a pH 7 e come si ricava la concentrazione cercata.

La reazione di neutralizzazione

Un acido forte come HCl è completamente dissociato in acqua, e così una base forte come NaOH. Quando si incontrano, l’unica reazione che conta è quella tra ione idronio e ione ossidrile: H₃O⁺ + OH⁻ ⇌ 2 H₂O. La sua costante è enorme (circa 10¹⁴), quindi la neutralizzazione è praticamente completa e immediata. Il sale che si forma (NaCl) deriva da acido forte e base forte: i suoi ioni non idrolizzano, e per questo non alterano il pH.

c_aV_a = c_bV_b

Questa è la condizione di equivalenza: le moli di acido eguagliano le moli di base. È la relazione che si usa per ricavare la concentrazione incognita una volta letto il volume di titolante al punto equivalente.

Come varia il pH: i quattro tratti

Lungo la titolazione di un acido forte con base forte il pH si calcola con un semplice bilancio di moli, distinguendo quattro regioni. Prima di ogni aggiunta il pH dipende solo dall’acido forte di partenza:

pH iniziale = −log c_a

Prima dell’equivalenza resta acido in eccesso: il pH si calcola dalle moli di H₃O⁺ non ancora neutralizzate, divise per il volume totale (campione più titolante aggiunto). Al punto equivalente acido e base si sono esattamente consumati: rimane solo NaCl in acqua, e il pH è quello dell’acqua pura.

al punto equivalente: pH = 7,00 (a 25 °C)

Dopo l’equivalenza c’è base forte in eccesso: il pH si calcola dalle moli di OH⁻ in eccesso (pOH, poi pH = 14 − pOH). Il salto attorno all’equivalenza è molto ripido: poche gocce di titolante fanno passare il pH da circa 4 a circa 10.

Perché al punto equivalente il pH è 7

Al punto equivalente la soluzione contiene solo il sale NaCl e acqua. Lo ione Na⁺ è l’acido coniugato di una base forte, Cl⁻ è la base coniugata di un acido forte: entrambi sono coniugati così deboli da non reagire con l’acqua. Nessuna idrolisi, quindi, e il pH resta quello dell’acqua neutra: 7,00 a 25 °C. È questa la firma del caso forte-forte e la differenza chiave rispetto alla titolazione di un acido debole, dove invece il sale idrolizza e l’equivalenza cade in ambiente basico.

Calcolare la concentrazione incognita

Lo scopo pratico della titolazione è determinare una concentrazione sconosciuta. Si legge il volume di titolante al punto equivalente e si applica la condizione di equivalenza. Se titoliamo 25,00 mL di HCl a concentrazione incognita e servono 20,00 mL di NaOH 0,1000 M, allora le moli di base sono 0,02000 L × 0,1000 mol/L = 2,000×10⁻³ mol; uguali alle moli di acido. La concentrazione dell’acido è quindi 2,000×10⁻³ mol / 0,02500 L = 0,08000 M. La precisione del risultato dipende dalla precisione con cui si individua il punto equivalente.

Il pH lungo la titolazione: un esempio numerico

Titolando 25,00 mL di HCl 0,1000 M con NaOH 0,1000 M (equivalenza a 25,00 mL), il pH evolve così:

Si nota il salto: tra 24,90 e 25,10 mL (appena 0,20 mL, circa quattro gocce) il pH passa da 3,70 a 10,30. È in questo intervallo strettissimo che deve cadere il viraggio dell’indicatore.

Domande frequenti

Perché il punto equivalente di una titolazione acido forte-base forte è a pH 7?

Perché all’equivalenza in soluzione resta solo il sale (per esempio NaCl) in acqua. Gli ioni di questo sale derivano da un acido forte e da una base forte: sono coniugati troppo deboli per reagire con l’acqua, quindi non c’è idrolisi. La soluzione è semplicemente acqua neutra, con pH 7,00 a 25 °C.

Come si calcola il pH prima del punto equivalente?

Si calcolano le moli di acido forte iniziali, si sottraggono le moli di base aggiunta (che neutralizzano), e si divide l’acido residuo per il volume totale della soluzione (campione più titolante). Il pH è il logaritmo negativo di questa concentrazione di H₃O⁺ in eccesso. Dopo l’equivalenza si fa lo stesso ragionamento con l’OH⁻ in eccesso.

Perché il salto di pH all’equivalenza è così ripido?

Perché vicino all’equivalenza resta pochissimo acido (o base) non neutralizzato: ogni piccola aggiunta di titolante ne consuma una frazione enorme, e la concentrazione di ioni cambia di ordini di grandezza in pochi microlitri. Il logaritmo amplifica queste variazioni, producendo un salto quasi verticale di diverse unità di pH.

Come ricavo la concentrazione incognita dalla titolazione?

Si legge il volume di titolante al punto equivalente e si applica c_aV_a = c_bV_b (per una reazione 1:1). Note la concentrazione e il volume del titolante e il volume di campione, si ricava la concentrazione cercata. È il calcolo centrale dell’analisi volumetrica.

Quale indicatore si usa per un acido forte con base forte?

Quasi tutti vanno bene, perché il salto di pH all’equivalenza è molto ampio (circa da 4 a 10). Si usano comunemente fenolftaleina (vira intorno a pH 8–10) o rosso metile/blu di bromotimolo. L’importante è che l’intervallo di viraggio dell’indicatore cada dentro il salto verticale della curva.