Equilíbrio Ácido-Base: Conceitos de Arrhenius, Brönsted-Lowry e Lewis

Prof Suellen Cadorin Fernandes EQUILÍBRIO ÁCIDOBASE 2 O que é um Ácido e uma Base Definição de Arrhenius 1880 Ácido produz íons H em solução aquosa Base produz íons OH em água 3 Brönsted Lowry 1920 Ácido substância doadora de íons H prótons Base substância que recebe íons H pois tem pares de e não ligantes Ácido Base Base Ácido Reação de transferência de próton O que é um Ácido e uma Base 4 O que é um Ácido e uma Base Brönsted Lowry 1920 A perda de H pelo ácido gera sua base conjugada A protonação da base gera seu ácido conjugado O par conjugado difere entre si pela presença ou ausência de um próton em sua estrutura Ácido 1 Base 2 Base 1 Ácido 2 Pares conjugados ácido 1base 1 ácido 2base 2 5 Brönsted Lowry 1920 O QUE É UM ÁCIDO E UMA BASE 6 Lewis 1923 Ácido aceptor de par eletrônico Base doador de par eletrônico O que é um Ácido e uma Base Ex1 Qual é a base conjugada de cada um dos seguintes ácidos HClO4 H2S PH4 HCO3 HClO4 H2S PH4 HCO3 Ex2 Qual o ácido conjugado de cada uma das seguintes bases CN SO4 2 HCO3 CN SO4 2 HCO3 ClO4 HS PH3 CO3 2 HCN HSO4 H2CO3 8 Espécies anfipróticas As espécies que possuem ambas as propriedades ácidas e básicas são chamadas anfipróticas Um exemplo é o íon diidrogeno fosfato H2PO4 que se comporta como uma base na presença de um doador de próton como o H3O ou um receptor de próton como o OH H2PO4 H3O H3PO4 H2O Base1 ácido2 Ácido1 base2 H2PO4 OH HPO4 2 H2O Ácido1 base2 Base1 ácido2 9 Em água pura os íons H3O são originados somente da autodissociação ou autoprotólise da água Isto significa que se soubermos a concentração do íon hidroxônio também sabemos a concentração de hidróxido e viceversa A água pura a 25 ºC tem o pH 700 Portanto a concentração de H3O em água deve ser 107 mol L1 H2O H2O H3O OH AUTOPROTÓLISE OU AUTOIONIZAÇÃO H3O OH 107 mol L1 10 Medida de condutividade elétrica H3O OH 10 x 107 molL 25 ºC Kw 10 x 1014 25 ºC constante de ionização da água Kw H3O x OH 10 x 107 x 10 x 107 10 x 1014 H2O H2O H3O OH AUTOPROTÓLISE OU AUTOIONIZAÇÃO 11 Para soluções aquosas 25 ºC Solução neutra H3O OH H3O OH 10 x 107 molL Solução ácida H3O OH H3O 10 x 107 molL e OH 10 x 107 molL Solução básica H3O OH H3O 10 x 107 molL e OH 10 x 107 molL 12 pH Obs pH pOH 14 25C p significa logaritmo negativo de log Então pH log H e pOH log OH para H20 pH log 107 70 pOH log 107 70 É um artifício matemático O pH é inversamente proporcional à concentração de H Na água neutra a 25 C H OH 10 x 107 pH pOH 70 meio neutro Em soluções ácidas H 10 107 pH 70 Em soluções básicas H 10 107 pH 70 Quanto o pH mais básica é a solução 13 pH 14 Ácidos fracos 0 a 5 Ácidos moderados 5 a 50 Ácidos fortes 50 a 100 Nº de Mol Ionizados a Nº Inicial de Mols Hidrácidos Oxiácidos HxEOy 0 fraco Ex HClO 1 moderado Ex H3PO4 2 forte Ex H2SO4 HClO4 yx A força de um ácido é medida pelo seu grau de ionização em água a CLASSIFICAÇÃO DOS ÁCIDOS Fortes HCl HBr HI Moderado HF Demais são fracos 15 1 Quanto ao Número de Hidroxilas Monobases NaOH NH4OH Dibases CaOH2 MgOH2 Tribases AlOH3 FeOH3 Tetrabases PbOH4 SnOH4 2 Quanto ao Grau de Dissociação Iônica Fortes Os hidróxidos de metais alcalinos 1A e metais alcalinos terrosos 2A Fracas Nesse grupo incluemse o hidróxido de amônio NH4OH e as demais bases CLASSIFICAÇÃO DAS BASES Ex3 Qual o pH de uma solução de 0040 mol L1 de HClO4 pH log H3O pH log 0040 pH 140 Ex4 Uma solução aquosa de HNO3 tem pH de 234 Qual é a concentração do ácido R 00046 mol L1 pH log H3O 234 log H3O H3O 10 234 H3O 00046 mol L1 HClO4 H2O ClO4 H3O HNO3 H2O NO3 H3O Ex5 Qual é o pH de a uma solução de 0028 mol L1 de NaOH b uma solução de 00011 mol L1 de CaOH2 a pOH log OH pOH log 0028 pOH 155 pH pOH 14 pH 155 14 pH 14 155 pH 1245 b pOH log OH pOH log 00022 pOH 266 pH pOH 14 pH 266 14 pH 14 266 pH 1134 NaOH H2O Na OH CaOH2 H2O Ca2 2OH Usando Ka para calcular o pH EX 6 Qual o pH e o grau de ionização do ácido acético numa solução 010 mol L1 a 25ºC Dado KaCH3COOH 18 x 105 a 25ºC CH3COOH H2O CH3COO H3O 010 x x x pH log H3O pH log 134x103 pH 287 Ka CH3COO H3O CH3COOH Ka x x 010 x 18x105 x2 010 X2 18x106 X 18x105 X 134x103 mol L1 010 mol L1 100 134x103 mol L1 X X 134 Ex 7 Um estudante preparou uma solução de 010 mol L1 de ácido fórmico HCOOH e mediu seu pH usando um pHmetro Constatou que o pH é 238 Calcule Ka para o ácido fórmico HCOOH H2O HCOO H3O 010 x x x Ka HCOO H3O HCOOH Ka x x 010 x Ka 417x103 417x103 010 417x103 Ka 174x105 009583 Ka 182x104 pH log H3O 238 log H3O H3O 10 238 H3O 417x103 mol L1 20 Constante de dissociação para ácidos monoprótico 25C Ácidos Polipróticos Perda de prótons em etapas A cada etapa corresponde um valor de Ka As constantes sucessivas variam na ordem Ka1 Ka2 H2SO3aq Haq HSO3aq HSO3aq Haq SO32aq Ka1 17 x 102 Ka2 64 x 108 Quanto maior a carga negativa do ânion mais difícil é remover o próton 22 Constante de dissociação para ácidos polipróticos 25C H2SO3 23 Classificação das Bases 1 Quanto ao Número de Hidroxilas Monobases NaOH NH4OH Dibases CaOH2 MgOH2 Tribases AlOH3 FeOH3 Tetrabases PbOH4 SnOH4 2 Quanto ao Grau de Dissociação Iônica Fortes Os hidróxidos de metais alcalinos 1A e metais alcalinos terrosos 2A Fracas Nesse grupo incluemse o hidróxido de amônio NH4OH e as demais bases 24 Constantes de dissociação de bases fracas 25C Ex8 Calcule a concentração de cada espécie de soluto em uma solução 010 mol L1 de hidroxilamina NH2OH Kb 91 x 109 NH2OH H2O NH3OH OH 010 x x x Kb NH3OH OH NH2OH Kb x x 010 x 91x109 x2 010 X2 91x1010 X 91x1010 X 302x105 mol L1 OH NH3OH 302x105 mol L1 NH2OH 010 302x105 0099 mol L1 Ex 9 Os fertilizantes nitrogenados contêm sais na forma de nitratos sais de amônio e outros compostos As plantas conseguem absorver nitrogênio diretamente de nitratos presentes no solo Já no caso da amônia e de sais de amônia a absorção desse elemento só é possível graças à ação de bactérias existentes no solo A 25 C o gás amônia NH3 produz solução aquosa básica de acordo com a equação NH3g H2Oℓ NH4 aq OHaq Kb 18x105 Nessa mesma temperatura qual o valor do pH em uma solução 01 mol L1 de amônia Ex 9 NH3 H2O NH4 OH 010 x x x Kb NH4 OH NH3 Kb x x 010 x 18x105 x2 010 x2 18x106 x 18x106 x 134x103 mol L1 pOH log OH pOH log 134x103 pOH 287 pH pOH 14 pH 287 14 pH 14 287 pH 1113 Relação Entre o Ka de um Ácido e o Kb de sua Base Conjugada muitas fontes só fornecem valores de Ka porque os valores de Kb podem ser determinados a partir deles ao somar equações multiplique os Ks 2 H2Ol H3Oaq OHaq Ka Kb AH3O HA Ka Kb H3OOH Kw 29 A força de um ácido ou de uma base é comumente indicada pelo seu valor de pKa ou pKb pka logKa pkb logKb Quanto menor o pKaou pkb mais forte é o ácido ou base Ex pKa HCl 7 pKa ác acético 476 O pH é uma característica de uma solução Ele pode mudar basta adicionar um ácido ou uma base à solução O pKa e o pkb é uma característica de uma substância em um determinado solvente assim como ponto de fusão e ebulição SOLUÇÃO TAMPAO HAaq Haq Aaq Ka HA HA H Ka HA A pH pKa log A HA Equação de HendersonHasselbalch 30 SOLUÇÃO TAMPÃO O que é Um sistema que resiste a mudanças de pH quando ácidos ou bases são adicionados ou quando uma diluição ocorre 31 SOLUÇÃO TAMPÃO Do que são constituídos Podem ser constituído por uma solução moderadamente concentrada de ácido ou base forte ou por uma mistura de um ácido fraco e sua base conjugado Ex ácido acéticoacetato de sódio ou de uma base fraca e seu ácido conjugado Ex amôniacloreto de amônio No caso de soluções concentradas de ácidos ou bases fortes o tamponamento ocorre nas extremidades da escala de pH pH 3 ou pH 11 Para tamponar em valores intermediários da escala 3 pH 11 são utilizados tampões constituídos por um par ácidobase conjugado 32 SOLUÇÃO TAMPÃO Seja o tampão ácido acéticoacetato de sódio Em solução o ácido acético ácido fraco está pouco ionizado e o acetato de sódio eletrólito forte está totalmente dissociado CH3COOH H CH3COO CH3COONa Na CH3COO Ao se adicionar ácido forte à esta solução o equilíbrio iônico do ácido acético sofrerá deslocamento para a esquerda consumindo o H adicionado o que impede a variação brusca de pH 33 SOLUÇÃO TAMPÃO CH3COOH H CH3COO CH3COONa Na CH3COO Ao se adicionar base forte à esta solução o H do equilíbrio iônico do ácido acético irá consumir o OH adicionado H OH H2O Para repor o H consumido junto com o OH o equilíbrio sofrerá deslocamento para a direita o que impede a variação brusca do pH 35 Ex 10 Considere uma solução tampão formada por HAc 01 molL e NaAc 01 molL Qual o pH da solução Dado pKa 474 pH pKa log CbCa pH 474 log 0101 pH 474 36 Ex 11 Calcule a concentração do benzoato de sódio que deve estar presente em uma solução de 020 molL de ácido benzóico C7H5OOH para produzir um pH de 400 Ka 620 x 105 pH pKa log CbCa 400 420 log Cb 020 400 420 log Cb 020 020 log Cb log 020 log Cb 070 020 log Cb 020 070 log Cb 090 Cb 10 090 Cb 013 mol L1 pka log Ka pKa log 620 x 105 pKa 420 37 TAMPÕES DE ÁCIDOS POLIPRÓTICOS Não esquecer que também temos os ácidos polipróticos que funcionam como tampões ao qual são moléculas que apresentam mais de um hidrogênio ionizável capazes de doar dois ou mais prótons formando ácidos conjugados de tampões O caso mais conhecido é do ácido fosfórico H3PO4 o qual tem 3 pKas pKa1 214 pKa2 686 e pKa3 124 Assim geralmente o tampão fosfato é utilizado para manter o pH de uma solução ao redor de 7 Logo os componentes ácidobase do tampão fosfato para manter um pH de 7 por exemplo 74 poderão ser os sais ácidos NaH2PO4 ou KH2PO4 e os sais Na2HPO4 ou K2HPO4 que funcionarão como base conjugada Então nos cálculos da relação salácido necessária para manter o pH de 74 deve ser utilizado o pKa correspondente que é o pKa2 686 38 SOLUÇÃO TAMPÃO A ação da soluçãotampão tem limites A adição de quantidades excessivas de ácido ou base destruirá o efeito tampão 39 SOLUÇÃO TAMPÃO A eficiência de um dado tampão em resistir à variação de pH é maior quando a relação das concentrações de seus dois componentes é igual à unidade Sejam por exemplo três soluções tampão constituídas de diferentes misturas de ácido acético e acetato de sódio a HAc 001 molL e NaAc 00001 molL pH 274 b HAc 001 molL e NaAc 001 molL pH 474 c HAc 00001 molL e NaAc 001 molL pH 674 Após a adição de 05 mL de NaOH 001 molL a 100 mL de cada um destas soluções os valores de pH serão a pH 292 ΔpH 018 b pH 4744 ΔpH 0004 c pH 704 ΔpH 030 Desta forma vemos que a solução b é a mais eficiente 40 SOLUÇÃO TAMPÃO A eficiência depende também das concentrações efetivas dos componentes Sejam por exemplo duas soluções a HAc 01 molL e NaAc 01 molL pH 474 b HAc 0001 molL e NaAc 0001 molL pH 474 Após a adição de 05 mL de HCl 01 molL a 100 mL de cada uma destas soluções os valores de pH serão a pH 4736 ΔpH 0004 b pH 426 ΔpH 048 Desta forma vemos que a solução a tem melhor eficiência