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TEORIAS ÁCIDO-BASE Exportado em: 11/11/2021 SLIDES DO CAPÍTULOSLIDES DO CAPÍTULO Algumas frutas, como a laranja e o limão, apresentam caráter ácido. Shutterstock No universo da Química Inorgânica, existe um variado grupo de compostos químicos com características e propriedades diferentes que assumem papel importante no cotidiano: as funções inorgânicas (ácidos, bases, sais e óxidos). Cada uma delas tem estruturas, classificações e reações químicas próprias que as tornam indispensáveis para a Ácidos e bases na história da humanidadeÁcidos e bases na história da humanidade 1 sociedade moderna. Ácidos e bases já eram conhecidos na Antiguidade. A própria palavra ácido (do latim acidus, que significa ácido, azedo) já indica uma classificação dessas substâncias por uma propriedade organoléptica, ou seja, que atua sobre um dos sentidos humanos, no caso, o paladar. Há referências ao vinagre, que contém ácido acético, desde anos antes de Cristo. O termo alcalino (de al-qali, que significa cinzas de plantas) foi criado pelos árabes ao descobrirem que, nas cinzas, eram encontradas substâncias que hoje são conhecidas como bases. Os egípcios já utilizavam soda cáustica, uma base, na fabricação de primitivos tipos de sabão. Naquela época, nada se sabia da estrutura íntima da matéria, mas observava-se que as substâncias poderiam ser agrupadas segundo o aspecto comportamental. No século XVII, o químico irlandês Robert Boyle avançou consideravelmente na categorização das substâncias, classificando como ácidos as substâncias que mudavam para vermelho o xarope azul de flores de violetas e como bases as substâncias que causavam a transformação de vermelho para verde. Como Boyle, muitos colaboraram para a classificação das substâncias químicas, mas o marco inicial da classificação moderna foi estabelecido por Arrhenius. Svante August Arrhenius físico e químico sueco, foi o primeiro cientista a fazer com sucesso uma classificação das substâncias químicas, tendo como base a estrutura íntima da matéria. A rejeição inicial às suas ideias traduz o quanto elas eram revolucionárias. Naquela época, conheciam-se soluções aquosas de substâncias que conduziam eletricidade – as soluções eletrolíticas. Arrhenius explicou a condutividade elétrica dessas soluções admitindo que algumas substâncias, quando dissolvidas em água, dividiam-se em pequenas partículas carregadas eletricamente. Essas partículas seriam as responsáveis pela condução da corrente. Teoria de ArrheniusTeoria de Arrhenius 2 � � � Importante Solução eletrolítica – Solução que conduz eletricidade. Exemplo: solução aquosa de cloreto de sódio. Eletrólito – Substância que, dissolvida em água, dá origem a uma solução eletrolítica. Exemplo: cloreto de sódio. Solução não eletrolítica – Solução que não conduz corrente elétrica. Exemplo: solução aquosa de sacarose. Solução aquosa de NaCl – Solução eletrolítica./Solução aquosa de sacarose (açúcar) – Solução não eletrolítica. Arrhenius admitia que os eletrólitos, dissolvidos em água, sofriam dissociação e que eram os íons, na verdade, que conduziam a corrente elétrica. Ele não parou nessa afirmação. Classificou como ácidos as substâncias que, dissolvidas em água, liberam, como íon positivo, apenas o e como base as que, dissolvidas em água, liberam, como íon negativo, apenas o Veja a seguir. O é um composto molecular, ou seja, é formado por moléculas, que, por sua vez, são formadas por átomos. Quando colocado em água, os átomos de suas moléculas são 3 � � transformados em íons. O fenômeno é denominado ionização, pois há formação de íons. O é um composto iônico; logo, não há molécula de mas aglomerados iônicos Quando dissolvido em água, os íons – já existentes – separam-se. O fenômeno é denominado dissociação iônica, pois se trata apenas de separação de íons. Atualmente, é comum tratar os dois fenômenos por dissociação iônica, afinal, nos dois casos, os íons acabam separados. Arrhenius não fez essa distinção. Ele viveu em uma época em que ainda não eram conhecidas as ligações iônicas e covalentes. Importava-lhe apenas saber se a solução conduzia ou não a corrente elétrica. Se fosse condutora, admitia que as partículas, dissolvidas em água, tinham cargas elétricas e que a solução era eletrolítica. É por isso que a sua teoria até hoje é conhecida como Teoria da Dissociação Eletrolítica. Conceitos de Arrhenius para ácidos e bases: Ácido – Substância que, dissolvida em água, sofre ionização, produzindo como íon positivo apenas o Base – Substância que, dissolvida em água, sofre dissociação iônica, produzindo como íon negativo apenas o Importante A representação gráfica de um fenômeno químico deve ser a mais completa possível. Assim, a equação química deve indicar as fases de agregação das substâncias. Exemplos: : o indica que a substância encontra-se na fase gasosa. : o indica que está dissolvido em água. As fases sólida e líquida são indicadas, respectivamente, pelos símbolos e Dessa forma, por exemplo, a dissociação iônica do é melhor representada pela equação: 4 A neutralização segundo Arrhenius Arrhenius, além de conceituar ácidos e bases, explicou a anulação das propriedades de um ácido por uma base ou vice-versa. A neutralização ácido-base, segundo ele, deve-se à reação entre o proveniente do ácido, e o oriundo da base. Atualmente, os conhecimentos de ligações químicas permitem atualizar o conceito de ácido de Arrhenius. Sabe-se que o liberado pelo ácido, em solução aquosa, liga-se à molécula de água para formar o (íon hidrônio, hidroxônio ou oxidrônio). Assim, uma equação mais adequada aos dias atuais é: O isótopo do hidrogênio de maior ocorrência no universo é o prótio, que é constituído por próton e por elétron. Quando o sofre a ionização, o elétron do prótio fica com o cloro, logo a entidade corresponde a próton, daí o nome próton Para que o adquira estabilidade, é necessário que ele receba elétrons e fique semelhante ao (gás nobre). A água pode compartilhar um dos seus pares de elétrons não ligantes com o estabilizando-o. Restrições dos conceitos de Arrhenius Para conceituar os ácidos e as bases, Arrhenius sempre citou a água como solvente universal (a substância que dissolve). Dessa forma, há duas restrições: a primeira é que há necessidade de um solvente; a segunda é que tal solvente tem de ser a água. Atualização dos conceitos de ArrheniusAtualização dos conceitos de Arrhenius 5 Saiba mais Quando são estudadas as propriedades dos ácidos e das bases de Arrhenius, deve-se atentar às propriedades de suas soluções aquosas. Assim, quando se fala que o excesso de ácido clorídrico no estômago pode causar úlceras, não há referência ao mas ao Para efeito de simplificação, pode-se dizer que a fórmula do ácido clorídrico é o que não é errado, contudo deve-se entender que, rigorosamente falando, pode-se representar esse ácido da seguinte forma: A seta dupla indica que a reação ocorre nos dois sentidos, ou seja, é reversível. Como visto, os conceitos de ácidos e bases de Arrhenius são restritos pelo solvente água. Com o passar dos anos, novas concepções foram elaboradas. Primeiro, surgiu a que aceitava qualquer tipo de solvente (Brönsted-Lowry) e, depois, de forma ainda mais ampla, a que admitia a não necessidade de solvente (Lewis). É importante ressaltar que uma classificação não pode contradizer a outra. O que existem são classificações mais abrangentes. Assim, um ácido de Arrhenius deve ser também ácido de Brönsted-Lowry e ácido de Lewis. Ácidos e bases de Lewis não são, necessariamente, ácidos e bases de Arrhenius e de Brönsted-Lowry, haja vista que o conceito de Lewis é mais amplo. A teoria protônica ácido-base foi apresentada em simultaneamente, pelo químico dinamarquês Johannes Nicolaus Brönsted e pelo químico inglês Thomas Martin Lowry Em homenagem a esses cientistas, a teoria protônica foi denominada Teoria de Brönsted- Lowry. Observea equação: Ácidos e bases de Brönsted-LowryÁcidos e bases de Brönsted-Lowry 6 � � O doa próton para a água. O próton com a água, forma a espécie Porém, como a reação é reversível (indicada pela seta dupla), o doa próton para o regenerando o Foi com base em observações como essa que Brönsted e Lowry conceituaram ácidos e bases. Os conceitos de Brönsted-Lowry para ácidos e bases são: Ácido – Entidade química doadora de prótons Base – Entidade química receptora de prótons Observe que esse conceito é mais abrangente que o de Arrhenius, pois não impõe como único solvente a água. Nessa nova forma de conceituar ácido e base, a água deixa de ser apenas o meio no qual ocorre a ionização ou a dissociação iônica e passa a ser, dependendo de seu comportamento, ácido ou base. Veja as equações: 7 • • • • Atente para o fato de que, na primeira equação, a água é uma base de Brönsted-Lowry, mas, na segunda equação, é um ácido. Substâncias que apresentam esse comportamento são denominadas anfipróticas (amphi = duplo) ou anfóteras, pois têm dois comportamentos em relação ao próton Importante Espécies anfipróticas ou anfóteras são espécies químicas que podem doar ou receber prótons São exemplos de espécies anfóteras a água e ânions hidrogenados exceto que é sempre base de Brönsted-Lowry. Um ácido e uma base conjugados são aqueles que se diferenciam por apenas próton Exemplos: ácido conjugado da base base conjugada do ácido ácido conjugado da base base conjugada do ácido Ácidos e bases conjugadosÁcidos e bases conjugados 8 Força relativa dos ácidos e das bases conjugados Um ácido de Brönsted-Lowry é tanto mais forte quanto maior for a sua tendência de liberar Quanto maior for a tendência de uma base receber mais forte ela será. Sempre que uma reação ocorrer facilmente no sentido direto (da esquerda para a direita), ela ocorrerá com dificuldade no sentido inverso (da direita para a esquerda). Se ocorrer com dificuldade no primeiro sentido, ela ocorrerá com facilidade no segundo. Em relação a ácidos e bases conjugados, pode-se afirmar que, quanto mais forte for o ácido, mais fraca será a sua base conjugada e, quanto mais fraco for o ácido, mais forte será a sua base conjugada. Exemplo: Observe que no primeiro membro da equação as duas entidades são fortes, enquanto no segundo membro as outras duas entidades são fracas. A tendência da reação é ocorrer da esquerda para a direita, ou seja, no sentido direto (veja o tamanho das setas). Quando a constante de equilíbrio for estudada em Físico-Química, poderá ser dispensada a diferença entre os tamanhos dessas setas. Exemplo: Agora, a tendência da reação é ocorrer da direita para a esquerda. Veja que no segundo 9 membro da equação encontram-se as entidades fortes, enquanto no primeiro membro encontram-se as fracas. Quanto mais fraca for uma entidade química, mais estável ela será. Como os sistemas tendem, espontaneamente, à estabilidade, a tendência da reação é ocorrer no sentido em que sejam obtidas as entidades mais estáveis. No exemplo a seguir, o está dissolvido no Veja que o receptor de próton é uma base de Brönsted-Lowry. Contudo, quando dissolvido em água, o passa a ser um ácido de Brönsted-Lowry, atestando, assim, a maior abrangência desse conceito. Restrições dos conceitos de Brönsted-Lowry Embora mais abrangente do que os conceitos de Arrhenius, os ácidos e as bases de Brönsted-Lowry são limitados à existência de solventes. Além disso, o caráter ácido ou básico da substância dependerá do solvente no qual ela estiver dissolvida. Essas restrições não existem para os conceitos de Lewis. Questão 01 As diversas substâncias conhecidas na atualidade possuem várias propriedades que podem ser divididas em três grupos, a saber: gerais, especif́icas e funcionais. Na tentativa de classificar os diferentes materiais existentes nas funções ácidos e bases, várias teorias foram sendo propostas, como a de Arrhenius, a de Brönsted-Lowry e a de Lewis. Para as equações e a seguir, analise as proposições dadas. I. Ambas sa ̃o de oxirreduc ̧a ̃o, e na equac ̧a ̃o e ́ base de Arrhenius. II. Somente na equac ̧a ̃o ha ́ a ́cido de Arrhenius. III. Constituem pares conjugados: na equac ̧a ̃o e na equação Pratique: Pratique: ácidos e bases de Brönsted-Lowryácidos e bases de Brönsted-Lowry 10 A B C D E IV. O i ́on e ́ base de Bro ̈nsted-Lowry na equac ̧a ̃o V. Na equac ̧a ̃o o equili ́brio esta ́ deslocado para a esquerda, enquanto na equac ̧a ̃o encontra-se deslocado para a direita. Dados: e São corretas: somente I, II e III. somente II, III e IV. somente III, IV e V. somente II, IV e V. todas. Solução: Após analisar as proposições dadas, conclui-se que: I. (F) Na equação não há base de Arrhenius, e, como não há variação do Nox, não há reação de redox. II. (V) 11 A B C D E III. (F) Pares conjugados: Da equac ̧a ̃o e Da equac ̧a ̃o e IV. (V) O i ́on e ́ base de Bro ̈nsted-Lowry na equac ̧a ̃o V. (V) Na equac ̧a ̃o a constante do i ́on e ́ maior que a constante para logo, o i ́on hidro ̂nio apresenta maior tende ̂ncia em doar i ́on e a equac ̧a ̃o encontra-se deslocada para a esquerda. Ja ́ a equac ̧a ̃o apresenta-se deslocada para a direita, uma vez que a constante para e ́ maior que a constante para Resposta: D Questão 02 Observe as equações a seguir e selecione aquelas nas quais a água comporta-se como um ácido de Brönsted-Lowry. I. II. III. IV. I e II. II e III. III e IV. II e IV. I e III. Solução: 12 A B C D E Resposta: B Questão 03 Observe as equações. I. II. III. De acordo com Brönsted-Lowry, os compostos destacados são, respectivamente, base, ácido, ácido. base, base, a ́cido. a ́cido, a ́cido, base. a ́cido, base, a ́cido. base, a ́cido, base. Solução: 13 A B C D Observando as reações, tem-se: Resposta: D Questão 04 A amo ̂nia e ́ um ga ́s incolor e de cheiro irritante, que, quando borbulhado em a ́gua, origina uma soluc ̧a ̃o denominada amoni ́aco, utilizada na fabricac ̧a ̃o de produtos de limpeza dome ́stica. Quando dissolvida em a ́gua, a amo ̂nia sofre ionizac ̧a ̃o, que pode ser representada por: No equili ́brio anterior, as espe ́cies que se comportam como a ́cidos de Bro ̈nsted-Lowry sa ̃o: Solução: Um ácido de Brönsted-Lowry é uma espécie quiḿica capaz de doar um próton 14 C D A B E Questão 05 Assinale a alternativa que indica a espécie quiḿica que, ao reagir com a água, pode funcionar como ácido de Brönsted-Lowry. Solução: Apo ́s a análise das opc ̧o ̃es, conclui-se que: 15 B A Resposta: C Questão 06 Na reac ̧a ̃o entre um hidreto meta ́lico e uma amo ̂nia li ́quida, representada pela equac ̧a ̃o a seguir sa ̃o bases de Bro ̈nsted-Lowry: 16 D C E A B C D E Solução: Após análise da equação, conclui-se que são bases de Brönsted-Lowry. Resposta: D Questão 07 No equili ́brio seguinte, de acordo com o conceito a ́cido-base de Bro ̈nsted-Lowry, e ́ possi ́vel afirmar que atua como base. atua como base. atua como base. atua como a ́cido. atua como a ́cido. Solução: Após analisar a equação, pode-se concluir que: 17 A B C D E a) (F) atua como a ́cido conjugado da base b) (V) c) (F) atua como a ́cido. d) (F) atua como base conjugada do a ́cido e) (F) atua como base. Resposta: B Questão 08 Sabe-se que, em água, alguns ácidos são melhores doadores de prótons que outros e que algumas bases são melhores receptoras de prótons que outras. Segundo os conceitos de Brönsted-Lowry, por exemplo, o é um bom doador de prótons e considerado um ácido forte. Ainda de acordo com a Teoria de Brönsted-Lowry, pode-se afirmar que quanto mais forte a base, mais forte e ́ seu a ́cido conjugado. quanto mais forte o a ́cido, mais fraca e ́ sua base conjugada. quanto mais fraco o a ́cido, maisfraca e ́ sua base conjugada. quanto mais forte a base, mais fraca e ́ sua base conjugada. quanto mais forte o a ́cido, mais fraco e ́ seu a ́cido conjugado. Solução: Segundo a Teoria de Brönsted-Lowry, quanto mais forte for um ácido, mais fraca será sua base conjugada e vice-versa. Resposta: B Questão 09 Dadas as seguintes equações, indique os ácidos e as bases de Brönsted-Lowry e os pares conjugados. I. II. Solução: 18 A B C D E Os pares conjugados são: Questão 10 Para a reação que espécies podem ser consideradas bases, segundo o conceito de Brönsted-Lowry? Apenas Apenas e e e Solução: 19 � � e podem ser consideradas bases segundo Brönsted-Lowry. Resposta: D Questão 11 Escreva a equação da reação que ocorre quando se dissolve cianeto de hidrogênio em água. Indique quais espécies quiḿicas são ácidos de Brönsted-Lowry e quais são bases de Brönsted-Lowry. Solução: Sendo a equação da reação: tem-se: como ácidos de Brönsted-Lowry como bases de Brönsted-Lowry. Gilbert Newton Lewis químico estadunidense, publicou seus conceitos de ácidos e bases em Segundo Lewis, não são necessários solventes para classificar as substâncias quanto à acidez ou à basicidade. Ele tomou como referência o fato de a entidade química “doar” ou “receber” um par de elétrons. As palavras doar e receber estão entre aspas, pois a ligação química envolvida considerada por Lewis é a ligação covalente coordenada (ou dativa), ou seja, ligação em que não há transferência de elétrons, mas sim compartilhamento. Os conceitos de Lewis para ácidos e bases: Ácido – Entidade química “receptora” de par de elétrons em ligação coordenada. Base – Entidade química “doadora” de par de elétrons em ligação coordenada. Veja a equação: Embora o meio não seja aquoso (restrição imposta por Arrhenius) e não ocorra Ácidos e bases de LewisÁcidos e bases de Lewis 20 transferência de prótons (exigência de Brönsted-Lowry), e são, respectivamente, base e ácido de Lewis. Há uma “doação” de par de elétrons do para o : Parece inexplicável o fato de o ser ácido de Lewis, pois a molécula de cloreto de hidrogênio não tende a “receber” um par de elétrons. É fato que o não “recebe” o par de elétrons, mas o que ele libera o faz. Portanto, o é um ácido de Lewis e, por extensão, o também o é. Outra dificuldade consiste em explicar como o que não “doa” par de elétrons, é base de Lewis. Contudo, tal dificuldade desaparece quando se sabe que o proveniente do faz a “doação” do citado par. Explicação da neutralização de um ácido de Arrhenius por uma base de Arrhenius pela visão de Lewis: Os ácidos de Brönsted-Lowry são doadores de Essas entidades “recebem” par de elétrons e conferem a esses ácidos o título de ácidos de Lewis. Já as bases de Brönsted- Lowry, “receptoras” de prótons “cedem” par de elétrons, sendo, assim, bases de Lewis. Dessa forma, pode-se chegar à conclusão de que os conceitos de Lewis não excluem os conceitos de Arrhenius nem os conceitos de Brönsted-Lowry. 21 Saiba mais O conceito de ácido mais abrangente é o de Lewis, e o mais restrito é o de Arrhenius. Para além desses, existem outros conceitos para ácidos e bases, como os de Cady-Elsey, os de Lux-Flood e os de Usanovich. O diagrama a seguir mostra que todos os ácidos e as bases de Arrhenius também pertencem a Brönsted-Lowry e a Lewis. Os ácidos e as bases de Brönsted-Lowry obrigatoriamente pertencem a Lewis, mas não pertencem, necessariamente, a Arrhenius. As entidades de Lewis podem ou não pertencer a Brönsted- Lowry ou a Arrhenius. Questão 01 Associe as espécies destacadas da 1ª coluna com os conceitos enunciados na 2ª coluna. Coluna 1 (1) (2) Abrangência dos conceitos de ácidos e basesAbrangência dos conceitos de ácidos e bases Pratique: Pratique: ácidos e bases de Lewisácidos e bases de Lewis 22 A B C D E (3) (4) Coluna 2 (A) Base de Arrhenius (B) A ́cido de Arrhenius (C) Base de Bro ̈nsted-Lowry (D) A ́cido de Bro ̈nsted-Lowry (E) Base de Lewis (F) A ́cido de Lewis Assinale a opção que apresenta apenas associações corretas. Solução: 1. (Base de Lewis) 2. (Ácido de Arrhenius) 23 A 3. (Ácido de Lewis) 4. (Base de Brönsted-Lowry) Resposta: E Questão 02 O enxofre reage com o sulfito de sódio em solução aquosa, a quente: Em que conceito essa equação é uma reação ácido-base? Por quê? Que espécie atua como ácido? Por quê? Solução: A equação representa uma reação ácido-base segundo o conceito de Lewis, o qual postula que a espécie quiḿica que recebe o par de elétrons é ácido, e a espécie quiḿica que doa o par eletrônico é base. Na equação dada, o ácido é o átomo de enxofre porque é a espécie quiḿica que recebe o par de elétrons do ión sulfito, que atua como base de Lewis. Questão 03 Analisando as espe ́cies e pode-se concluir, segundo o conceito de Lewis, que: sa ̃o a ́cidos. 24 B C D E sa ̃o bases. sa ̃o a ́cidos sa ̃o bases apenas sa ̃o bases Solução: Os ácidos de Lewis são espécies quiḿicas de cientes em elétrons, podendo receber pares eletrônicos, como nos casos das espécies Resposta: C Questão 04 Sa ̃o dadas as seguintes equac ̧o ̃es: I. II. III. IV. Com relac ̧a ̃o aos conceitos a ́cido-base, segundo as teorias de Arrhenius, Bro ̈nsted-Lowry e Lewis, pede-se: a) a equac ̧a ̃o em que esta ́ presente uma espe ́cie qui ́mica que satisfaz a definic ̧a ̃o de a ́cido ou base segundo Arrhenius. Justifique. b) as equac ̧o ̃es em que esta ̃o presentes espe ́cies qui ́micas que caracterizam os conceitos de a ́cido e base segundo Bro ̈nsted-Lowry. Justifique. c) a equac ̧a ̃o em que esta ̃o presentes espe ́cies qui ́micas que caracterizam, exclusivamente, a teoria de Lewis. Justifique. Solução: a) Equação IV. O em meio aquoso, libera comportando-se como ácido de Arrhenius. b) Equações I, II e IV. Nessas equações, há espécies quiḿicas doadoras e receptoras de prótons 25 • • • c) Equação III. Nessa equação, não há transferência de prótons (Teoria de Brönsted-Lowry) nem a presença de água (Teoria de Arrhenius). De acordo com a Teoria de Arrhenius, ácido é a substância que, dissolvida em água, sofre ionização, produzindo como íon positivo apenas o enquanto base é a substância que, dissolvida em água, sofre dissociação iônica, produzindo como íon negativo apenas o Segundo os conceitos de Brönsted-Lowry, ácido é a entidade química doadora de prótons e base, a entidade química receptora de prótons Um ácido e uma base conjugados são aqueles que se diferenciam por apenas próton e, em relação a esses pares, pode-se afirmar que, quanto mais forte for o ácido, mais fraca será a sua base conjugada e, quanto mais fraco for o ácido, mais forte sua base conjugada será. ResumoResumo 26 • De acordo com a Teoria de Lewis, ácido é a entidade química “receptora” de par de elétrons em ligação coordenada, e base é a entidade química “doadora” de par de elétrons em ligação coordenada. 27 SLIDES DO CAPÍTULO Ácidos e bases na história da humanidade Teoria de Arrhenius Atualização dos conceitos de Arrhenius Ácidos e bases de Brönsted-Lowry Ácidos e bases conjugados Pratique: ácidos e bases de Brönsted-Lowry Ácidos e bases de Lewis Abrangência dos conceitos de ácidos e bases Pratique: ácidos e bases de Lewis Resumo