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Química Analítica Quantitativa e Qualitativa Professor Dr. Gustavo Meireles Costa Reitor Prof. Ms. Gilmar de Oliveira Diretor de Ensino Prof. Ms. Daniel de Lima Diretor Financeiro Prof. Eduardo Luiz Campano Santini Diretor Administrativo Prof. Ms. Renato Valença Correia Secretário Acadêmico Tiago Pereira da Silva Coord. de Ensino, Pesquisa e Extensão - CONPEX Prof. Dr. Hudson Sérgio de Souza Coordenação Adjunta de Ensino Profa. Dra. Nelma Sgarbosa Roman de Araújo Coordenação Adjunta de Pesquisa Prof. Dr. Flávio Ricardo Guilherme Coordenação Adjunta de Extensão Prof. Esp. Heider Jeferson Gonçalves Coordenador NEAD - Núcleo de Educação à Distância Prof. Me. Jorge Luiz Garcia Van Dal Web Designer Thiago Azenha Revisão Textual Beatriz Longen Rohling Caroline da Silva Marques Carolayne Beatriz da Silva Cavalcante Geovane Vinícius da Broi Maciel Jéssica Eugênio Azevedo Kauê Berto Projeto Gráfico, Design e Diagramação André Dudatt Carlos Firmino de Oliveira 2021 by Editora Edufatecie Copyright do Texto C 2021 Os autores Copyright C Edição 2021 Editora Edufatecie O conteúdo dos artigos e seus dados em sua forma, correçao e confiabilidade são de responsabilidade exclusiva dos autores e não representam necessariamente a posição oficial da Editora Edufatecie. Permi- tidoo download da obra e o compartilhamento desde que sejam atribuídos créditos aos autores, mas sem a possibilidade de alterá-la de nenhuma forma ou utilizá-la para fins comerciais. Dados Internacionais de Catalogação na Publicação - CIP C837q Costa, Gustavo Meireles Química analítica quantitativa e qualitativa / Gustavo Meireles Costa. Paranavaí: EduFatecie, 2022. 108 p.: il. Color. 1. Química analítica qualitativa. 2. Química analítica quantitativa. I. Centro Universitário Unifatecie. II. Núcleo de Educação a Distância. III. Título. CDD : 23 ed. 543 Catalogação na publicação: Zineide Pereira dos Santos – CRB 9/1577 UNIFATECIE Unidade 1 Rua Getúlio Vargas, 333 Centro, Paranavaí, PR (44) 3045-9898 UNIFATECIE Unidade 2 Rua Cândido Bertier Fortes, 2178, Centro, Paranavaí, PR (44) 3045-9898 UNIFATECIE Unidade 3 Rodovia BR - 376, KM 102, nº 1000 - Chácara Jaraguá , Paranavaí, PR (44) 3045-9898 www.unifatecie.edu.br/site As imagens utilizadas neste livro foram obtidas a partir do site Shutterstock. AUTOR Professor Dr. Gustavo Meireles Costa ● Graduação em Farmácia – (UNIPAR). ● Habilitação em Análises clínicas – (UNIPAR). ● Especialista em Análises Clínicas (Faculdade Integrado de Campo Mourão). ● Especialista em Manipulação de Produtos Farmacêuticos e cosméticos (UNIPAR). ● Mestre em Ciências Farmacêuticas (UEM - Universidade Estadual de Maringá). ● Doutor em Ciências Farmacêuticas (UEM - Universidade Estadual de Maringá). ● Professor de Graduação na Universidade Paranaense. Ampla experiência em Farmácia comercial e sistema público, assim como expe- riência como docente na área de saúde. CURRÍCULO LATTES: http://lattes.cnpq.br/7199566856196424 APRESENTAÇÃO DO MATERIAL Seja muito bem-vindo (a)! Prezado (a) aluno (a), se você se interessou pelo assunto desta disciplina, isso já é um bom início de uma grande jornada de estudos que iremos caminhar juntos a partir de agora. Junto com você iremos construir nosso conhecimento sobre os conceitos fundamen- tais de química analítica. Na Unidade I iniciaremos pela introdução a química com alguns conceitos químicos e composição da matéria e seus estados físicos, assim como suas transformações. Também iremos estudar como estas substâncias e moléculas são representadas através de suas fórmulas e equações químicas, como as reações acontecem e suas representações. E para finalizar a unidade I teremos um entendimento de soluções, como se comportam algumas substâncias inorgânicas quando em soluções aquosas, ou seja, como um eletrólito fraco ou forte. Esta noção é necessária para que possamos trabalhar a segunda unidade do livro, que versará sobre o desenvolvimento de novos produtos. Já na Unidade II, vamos começar a ampliar os conhecimentos sobre química ana- lítica. Para isso, vamos entrar em assuntos mais detalhados e específicos como equilíbrio químico e os fatores que podem influenciar neste equilíbrio. A partir dos conceitos de equi- líbrio químico, veremos equilíbrio iônico, como exemplo da água. Depois, na Unidade III iremos ver a reações de ácido/básico, precipitação, oxirredu- ção e complexação. Para isso, iremos abordar alguns conceitos nas reações de neutraliza- ção para quantificação de determinadas substâncias chamadas de volumetria ou titulação Na unidade IV trataremos especificamente das técnicas experimentais, ou seja, como identificar algumas espécies químicas como cátions e ânions a partir de alguns expe- rimentos por via seca ou via úmida. Aproveito para reforçar o convite a você, para junto conosco percorrer este cami- nho de conhecimento e multiplicar, temos muitos assuntos abordados em nosso material. Esperamos contribuir para seu crescimento pessoal e profissional. Muito obrigado e bom estudo! SUMÁRIO UNIDADE I ...................................................................................................... 3 Fórmulas e Equações Químicas,Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas UNIDADE II ................................................................................................... 29 Equilíbrio Químico UNIDADE III .................................................................................................. 53 Teoria Clássica das Reações: Ácido/Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução UNIDADE IV .................................................................................................. 80 Técnicas Experimentais da Análise Qualitativa Inorgânica: Reações por Via Seca e por Via Úmida e Análise Qualitativa Para Ânions e Identificação de Cátions 3 Plano de Estudo: ● Introdução a química analítica: matéria e propriedades; ● Conceitos químicos fundamentais - Fórmulas e equações químicas; ● Soluções aquosas de substâncias inorgânicas: Eletrólitos fortes e fracos. Objetivos da Aprendizagem: ● Contextualizar conceitos químicos; ● Compreender o que é matéria, estados físicos e suas mudanças de estado, assim como as propriedades da matéria; ● Diferenciar fórmula química, estrutural e molecular, assim como a representação de equações químicas a partir de uma reação; ● Conceituar mistura e suas fases, assim como solução; ● Estabelecer como substâncias inorgânicas se comportam em soluções aquosas: eletrólito Forte e Fracos. UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Professor Dr. Gustavo Meireles Costa 4UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas INTRODUÇÃO Neste tópico será abordado a importância da química e alguns conceitos primordiais para o entendimento da mesma, como o que é matéria, estados físicos e suas proprieda- des. Se tratando de Química, é uma ciência que está diretamente ligada à nossa vida cotidiana, desde as substâncias mais simples utilizadas como água, açúcar, como algumas mais complexas PVC (policloreto de vinila). A química está envolvida em diversos processos cotidianos, como mistura de subs- tâncias ou com reações químicas, sendo assim, trataremos de como representá-las em suas fórmulas químicas e as representações através de suas equações químicas, adentrando nas reações químicas, desde as mais reações cotidianas simples as mais complexas como a produção do pão, fazer churrasco, digestão dos alimentos, produção de medicamentos, combustíveis, reações de preparo de cimento, a borracha de seu tênis, os tecidos de seu vestuário, cozinhar ovo, caramelizar açúcar como alguns exemplos de reações. A Química fazparte do nosso cotidiano, inserida no contexto que nem percebemos que tudo que estamos realizando/fazendo/processando está envolvendo química desde o ato da respiração com O2, queima de combustível para os carros, até o processamento de substâncias para a cura de determinada doença, realizando transformações nas matérias sendo elas físicas ou químicas como melhoramento de propriedades. Ainda neste capítulo será abordado com substâncias inorgânicas se comportam em soluções aquosas, ou seja, como um eletrólito forte ou fraco, possuindo a capacidade de condução de energia. 5UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 1. INTRODUÇÃO A QUÍMICA ANALÍTICA: MATÉRIA E PROPRIEDADES Matéria é todo sistema que possui massa e ocupa lugar no espaço. Matéria também está ligada ao nosso cotidiano como em alguns exemplos caderno, caneta, livros, alimentos, vidro, borracha, roupas ar, etc. A matéria é constituída por elementos químicos da tabela periódica que formam as substâncias (na maioria das vezes constituídas por moléculas) pela união destas unidades fundamentais, que são os átomos. A união de diferentes átomos e proporções distintas tem-se matérias diferentes com propriedades to- talmente diferentes, então, existem materiais diferentes, pois as substâncias que os formam são diferentes mesmo sendo os mesmos átomos, como exemplo tem os hidrocarbonetos (ligações de carbono e hidrogênio) que a quantidade de carbono pode ser diferente em cada um deles e ter-se diferentes propriedades, como exemplo a gasolina, um octano. Uma substância química pode ser definida como qualquer espécie de matéria sen- do formada por átomos de elementos específicos em proporções específicas ou distintas o que difere estas substâncias, proporções mesmo que sejam os mesmos elementos. Sendo que cada uma destas substâncias possui um conjunto definido de propriedades e uma composição química. Partículas: São as formadoras das substâncias, podendo ser chamadas de íons, em que estes íons são os cátions (espécies positivas) e os ânions (espécies negativas) átomos e moléculas (conjuntos de átomos) (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 6UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 1.1 Propriedades da matéria Matérias são dotadas de propriedades que permitem diferenciar/identificar uma determinada espécie de matéria de outra. Estas propriedades são nomeadas como pro- priedades específicas da matéria e estas propriedades específicas podem ser propriedades físicas, químicas ou organolépticas. A) Propriedades físicas: São características de propriedades individuais de uma substância sem que acon- teça uma alteração na composição dessa substância. - Ponto de fusão; - Ponto de ebulição; - Densidade; - Solubilidade. B) Propriedades químicas: São propriedades que identificam características individuais de uma substância por meio de uma alteração da composição dessa substância (matéria). Exemplos: ● Decomposição térmica do carbonato de cálcio, originando gás carbônico e óxido de cálcio; ● Oxidação do ferro, originando a ferrugem, etc.; ● Cozinhar ovo; ● Papel pegando fogo; ● Amadurecimento de fruta; ● Azedar leite; ● Caramelizacão do açúcar. C) Propriedades organolépticas: Propriedades que ativam um dos cinco sentidos sensoriais (olfato, visão, tato, audição e paladar). Exemplos: Cor, sabor, odor, brilho, etc. (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 7UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 1.2 Estados físicos da matéria A matéria pode ser encontrada em três estados físicos de acordo com seu estado/ afinidade de agregação, quanto mais estado de agregação maior a afinidade das moléculas, em que os compostos tendem a ser mais rígidos: Estado físicos: sólido, líquido e gasoso. No estado sólido, as partículas que o compõem as substâncias estão bem próximas umas das outras, formando redes ou malhas (conjunto de partículas que estão conectadas umas às outras) de longa extensão, possuindo forma e volume definidos, bem como alta organização. Uma característica de compostos sólidos são as forças de atração altas, ge- ralmente os sólidos são compostos unidos por ligações iônicas. No estado líquido, as partículas tendem a estarem mais afastadas conforme anterior- mente explicado de acordo com a força de atração do que no estado sólido. Estes compostos no estado líquido possuem forma variável se adaptando conforme o recipiente que estão. Substâncias no estado gasoso estão totalmente afastadas, longe uma das outras, visto que são gases e como exemplo a atmosfera, apresentam grande movimentação. As forças de atração entre suas partículas são baixas, estes compostos geralmente são por ligações covalentes e apolares no qual observa-se um alto grau de desordem, sendo que estas partículas se movimentam independentemente de suas vizinhas, estão afastadas. O estado gasoso é bastante diferente dos demais, possui forma e volume variáveis, pois estes se adequam de acordo com o recipiente contido, sendo a maioria os gases (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). FIGURA 1 - ESTADOS FÍSICOS DAS SUBSTÂNCIAS 8UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 1.3 Mudança de estado físico Os três estados físicos podem ser alterados conforme aplica-se/aumenta-se calor/ temperatura ou diminuindo/resfria-se a mesma, sendo que os mesmos acontecem a pas- sagem de um estado para o outro conforme a figura abaixo. FIGURA 2 - MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO DE MATÉRIAS Fonte Adaptado de: O Mundo da Química, 2015. Disponível em: https://www.omundodaquimica.com.br/academica/intro_mudfis. Acesso em: 10 jan. 2022. A vaporização pode ser dividida em: ● Evaporação: É um processo lento e espontâneo, acontecendo naturalmente devido a ação da temperatura, geralmente ambiente. A temperatura do líquido ela é inferior à sua temperatura de ebulição. Exemplo: Um copo de água deixado na pia, pois a água nela contida evapora, ou contido nas salinas brasileiras, deixa-se evaporar a água para obtenção do sal, por ação do sol. ● Ebulição: Este processo geralmente é mais rápido e não espontâneo para as substâncias na fase líquida, à temperatura e pressão ambientes. Ocorre em líquidos, com a formação e desprendimento de bolhas, sendo que pode ter uma forca externa atuando, como exemplo o emprego de fogo para aquecimento. Exemplo: Água líquida necessita de aquecimento para passar ao estado de vapor (ferver). https://www.omundodaquimica.com.br/academica/intro_mudfis 9UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas ● Calefação: Este processo é realizado sob aquecimento excessivo, provocando a ebulição. Nesse processo, a temperatura do líquido é superior à temperatura de ebulição. Exemplo: Uma gota-d ’água sendo jogada em uma panela muito quente, sistema de aquecimento em casas ou estádio de países com clima muito frio. ● Fusão: É a passagem ou à mudança do estado sólido para o líquido, como exemplo a água que ocorre em na temperatura de 0ºC ao nível do mar. ● Liquefação ou condensação: Passagem ou mudança do estado gasoso para o estado líquido. Pode ser observa- do quando se diminui a temperatura, como exemplo o vapor de água, quando atinge 100ºC, começa a passar para o estado líquido. ● Solidificação: Passagem do estado físico liquido para o sólido, pode-se observar a partir da queda de temperatura do líquido, como exemplo a água virando gelo ao atingir a temperatura de 0ºC. ● Sublimação: Ocorre quando a substância passa diretamente do estado sólido para o estado ga- soso ou vice-versa. Esse fenômeno ocorre com o iodo por exemplo (UCKO 1992; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 1.4 Transformações das materias Transformações da matéria em química, significa estudar dois tipos de classificação fenômenos:Fenômenos físicos e fenômenos químicos. a) Fenômenos físicos: São transformações que alteram a estrutura interna da matéria, isto é, não mudam a propriedades da matéria ou identidade química das substâncias nem dos átomos. 10UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Exemplos: - Produção do suco de laranja; - Condução da corrente elétrica em um fio de cobre. - Mudança de estado físico da água: H2O(l) → H2O(v) - Dissolução do cloreto de sódio na água NaCl(s) → NaCl (aq) Sublimação do Iodo → I2 (s) → I2(g) Amassar ou cortar um papel Alguns sinais podem caracterizar um fenômeno físico como: - Alteração de estado físico (sólido, líquido ou gasoso); - Mudança no formato ou no tamanho; - Solubilidade (quando uma matéria se dissolve em outra devido a características de polaridade similares). b) Fenômenos químicos: São fenômenos que mudam as propriedades ou identidade da matéria como ponto de fusão, solubilidade, densidade e ponto de ebulição das substâncias, mas a identidade dos átomos se conserva, porem tem uma substancia totalmente diferente da inicial. Exemplos de fenômenos químicos: 9 Amadurecimento ou apodrecimento de uma fruta; 9 Produção de etanol a partir da cana-de-açúcar; 9 Produção de vinho a partir do suco de uva; 9 Queimar uma folha de papel; 9 Decomposição de matérias orgânicas; 9 Formação da ferrugem em aço; 9 Comprimido efervescente adicionado à água, antiácido; 9 Alteração da pele por ação solar; 9 Cozinhar carne; 9 Leite azedo. 11UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Alguns Sinais que identificam um fenômeno químico como: 9 Alteração de cor; 9 Efervescência (desenvolvimento de bolhas/gás em um líquido); 9 Reações exotérmicas (Liberação de energia na forma de calor); 9 Formação de um sólido, quando em água insolúvel (precipitados); 9 Combustão (produção de gases) (UCKO 1992; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 12UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 2. CONCEITOS QUÍMICOS FUNDAMENTAIS - FÓRMULAS E EQUAÇÕES QUÍMICAS No estudo da química saber identificar substancias deve-se fundamentalmente a escrita da composição, nomes químicos, formulas de diferentes maneiras como estrutural, molecular, sendo este primordial para o leitor/estudante ou qualquer pessoa que venha a se deparar com uma substância química, portanto, se faz necessário alguns conceitos iniciais para o entendimento. 3.1 Fórmulas químicas As fórmulas químicas são normalmente usadas para representar compostos ou união de átomos, utilizando apenas os símbolos dos elementos que os compõe como por exemplo NaCl (sódio e cloro formando cloreto de sódio). Vários tipos de fórmulas químicas são úteis, pois indicam o número de cada átomo como exemplo o etanol (C2H5O), o tipo de ligação entre os átomos (simples, dupla etc), a ordem em que se ligam os átomos, que são informações importantes sobre os compostos. 3.1.1 Fórmula estrutural plana A representação de uma substância pela fórmula estrutural é realizada para de- monstrar as ligações existentes em determinada molécula e sendo fornecidos o número de cada tipo de átomo na molécula, mas também mostra como eles estão ligados entre si no interior da molécula. 13UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Veja alguns exemplos de fórmulas estruturais: Água H – O – H Gás carbônico O = C = O Cloro Cl – Cl Oxigênio O = O Hidrogênio H – H 3.1.2 Fórmula molecular Fórmula que emprega símbolos e índices para indicar os átomos de um composto e sua quantidade na molécula. Por exemplo, uma molécula de água consiste em 2 átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, assim, a fórmula molecular da água é H2O. No caso de uma molécula de sacarose, que é formada por 12 átomos de carbono, 22 átomos de hidrogênio e 11 átomos de oxigênio, sua fórmula molecular é C12H22O11. O oxigênio é en- contrado no ar como moléculas diatômicas O2. Como é possível perceber pelos exemplos, esta fórmula fornece o número efetivo de átomos de cada elemento presentes na molécula. Alguns grupos de átomos como NO3, NO2, SO4, SO3, comportam-se como entidades únicas (VOGEL, 1981; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). Exemplos: H2O (água); CO2 (gás carbônico); NH3 (Amônia); CH4 metano; NaOH hidróxido de sódio. 3.1.3 Fórmula Eletrônica Esta representação indica os elétrons da camada de valência de cada átomo e a formação dos pares eletrônicos, e também os elementos e o número de átomos envolvidos. É conhecida também como fórmula de Lewis. 14UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas FIGURA 3 - FÓRMULA REPRESENTATIVA ELETRÔNICA H• •O• •H (água). Fonte: Adaptado de: Manual da Química, 2021. Disponível em: https://www.manualdaquimica.com/quimica-geral/formulas-quimicas.htm. Acesso em: 10 jan. 2022. 3.1.4 Equações químicas Para o entendimento da química se faz necessário alguns conceitos básicos e a linguagem aplicada ao laboratório, então aprender química precisa-se de um novo vocabu- lário. Pode-se dizer que uma equação química representa uma reação química, que signi- fica uma transformação da matéria, sendo de átomos ou moléculas em outras substancias, sendo que o estado físico pode permanecer o mesmo ou ser distinto do inicial. O papel da equação química é representar o processo químico (transformação), a reação química, descrevendo-a qualitativamente e quantitativamente de forma breve e precisa, para que qualquer pessoa que veja a representação entenda. Qualitativamente, uma equação quí- mica mostra quais são os reagentes e produtos envolvidos na reação, onde os Reagentes eles são gastos, consumidos ou eliminados e os Produtos eles são formados, criados ou produzidos (VOGEL, 1981; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 15UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Como exemplo a representação de uma equação química abaixo. Equação Química Pode-se observar que os reagentes ficam à esquerda da equação representado pe- las letras A e B, a seta tem significado de transformação, enquanto as letras C e D a esquerda da equação representa os produtos. As equações químicas possuem fórmulas e coeficientes para serem demostrados tanto qualitativamente quanto quantitativamente respectivo. As fórmulas moleculares ou unitárias indicam não somente quais são os elementos que estão compondo as substâncias e que participam das reações, mas também a quantidade de átomos de cada elemento. Isso é mostrado pelo índice, ou seja, pelo número subscrito (fica no canto inferior direito do símbolo do elemento conforme a figura abaixo representada pelo número em verde). Quando o índice é igual a 1, ele não precisa ser escrito. FIGURA 4 - REPRESENTAÇÃO DE UMA EQUAÇÃO QUÍMICA Fonte: O Autor (2021). Legenda da figura: Cor verde: são os elementos contidos na fórmula Negrito: números a esquerda da fórmula sendo os coeficientes Cor verde a direita: números representativos da quantidade de átomos da substancia Fórmulas: representados pelos elementos em verde: Coeficientes: representados pelos números a esquerda da fórmula em negrito. Índices: são os números a direita da fórmula em verde, representando a quantidade átomos para aquela substancia 16UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Os reagentes posicionados a esquerda da reação, hidrogênio (H2) reage com oxi- gênio (O2), formando o produto água (H2O) posicionado a direita da seta água, veja que as moléculas de H2 e O2 irão “desaparecer” para originar outra substância, a seta (→) significa transformação da matéria. A equação que representa a formação da água, pode ser lida como “duas moléculas de Hidrogênio combinam-se com umamolécula de oxigênio para formar duas moléculas de água (liquida)”. Veja que a reações químicas elas formam produtos com um rearranjo diferentes dos átomos, ou seja são formados pelos mesmos átomos, porém com disposição distinta da inicial. A está balanceada, o que podemos ver que os átomos dos reagentes são os mes- mos do produto, ou seja, eles são conservados na reação. Isso significa que os mesmos átomos que compõem os reagentes, formarão os produtos ao final da reação, não havendo criação nem destruição de átomos, conforme a lei da conservação ou lei de Lavosier, que é a lei que diz “A massa do produto é sempre igual a massa dos reagentes” ou “na natureza, nada se perde, nada se cria, tudo se transforma. Os índices entre parênteses fornecem informações adicionais sobre o estado em que se encontram as substâncias, ou melhor: ● (s) Representa uma substância em seu estado sólido; ● (l) Representa uma substância em seu estado líquido; ● (g) representa uma substância na no estado gasoso ou em forma de gás; ● (aq) significa que esta substância está dissolvida em água formando uma solução aquosa. As equações químicas ainda alguns símbolos utilizados seguem alguns conforme a tabela abaixo: FIGURA 5 - SÍMBOLOS MAIS COMUNS UTILIZADOS NAS EQUAÇÕES QUÍMICAS Fonte Adaptado: (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 17UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Segue alguns exemplos de representações de reações químicas através das equa- ções, com fórmulas, índices, estados físicos e coeficientes. HCl (l) + NaOH (aq) → H2O (l) + NaCl (aq) H2SO4 (l)+ Mg(OH)2 (aq → MgSO2 (aq) + 2 H2O(l) As representações das reações químicas ainda podem-se observar reações iôni- cas, no caso envolvendo íons, ou seja, espécies químicas que estão na forma de cátions ou ânions, positivas ou negativas respectivamente, apresentando cargas, conforme o exemplo abaixo. H+ + OH - → H2O Classificação das reações químicas e suas representações: As reações químicas podem ser classificadas em: 1. Síntese/combinação ou adição; 2. Análise ou decomposição; 3. Simples-troca ou deslocamento; 4. Dupla-troca ou dupla substituição. 1. Síntese/combinação ou adição; Toda reação química na qual dois ou mais reagentes dão origem a um único produto, sendo estes reagentes substâncias simples ou compostas que reagem para se transformar em uma única substância. Observe o esquema abaixo: A + B → AB Segue alguns exemplos de síntese. C + O2 → CO2 CaO + H2O → Ca(OH)2 2 Mg + O2 → 2 MgO 18UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas N2+ 3 H2 → 2 NH3 4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O30 H2 + O2 → 2 H2O C + O2 → CO2 2. Análise ou decomposição; Pode ocorrer tanto com substâncias simples ou substâncias compostas nos reagen- tes, é a reação onde uma substância se divide em duas ou mais substâncias de estrutura mais simples. Estas reações envolvem ação da luz, calor ou corrente elétrica. AB → C + D Segue alguns exemplos de reações de decomposição. 2 H2O → 2 H2 + O2 CaCO3 → CaO + CO2 2AgBr → 2Ag + Br2 2Cu (NO3)2 → 2CuO + 4NO2 + O2 3. Simples troca ou deslocamento Reações no qual acontece em que uma Substância simples reage com substância composta produz substância simples e composta. Pode ser observada conforme figura abaixo: AB + C → AC + B Segue alguns exemplos de reações de simples troca. 2Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 Cl + HI → HCl + I Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu 19UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 4. Reações de dupla troca Reações no qual envolve duas Substâncias composta reagem formando duas novas substâncias compostas, como pode ser observado na figura abaixo. AB + CD → AC + BD Segue alguns exemplos de reações de simples troca. NaCl + AgNO3 → AgCl + NaNO3 NaOH + HCl → NaCl + H2O FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S As reações ainda podem ser classificadas de acordo ao calor envolvido. 1. Endotérmicas: São reações que ocorrem absorvendo energia em forma de calor Exemplos: - Assar carne; - Cozinhar feijão. Síntese da amônia (NH3): N2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) 2. Exotérmicas: São reações que ocorrem liberando energia em forma de calor - Acender churrasqueira; - Queimar palito de fósforo; - Combustões. Decomposição da amônia (NH3): 2 NH3 (g) → N2 (g) + 3 H2 (g) 20UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução 3. SOLUÇÕES AQUOSAS DE SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS: ELETRÓLITOS FORTES E FRACOS Solução é uma mistura homogênea (somente uma fase) de duas ou mais substân- cias. Geralmente, a substância presente em maior quantidade em uma solução é denomi- nada de solvente (em que a água é o solvente universal) e a(s) outra(s) substância(s) de soluto menor quantidade a ser dissolvido). Em Química Analítica, o solvente mais usado para preparação de soluções é a água. As soluções são consideradas mistura, estas mis- turas podem ser classificadas de acordo com seu número de fases contidas neste sistema conforme abaixo (VOGEL, 1981; UCKO 1992; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). Classificação de um sistema de acordo com seu número de fases. 1. Homogêneo: uma solução que apresenta uma única fase Exemplos: - Água do mar salgadas, mistura de água e sal; - Atmosfera, misturas de gases. A água do mar contém, além de água, uma quanti- dade enorme de sais minerais; - água e açúcar; - Etanol hidratado. 21UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Esta classificação de sistema são substâncias consideradas solúveis uma na outra, ou seja, se misturam formando uma única fase. 2. Heterogêneo: Pode apresentar duas ou mais fases - água e óleo; - água e areia; - Gasolina e água. Este tipo de sistema são substancias que não se misturam, consideradas insolúveis uma na outra ou imiscíveis. Formando assim duas ou mais fases. Conforme comentado anteriormente a água é o solvente universal, pois possui óti- mas propriedades físicas e químicas que a torna um excelente solvente para um grande nú- mero de substâncias químicas. Entre essas propriedades podemos enumerar a sua grande estabilidade química, térmica e mecânica, ser líquida em uma faixa de temperatura útil para trabalhos de laboratório, possuir uma constante dielétrica e tensão superficial relativamente elevadas, entre outras. Devido a essas características, a água é conhecida como o solvente universal. O processo de autoionização da água líquida pode ser representado pela equa- ção abaixo: (VOGEL, 1981; UCKO 1992; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). Reação 1: H2O + H2O H3O + + OH- ou, simplificadamente, Reação 2: H2O H + + OH- De acordo com a reação 1 acima, pode-se identificar os íons produzidos a autoioni- zação da água como o H3O+ chamado de hidrônio e OH- também conhecido como hidroxila ou oxidrila. O íon hidrônio, pode ser chamado como uma espécie formada pela reação reversível, (acima identificada na reação 1), de um próton H+ (o íon positivo/cátion formado pela ionização do átomo de hidrogênio) com uma molécula de água. Na reação 2 temos a forma simplificada de equação química da água no qual apenas identifica-se o próton H+ (hidrogênio) e o ânion OH- (hidroxila). 22UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 3.1 Propriedades gerais das soluções aquosas Uma propriedade importante em soluções aquosas são as físico-química como exem- plo é a sua condutividade elétrica, esta capacidade se dá a partir dos eletrólitos, sendo definida como a capacidade das soluções de conduzir uma corrente elétrica devido ao movimento relativo de íons (cátions e ânions) presentes na solução. Para que sejaum bom condutor vai depender dos números de íons. As propriedades e considerações conforme as forças dos eletrólitos vai depender se vai solubilizar em água de acordo com seu tipo de ligação. a) Ligações iônicas: Neste tipo de ligação os íons são solubilizados e rodeados por moléculas de água, o transporte provoca o fluxo de íons e de corrente elétrica, processo este chamado de solvatação, ou seja, é um processo de dissolução em que a substância é solubilizada em íons negativos e positivos ficando envoltos por moléculas de solvente, geralmente a água. b) Ligações covalentes/moleculares em água Compostos moleculares geralmente não formam íons, exceto quando houver uma diferença de eletronegatividade entre os átomos, consequentemente se não há a formação de íons não há a condução de eletricidade, geralmente em compostos orgânicos. (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). ELETRÓLITOS São substâncias químicas que formam íons quando dissolvidas em água ou em outro solvente possuindo a capacidade de conduzir eletricidade. Os três tipos de eletrólitos inorgânicos principais são ácidos, bases e sais, estes formam íons quando dissolvidos em água, possuindo a capacidade de condução de energia. Estes eletrólitos podem ser classificados de acordo com a dissociação em água: a) Eletrólitos fortes São substâncias se ionizam ou dissociam completamente em um solvente (água), principalmente as substâncias inorgânicas que possui na maioria das vezes ligações iônicas. Esses íons formados (positivos e negativos) podem conduzir eletricidade como exemplo alguns ácidos, bases fortes e alguns sais inorgânicos. 23UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas Ácidos: - HCl, HClO4, H2SO4, HI, HBr, HNO3 Bases: - Hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos 0 NaOH, KOH, Ca (OH)2, Ba (OH)2 Sais: NaCl, MgCl, CaCl2, CaCO3, MgSO4, KNO3 b) Eletrólitos fracos: São substâncias que se ionizam parcialmente em um solvente. Geralmente ácidos e bases inorgânicas fracas, originam eletrólitos fracos respectivo. Ácidos inorgânicos: H2CO3, H3BO3, H3PO4, HF, HNO2 Bases inorgânicas: NH4OH Ácidos orgânicos: maioria c) Não eletrólitos: são substâncias que não se modificam ou ionizam em um sol- vente, não possuindo a capacidade de condução elétrica (VOGEL, 1981; UCKO 1992; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 24UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas SAIBA MAIS Desde a antiguidade a parte experimental da química analítica tem seus conhecimentos ensinados, Caius Plinius Secundus (23-79 d.C.) aproximadamente a 2000 anos atrás fez o primeiro registro de um teste químico de análise qualitativa. Esse mesmo tratava-se de detectar a contaminação de sulfato de ferro (II) em acetato de cobre (II), consistia em tratar uma tira de papiro embebida em extrato de noz de galha (ácido tânico) com a solução sob exame. Se a tira adquirisse a cor preta, indicava presença do sulfato de ferro (II). Robert Boyle (1627- 1691) na segunda metade do século XVII, contribuiu muito para o desenvolvimento da análise química, tendo seu estudo focado no uso de reações quími- cas para identificar várias substâncias e introduzindo novos reagentes analíticos, sendo pioneiro no uso do “volatile sulphureous spirit” (sulfeto de hidrogênio) com fins analíticos. Vários outros pesquisadores, como Otto Tachenius (início do século XVII) e Sigismund Andreas Marggraf (1709 - 1782), contribuíram em grande parte das reações químicas conhecidas e usadas em análise qualitativa inorgânica já tivesse sido descoberta até o fim do século XVIII. A análise qualitativa apresentou avanços significativos no final do século XIX e no início do século XX, respectivamente, com os trabalhos de Theodor Heinrich Behrens (1843- 1905) sobre técnicas microscópicas de análise e de Fritz Feigl (1891-1971) e colabo- radores, sobre os testes de toque (“spot tests”)1,2,4. Estes trabalhos, publicados em livros, vieram consolidar essa nova área da análise química. Através de consulta ao Chemical Abstracts, verificou-se que grande parte dos trabalhos publicados sobre análises qualitativas até cerca da metade do século XX compreen- diam, principalmente, estudos e aplicações de novos reagentes (geralmente orgânicos), novos testes para detecção de cátions e ânions usando técnicas microanalíticas, e vá- rios estudos sobre métodos de separação de íons em uma análise sistemática. A partir dos anos 60, as publicações sobre Química Analítica Qualitativa tiveram seu foco volta- do para as atividades de ensino. Fonte: ALVIM, T. R.; ANDRADE, J. C. A Importância Da Química Analítica Qualitativa Nos Cursos De Quí- mica Das Instituições De Ensino Superior Brasileiras. Universidade Estadual de Campinas, 2006. Dispo- nível em: https://www.scielo.br/j/qn/a/HtWD8bKNVppz37Nz5HwVzbS/?lang=pt. Acesso em: 10 jan. 2022. https://www.scielo.br/j/qn/a/HtWD8bKNVppz37Nz5HwVzbS/?lang=pt. 25UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas REFLITA A química analítica é o segmento da química que contribui na separação, identificação e determinação quantitativas ou qualitativas dos componentes de uma amostra através do desenvolvimento de métodos e procedimentos para que essa determinação seja possível, processo importante para desenvolvimento de diversos produtos, inclusive farmacêuticos. Fonte: VOGEL, 1981. 26UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas CONSIDERAÇÕES FINAIS Estamos finalizando a primeira unidade do livro didático de química analítica. Assim torna-se importante salientar algumas discussões que foram propostas. Nossas discussões se iniciaram com os tópicos introdução a química analítica, ma- téria, estados físicos, mudanças de estados e fenômenos físicos e químicos. Estes tópicos foram abordados alguns conceitos primordiais para a sequência da unidade I. E ao se tratar desta abordagem inicia-se a discussão do próximo tópico da Unida- de I, intitulado Fórmulas químicas e representação das equações químicas. Neste tópico procurei abordar conceitos de fórmulas, estrutural, atômica e plana e suas representações, assim como representar estas equações a partir de uma reação química, como reagentes, produtos, índices. Também foi abordado uma introdução de reações químicas mais comuns em compostos inorgânicos. Para finalizar nesta unidade foram apresentados como a substâncias inorgânicas se comportam em soluções aquosas. Foi abordado o conceito de solução, diferença entre uma mistura com sistema heterogêneo e homogêneo (solução) e como se dá a classifica- ção dos eletrólitos inorgânicos em soluções aquosas, ou seja, eletrólito forte, eletrólito fraco ou não eletrólito. Essa unidade tem o intuito de prepará-lo (a), caro aluno (a) para o assunto que será tratado nas próximas unidades. Passemos, então, à unidade II. 27UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas LEITURA COMPLEMENTAR Caro (a) aluno (a) para entender um pouco mais sobre soluções e eletrólitos e suas aplicações, leia os artigos abaixo: Fonte: VALE, W. K. M.; MENEZES, T. M.; BATINGA, V. T. S. A estratégia de resolu- ção de problemas para a abordagem do contéudo de soluções eletrolíticas. XIII JORNADA DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO – JEPEX 2013 – UFRPE: Recife, 09 a 13 de dezembro. Disponível em: http://www.eventosufrpe.com.br/2013/cd/resumos/R0730-1.pdf. Acesso em: 07 fev. 2022. http://www.eventosufrpe.com.br/2013/cd/resumos/R0730-1.pdf 28UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas MATERIAL COMPLEMENTAR LIVRO Título: Química geral Autor: Ricardo Feltre. Editora: Moderna. Sinopse: Livro de química básica para introdução a química ana- lítica, sendo uma coleção do autor em Química geral e orgânica apresentando uma análise completa de conceitos, valorizando a relação entre aQuímica e o cotidiano. Atividades práticas e de lei- tura auxiliam o aluno a fixar, recordar, refletir e colocar em prática os conteúdos. FILME / VÍDEO Título: O que representa equação química Ano: 2020. Sinopse: Representação e conceitos de equações químicas. Link do vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=q42LgPmGHmY 29 Plano de Estudo: ● Introdução ao equilíbrio químico; ● Equilíbrio Iônico; ● Escala de pH e pOH. Objetivos da Aprendizagem: ● Conceituar e contextualizar equilíbrio químicos; ● Estabelecer os fatores que influenciam no equilíbrio químico; ● Compreender equilíbrio iônico; ● Definir constante iônica acida (Ka) e constante iônica básica (Kb); ● Demonstrar a autoionização da água e sua Constante (Kw); ● Compreender escala e cálculo de pH e pOH. UNIDADE II Equilíbrio Químico Professor Dr. Gustavo Meireles Costa 30UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 30UNIDADE II Equilíbrio Químico INTRODUÇÃO Neste tópico será abordado a importância do equilíbrio químico e seu com enfoque em certos conceitos como: reações reversíveis, fatores que afetam uma reação em equi- líbrio químico, constante de equilíbrio, equilíbrio iônico da água, potencial de hidrogênio, pH e pOH e efeito tampão. O conceito de equilíbrio químico tem sido apontado por muitos autores, todos os seus significados remetem a ideia de proporções iguais, e a partir de tal concepção iniciam-se as confusões conceituais, pois em química o significado de equilíbrio possui uma concepção distinta, sendo impróprias essas associações. Devido à dificuldade de compreender alguns destes conceitos, principalmente o de reversibilidade de uma reação, são utilizados alguns instrumentos para que a aprendizagem seja satisfatória. Existem várias outras reações na que são reversíveis e podem atingir o equilíbrio químico. Macroscopicamente parece que sistema está parado, mas microsco- picamente este equilíbrio é dinâmico, sendo que os reagentes estão constantemente se transformando nos produtos e os produtos em reagentes, com a mesma velocidade. 31UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 31UNIDADE II Equilíbrio Químico 1. INTRODUÇÃO AO EQUILÍBRIO QUÍMICO É a parte da físico-química que estuda as reações reversíveis e as condições que po- dem afetar este sistema. Quando duas substâncias entram em contato (A e B) reagentes, irão formar um ou mais produtos (C e D), tem denominado uma reação ilustrada na figura abaixo. Porém esta reação poderia ser representada de maneira diferente quando se tem uma reação reversível, ou seja, os produtos podem formar os reagentes ou vice-versa, representado pelas setas nos dois sentidos. Ou Em um equilíbrio químico é um equilíbrio dinâmico, ou seja, indica que a reação ocorre em um sentido sendo ela uma reação reversível (reagentes para produtos) e possui uma velocidade da reação direta (sentido dos produtos v1) e tem a mesma taxa de desen- volvimento em que a reação ocorre no sentido inverso (produtos para reagentes) possuindo uma velocidade da reação inversa (sentido dos reagentes v2). Uma vez atingido o estado de equilíbrio, as concentrações de reagentes e produtos permanecem constantes. Observe a reação abaixo: 32UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 32UNIDADE II Equilíbrio Químico - v1 : velocidade da reação direta; v2 : velocidade da reação inversa. Esta equação ainda pode ser representada com coeficientes estequiométricos, importante para constante de equilíbrio, o mesmo sendo observado abaixo pelas letras minúsculas. Graficamente em um sistema fechado reações reversíveis e em equilíbrio dinâmico podem ser representadas conforme abaixo: (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). FIGURA 1 - GRÁFICO DE REAÇÕES REVERSÍVEIS EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE E CONCENTRAÇÃO Fonte: Adaptada de: (RUSSEL, 1994). De acordo com a figura acima, pode-se observar que no início v1 é a velocidade máximo porque as concentrações de dos reagentes A e B apresentam valores máximos, en- quanto que v2 é igual a zero, porque C e D os produtos ainda não foram formados. De acordo com o desenvolvimento da reação, A e B começam diminuir e C e D começam a aumentar, portanto v1 começa a diminui e v2 aumenta, no momento em que os reagentes entram em contato e os produtos são formados, isto acontece até que as duas velocidades se igualem (v1 = v2). No exato momento em que v1 = v2, pode-se dizer que o sistema atinge o estado de equilíbrio. Quando houver este estado de equilíbrio, a reação química continua a ocorrer (nível microscópico) nos dois sentidos, em direção a formação dos produtos e dos reagentes isto com a mesma velocidade e, portanto, as concentrações de reagentes e produtos ficam constantes, porem podem diferenciar estas concentrações. Quando houver este processo na reação sendo ela reversível pode-se dizer que o equilíbrio é um equilíbrio dinâmico. 33UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 33UNIDADE II Equilíbrio Químico Ainda analisando-se graficamente pode-se observar na figura abaixo que a con- centração dos produtos e reagentes são em função do tempo: FIGURA 2 – CONCENTRAÇÃO DOS PRODUTOS E REAGENTES EM FUNÇÃO DO TEMPO EM REAÇÕES REVERSÍVEIS Fonte: Adaptada de: (RUSSEL, 1994). Pode-se observar no gráfico abaixo que a concentração do reagente é máxima, quando se inicia a reação e que diminui com o decorrer da reação até ficar constante, enquanto que a concentração do produto é mínima ou zero no início da reação e aumenta com o decorrer da reação, conforme os reagentes formam os produtos passar do tempo até ficar constante, ou seja, até atingir o equilíbrio (UCKO, 1992; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). FIGURA 3 – RELAÇÃO DO REAGENTE E PRODUTOS EM FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO EM DECORRER DA REAÇÃO Fonte: Adaptada de: (RUSSEL, 1994). A relação de concentração de reagentes e produtos em um estado de equilíbrio químico pode ser representadas de 3 maneiras conforme gráficos abaixo: 34UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 34UNIDADE II Equilíbrio Químico FIGURA 4 - CONCENTRAÇÃO DOS PRODUTOS MAIOR QUE OS REAGENTE Fonte: Adaptada de: (RUSSEL, 1994). FIGURA 5 - CONCENTRAÇÃO DOS REAGENTES MAIOR QUE OS PRODUTOS Fonte: Adaptada de: (RUSSEL, 1994). FIGURA 6 - CONCENTRAÇÃO DOS REAGENTES E PRODUTOS SÃO IGUAIS Fonte: Adaptada de: (RUSSEL, 1994). Pode-se observar a reação da água entrando em equilíbrio conforme abaixo: Representação de uma equação química em estado de equilíbrio químico, iodeto de chumbo: 35UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 35UNIDADE II Equilíbrio Químico 1.1 Características do equilíbrio Propriedades macroscópicas permanecem constantes como: 9 Cor; 9 Estado Físico; 9 Volume; 9 Densidade. As concentrações das substâncias envolvidas no equilíbrio químico permanecem constante, isto permite caracterizar o equilíbrio por meio de constantes com a relação entre os reagentes e produtos. - As velocidades diretas (v1) e indireta (v2) permanecem constantes (UCKO, 1992; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 1.2 O princípio de Le Chatelier O químico francês Henri Le Chatelier (1850-1936) em 1888, descobriu particulari- dades a respeito do comportamento do sistema em equilíbrio e seu enunciado é da seguinte maneira. “Quando um sistema em equilíbrio são submetidos a uma perturbação qualquer sendo ela exterior, este o sistema responderá de forma a minimizar ou reduzir o efeito desta perturbação e reestabelecer o equilíbrio com um novo conjunto de condições”. Pode-se dizer que alguns fatores podem influenciar no equilíbrio e deslocar, ou seja, alterar a diferença nas velocidades das reações direta e inversa (v1 ou v2), e, consequen- temente, mudar as concentrações das substâncias (reagentes ou produtos),até que um novo estado de equilíbrio seja atingido, ou seja, velocidades e concentrações constantes. Quando em um novo equilíbrio, a concentração dos produtos for maior que a concentra- ção inicial, pode-se dizer que houve deslocamento para a direita, ou seja, no sentido de formação dos produtos, já que velocidade v1 foi maior que velocidade v2, conforme ilustra a equação abaixo: Reagentes Produtos No entanto o inverso também pode acontecer, se a concentração dos reagentes for maior do que os produtos, houve deslocamento para a esquerda, ou seja, no sentido de formação dos reagentes), já que v2 (velocidade dos produtos para reagentes) foi maior que v1: 36UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 36UNIDADE II Equilíbrio Químico Reagentes Produtos Quando houver uma perturbação do sistema em equilíbrio aplica-se o princípio, assim alguns fatores podem influenciar e deslocar o equilíbrio químico, que são: (UCKO, 1992; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). a) Concentração; b) Temperatura; c) Pressão. 9 Concentração: Quando um sistema em equilíbrio for modificado pelas concentrações das subs- tâncias envolvidas, sendo elas reagentes ou produtos, a velocidade da reação também será alterada sendo diretamente proporcional à esta concentração desta substância (sendo reagentes ou produtos), ou seja, a velocidade em um dos sentidos (v1 ou v2) da reação será maior, consequentemente este equilíbrio será deslocado para o lado que permitirá que novamente estas velocidades se igualem. Alterando as concentrações das substâncias e mantendo o equilíbrio, ou seja, a mudança nas concentrações sendo adição vai ao contrário da substancia adicionada. 2 CO(g) + O2(g) 2 CO(g) O aumento na concentração de CO ou O2 o equilíbrio desloca-se para a direita. Porém ao contrário também pode afetar o sistema, ou seja, uma substância pode ser retirar da reação e afetar este sistema. Quando acontecer, neste caso a velocidade da reação tende a se deslocar para o mesmo lado que a substância retirada conforme exemplo abaixo: 2 CO(g) + O2(g) 2 CO(g) A diminuição na concentração de CO ou O2 o equilíbrio desloca-se para a esquerda. (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 37UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 37UNIDADE II Equilíbrio Químico 9 Temperatura As reações químicas ocorrem geralmente ocorrem com variação de calor ou entalpia: 9 Exotérmicas: Reações que liberam calor 9 Endotérmicas: Reações que absorvem calor. O equilíbrio pode ser deslocado no caso de um aumento ou diminuição da tempera- tura. Quando houver um aumento na temperatura, esta mesma será deslocada no sistema no sentido endotérmico (ΔH >0), quando houver uma diminuição da temperatura deslocará o equilíbrio no sentido exotérmico (ΔH < 0). Exemplo: N2 + 3 H2 2 NH3 ΔH = – 26,2 kcal A reação representada é exotérmica, está perdendo calor para o meio de acordo com sua entalpia (ΔH <0) Portanto na figura acima se: ● Aumentar a temperatura deslocará o equilíbrio o sentido endotérmico (Esquerda). ● Diminuir a temperatura, deslocará o equilíbrio para o sentido exotérmico (direita). 9 Pressão A pressão pode influenciar o equilíbrio químico sendo que: 1. Aumentando a pressão deslocará o equilíbrio no sentido de menor volume gasoso. 2. Diminuindo a pressão desloca o equilíbrio no sentido do maior volume gasoso. Exemplo: Então se tiver uma alteração de volumes como exemplos abaixo terá o seguinte deslocamento do equilíbrio: 38UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 38UNIDADE II Equilíbrio Químico 9 Aumentando de pressão este equilíbrio será deslocado para menor volume (direita da reação). 9 Diminuindo a pressão, este equilíbrio tende a ser deslocado para maior volume (esquerda da reação). Alguns equilíbrios podem não serem afetados pela pressão: 9 Quando não houver diferença ou variação de volumes: 9 Quando reagentes e produtos não estão no estado no gasoso. CH3 – COOH(l) + CH3 – CH2OH(l) CH3COOC2H5(l) + H2O(l) Segue imagem com resumo dos fatores que podem interferir no equilíbrio. FIGURA 7 - FATORES Fonte: Adaptado de: (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005. 1.3 Constante de equilíbrio (Kc) A obtenção da constante de equilíbrio é a partir das concentrações em mol/L pode ser representada a partir da equação abaixo observem: 39UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 39UNIDADE II Equilíbrio Químico Extraindo os dados das reações pode se observar ou representar: Na reação da direita tem: v1 = K1 0· [A]a · [B]b Para a reação da esquerda ou inversa tem: v2 = K2 · [C]c · [D]d Na representação do equilíbrio tem-se v1 = v2 K1 · [A]a · [B]b = K2 · [C]c · [D]d Ou seja, produtos por reagentes elevados aos coeficientes estequiométricos con- forme abaixo: A relação é constante e denomina-se constante de equilíbrio em termos de concentração molar (Kc): Lembrando que na expressão de Kc só participam as substâncias que se encontram nas fases gasosa ou líquida. A constante de equilíbrio é tratada como um número puro, isto é, sem unidades. O valor de Kc depende da temperatura e quanto maior este valor de Kc, maior será o rendimento da reação (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). Exemplos de como expressar Kc Exemplo 1 2 SO3(g) 2 SO2(g) + O2(g) kc= [SO2] 2 .[O2] [SO3]2 Exemplo 2 N2 (g) + 3 H2 (g) 2NH3 (g) kc= [NH3]2 [N2].[H2]3 40UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 40UNIDADE II Equilíbrio Químico 2. EQUILÍBRIO IÔNICO Equilíbrio iônico é o termo utilizado quando aparece íons, sendo eles cátions (+) e ânions (-), em processos denominados ionização, quando ocorre com um ácido e dis- sociação com uma base. Pode-se observar abaixo esquema de ionização e dissociação (RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). De acordo com o conceito ácido-base de Arrhenius: BASES: se dissociam em água e produzem OH- ÁCIDOS: se ionizam em água e produzem H30+ ou (H+) Pode-se observar abaixo esquema de ionização ácido. HA H+ + A- HCN + H20 H+ + CN- Pode-se observar abaixo dissociação de bases: BOH B+ + OH- NH4OH NH4+ + OH- 41UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 41UNIDADE II Equilíbrio Químico 2.1 Constante de equilíbrio ácida (Ka) e constante de equilíbrio de basicidade (Kb) 2.1.1 Constante de acidez (Ka) Como acontece em qualquer equilíbrio as constantes são definidas com K, quando se tratar de um equilíbrio iônico de um ácido é representado por Ka, onde quanto maior o Ka maior será a forca ácida. Reação ilustrando a ionização: HCN + H20 H+ + CN- Sua constante é representada: Quanto mais ionizado for o ácido (maior o Ka) maior será sua forca ácida, inverso também acontece diretamente à forca quanto menor Ka mais fraco é o ácido. Como a água não interfere na ionização, pois sua concentração é constante, não entra na constante (VOGEL, 1981; SKOOG, 2010; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 2.1.2 Constante de basicidade (Kb) Um equilíbrio iônico que envolve o processo de dissociação de uma base é definido e representado por Kb, no qual quanto maior este Kb maior será a forca básica, conforme a figura abaixo. NH4OH NH4+ + OH- Sua constante é representada: Quanto mais dissociado for a base (maior o Kb) maior será sua força básica, inverso também acontece diretamente a força quanto menor Kb mais fraco ‘é a base. 2.2 Equilíbrio iônico da água (Kw) Na água acontece o processo de equilíbrio chamado de autoionização da água, esta constante é chamada de produto iônico da água ou representado por Kw (w refere-se à água, cujo em inglês se diz water), conformeilustrado na figura abaixo: H2O H+ + OH- 42UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 42UNIDADE II Equilíbrio Químico Sua constante é representada por produto iônico da água ou Kw conforme reação abaixo: Como a água uma substância pura e sua concentração não altera e é constante não entra na representação conforme reação abaixo de Kw: Água pura as concentrações de H+ e OH- são iguais por isso considera a solução como neutra então pode-se considerar que as concentrações dos íons na autoionização da água seja: H+ = 1.10-7 mol/L OH- = 1.10-7 mol/L Como posteriormente veremos que pH vai até 14 podemos escrever Kw como: Kw= 1.10-7 x 1.10-7 Ou Kw = 1.10 -14 Como pode-se observar na reação acima de Kw, pode-se dizer que as quantidades de H+ e de OH- na água pura serão iguais meio neutro, porém dependendo do meio que se encontrar estas concentrações podem ser distintas, o que pode-se caracterizar meios como ácidos, básicos ou neutros de acordo com sua escala de pH e concentração dos íons men- cionados (VOGEL, 1981; SKOOG, 2010; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). Meio neutro: Concentração de H+ igual de OH- Meio ácido: Concentração de H+ maior que OH- Meio básico: Concentração de H+ menor que OH- 43UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 43UNIDADE II Equilíbrio Químico 3. ESCALA DE pH E pOH Conforme mencionado anteriormente a acidez ou basicidade de uma solução depende da concentração do íon hidrogênio (H+) ou hidroxila (OH-). Uma maneira de de- terminar e/ou expressar a acidez ou basicidade de uma solução e a chamada escala de pH (VOGEL, 1981; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). FIGURA 8 - ESCALA DE PH DE 0 A 14 Fonte: O autor (2021) pH neutro: Um pH no valor de 7 representa um meio neutro, em que H+ e OH concentrações iguais. pH ácido: Um pH no valor abaixo de 7 representa um meio ácido, e conforme diminui este valor cresce a força ácida, portanto quanto maior a concentração de íons H+, maior será sua forca. Este meio tem maior concentração de H+ em relação a OH- pH básico: Um pH no valor acima 7, no qual a concentração de OH- e maior que H+, onde a forca básica também é representada em escala crescente de pH, ou seja, quanto maior pH maior forca básica. 44UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 44UNIDADE II Equilíbrio Químico FIGURA 9 - ESCALA DE pH TABELA 1 - ESCALA DE pH DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS Ácido de bateria 1 Suco gástrico 1,6 a 2,0 Vinagre 3,0 Água com gás 4,0 Saliva humana 6 a 7 Sangue humano 7,35 a 7,45 Bicarbonato de sódio 8 Hidróxido de magnésia 10 Hidróxido de sódio 14 Fonte: (VOGEL, 1981; SKOOG, 2010; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). FIGURA 10 - pH DE SUBSTÂNCIAS COTIDIANAS Fonte: (NELSON, 2014). 45UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 45UNIDADE II Equilíbrio Químico A partir da escala de pH e autoionização da água 25ºC, pode-se definir que a con- centração de H+ e OH- são iguais portanto equivale a 1.10-14 conforme a figura abaixo. [H+]. [OH-] = 1,0.10 -14 Aplicando-se o log na expressão acima pode-se calcular o pH como pOH: Potencial hidrogeniônico pH= -log [H+] Potencial hidroxiliônico pOH= -log [OH-] Exemplo de como utilizar a expressão de cálculo de pH Exemplo 1: Determinar o pH da solução de HCl 0,001 mol.L-1. Solução: Como pH= -log [H+] Temos pH= -log [0.001] pH = - (log 0.001) pH = - (-3) pH = 3 Como o pH e pOH somando tem igual a 14, pode-se calcular qualquer uma das variáveis a partir da expressão abaixo: pH + pOH = 14 Exemplo 2: Considerando que o suco de laranja apresente [H+] = 1,0.10-4 mol/L. Como deter- minar a concentração molar dos íons H+ e pOH presentes nesse suco. 46UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 46UNIDADE II Equilíbrio Químico Solução: pH = -log [H+] pH = - log [1,0.10-4] pH = 4 pH + pOH = 14 4 + pOH = 14 pOH = 14 – 4 pOH = 4 Então podemos ter uma ideia de concentração de H+ ou OH- a partir do pH conforme exemplos abaixo: Meio neutro: [H+] = 1,0 . 10-7 mol/L pH = 7 [OH-] = 1,0 . 10-7 mol/L pOH = 7 Meio ácido: [H+] > 1,0 . 10-7 mol/L pH < 7 [OH+] < 1,0 . 10-7 mol/L pOH > 7 Meio básico: [H+] < 1,0 . 10-7 mol/L pH > 7 [OH-] > 1,0 . 10-7 mol/L pOH < 7 Outra variável para cálculo de pH é entender que a concentração de H+ é igual a 10-pH mol/L. [H+] =10 -pH O mesmo serve para pOH e íons OH- OH- = 10 –pOH Segue alguns exemplos: Água pura: pH = 7, e [H+] =10-7 mol / L. Vinagre: pH = 3 e [H+] = 10-3 mol / L. Hidróxido de amônia: pH = 12 e [H+] =10-12 mol / L. Ácido clorídrico pH = 1,0 e [H+] =10-1 mol / L. 47UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 47UNIDADE II Equilíbrio Químico Alguns exemplos de cálculos de pH e pOH a partir de concentrações: Exemplo 1: Uma solução que possui pH igual a 5 terá a [H+] e a [OH-] igual a? Solução: [H+] = 10-pH [H+] = 10-5 mol/L Como: pH + pOH = 14 5 + pOH = 14 pOH = 9 [OH-] = 10-9 mol/L Fonte: (VOGEL, 1981; SKOOG, 2010; RUSSEL, 1994; FELTRE, 2004; FELTRE, 2005). 48UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 48UNIDADE II Equilíbrio Químico SAIBA MAIS Algumas substâncias inorgânicas são classificadas como ácidos ou como bases (antiá- cidos) e estão presentes no nosso cotidiano: nos alimentos, no nosso organismo e no meio ambiente, fármacos. Os eletrólitos como ácidos e as bases fracas quando solubi- lizados em água, dissociam ou ionizam-se, estabelecendo-se um equilíbrio reversível entre as espécies não dissociadas e os seus íons. Esta reação reversível é possível o sistema estabelecer um equilíbrio químico. Baseado nas respectivas constantes de ioni- zação é possível comparar a força dos ácidos e bases, sendo diretamente proporcional ao valor de Ka e Kb respectivamente. No equilíbrio ácidos e bases então envolvidos fenômenos como a hidrolise. A hidrólise baseia-se na decomposição dos íons de uma substância por intermédio dos íons da água. Os sais são substâncias que apresentam com maior este fenômeno. Sais são compostos iônicos que podem ser formados pela reação entre um sal e uma base ou um ácido e uma base chamada de reação de neu- tralização. Alguns estudos demonstram que as soluções de sais em água podem ser neutras [H+] = [OH-]), ácidas ([H+] > [OH-]) ou básicas ([H+] < [OH-]). Outro fenômeno importante neste equilíbrio é o efeito tamponante de algumas espécies. As soluções tampões são formadas por um ácido fraco e um sal do mesmo ácido fraco obtido pela reação com uma base forte. Estas soluções não sofrem variações bruscas de pH. Não evitam totalmente a variação, mas podem minimizar seus efeitos. São formadas por um ácido fraco e um sal do mesmo ácido fraco obtido com uma base forte. Fonte: FORTE, C. M. S.; PACHECO, L. C. M.; QUEIROZ, Z. F. Química Analítica I. Universidade Esta- dual do Ceará – UECE (2019). Disponível em: https://educapes.capes.gov.br/handle/capes/552887. Acesso em: 14 mar. 2022. https://educapes.capes.gov.br/handle/capes/552887. 49UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 49UNIDADE II Equilíbrio Químico REFLITA A compreensão do tema equilíbrio químico é fundamental formação de parte desem- penham em papel importante em muitos processos industriais. Trata-se de como as reações químicas se passam a nível molecular. Conceito simples para entendimento de outros como comportamento ácidos/bases e reações de oxido-redução. Fonte: TITTON, L. A. Jogos de empresas: decisões de carteiras em um jogo de bancos. Dissertação (Mestrado) Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo. Orientadora Irene Kazumi Miura. Ribeirão Preto, 2006. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/81/81132/tde-03122014-153925/publico/Juliana_do_Nasci-mento_Gomes.pdf. Acesso em: 30 nov. 2021. https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/81/81132/tde-03122014-153925/publico/Juliana_do_Nascimento_Gomes.pdf https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/81/81132/tde-03122014-153925/publico/Juliana_do_Nascimento_Gomes.pdf 50UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 50UNIDADE II Equilíbrio Químico CONSIDERAÇÕES FINAIS Estamos finalizando a segunda unidade do livro didático de química analítica. Assim torna-se importante salientar algumas discussões que foram propostas. Nossas discussões se iniciaram com os tópicos introdução ao equilíbrio químico, como alguns pontos abordados dentro deste tópico como constante de equilíbrio, fatores que influenciam neste equilíbrio como, temperatura, pressão e concentração. Estes tópicos foram abordados alguns conceitos primordiais para a sequência da unidade II. E ao se tratar desta abordagem inicia-se a discussão do próximo tópico da Unidade II, intitulado Equilíbrio iônico. Aqui, procurei abordar conceitos de dissociação e ionização, básica e ácida respectivamente, assim como suas forças. Neste tópico foi abordado a cons- tante de equilíbrio iônica para um ácido chamado de Ka e constante de equilíbrio iônica para bases chamada Kb. Assim como a constante de autoionização da água representado por Kw, tópicos de extrema importância para próximo passo de abordagem. Para finalizar, nesta unidade foram apresentados como diferenciar uma escala de acordo com seu pH e pOH, sendo o meio neutro, alcalino ou ácido e alguns exemplos de soluções cotidianas e seus respectivos pH, assim como diferenciar as concentrações de íons [H+] e [OH-]. Também pode-se aplicar a escala logarítmica para calcular a concentra- ção dos íons citados, assim como seu pH e pOH. Essa unidade tem o intuito de prepará-lo (a), caro aluno (a) para o assunto que será tratado nas próximas unidades. Passemos, então, à unidade III. 51UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 51UNIDADE II Equilíbrio Químico LEITURA COMPLEMENTAR Caro (a) aluno (a) para entender um pouco mais sobre a unidade II, leia o artigo abaixo: Sugestões de leitura: “De Svante Arrhenius ao Peagâmetro Digital: 100 Anos de Medida de Acidez” Química Nova, 30, 2007, 232-239. Fonte: GAMA, M. S.; AFONSO, J. C. De Svante Arrhenius ao Peagâmetro Digital: 100 Anos de Medida de Acidez. Química Nova. v. 30, n. 01, p. 232-239, 2007. Disponível em: http://static.sites.sbq.org.br/ quimicanova.sbq.org.br/pdf/Vol30No1_232_37-AG05151.pdf. Acesso em: 17 nov. 2021. http://static.sites.sbq.org.br/quimicanova.sbq.org.br/pdf/Vol30No1_232_37-AG05151.pdf http://static.sites.sbq.org.br/quimicanova.sbq.org.br/pdf/Vol30No1_232_37-AG05151.pdf 52UNIDADE I Fórmulas e Equações Químicas, Soluções Aquosas de Substâncias Inorgânicas 52UNIDADE II Equilíbrio Químico MATERIAL COMPLEMENTAR LIVRO Título: Química geral vol 1 e 2 Autor: John Russel. Editora: Pearson. Sinopse: O autor abrange as áreas da química geral com comen- tários adicionais o que vai manter a atenção do leitor, sendo que este traz inúmeras aplicações para a indústria. O autor descreve diversos conceitos usando uma linguagem simples, coloquial e diferente e apresentando-os de um ponto de vista alternativo. Visando facilitar o aprendizado, o texto oferece no final de cada capítulo, resumos e problemas, comentários adicionais, glossário de termos, exemplos e problemas paralelos, além da revisão dos conteúdos dentro dos capítulos. FILME / VÍDEO Título: Morte no Everest Ano: 2015. Sinopse: É baseado em fatos reais. Mostra a dificuldade de alpi- nistas em lidar com a pressão atmosférica e a falta de equilíbrio químico entre a hemoglobina e o oxigênio. 53 Plano de Estudo: ● Teoria clássica das reações: ácido/básico (neutralização); ● Reações de precipitação; ● Reações de complexação; ● Reações de oxido-redução. Objetivos da Aprendizagem: ● Conceituar e contextualizar a teoria clássica das reações, conceitos de ácido e base de Bronsted Lowry, Arrhenius e Lewis, reação de neutralização, indicadores; ● Compreender as reações de precipitação e solubilidade de sais; ● Determinar conceitos de complexos, classificação, formação, ligantes e coordenadas de complexos; ● Definir as reações de oxido redução, número de Nox, e regras para cálculo de Nox; ● Compreender conceito de agente redutor e agente oxidante. UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido/Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução Professor Dr. Gustavo Meireles Costa 54UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução INTRODUÇÃO Neste tópico será abordado a importância do da teoria das reações e seus conceitos principais de ácido e base de acordo com Bronsted Lowry, Arrhenius para ter um entendimento das reações de neutralização, que nada mais é, que uma reação que acontece entre um ácido e uma base formando sal e água. Esta reação é bem frequente no cotidiano, um exemplo prático é a hiperacidez estomacal sendo neutralizada por antiácido, uma base. Exemplos no cotidiano de pode ser aplicáveis as reações de neutralização, como no preparo de uma limonada, limão possui acidez, sedo considerado um ácido, o que pode fazer para diminuir o gosto azedo do suco, é adicionar base ou um sal básico, uma substancia comum utilizado como antiácido em farmácias o Bicarbonato de sódio (NaHCO3) ele neutraliza a ação do ácido. Ainda daremos enfoque as outras reações existentes com a de precipitação, em que um dos sais reage formando um produto insolúvel em água, consequentemente preci- pitando, sendo que os cátions e ânions já possuem sua característica de solubilidade. Adentrando ainda mais ao mundo das reações, o próximo passo são as reações de complexação, onde um metal central é rodeado por ligantes, geralmente a água, e podendo ocasionar esta reação onde este se denomina íon complexo, sendo classificados de acordo com sua carga e número de coordenadas. E para finalizarmos as reações de oxido redução, onde uma substancia irá oxidar perdendo elétrons e aumentando seu Nox e a outra substancia da reação irá reduzir, ga- nhando elétrons e diminuindo seu Nox. Reações bem comuns também como no cotidiano a oxidação de ligas metálicas, corrosão por substancias ácidas, formação de cloreto de sódio, entre outras. 55UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução 1. TEORIA CLÁSSICA DAS REAÇÕES: ÁCIDO/BÁSICO (NEUTRALIZAÇÃO) 1.1 Introdução a teoria clássica das reações Conforme abordado na unidade II, uma breve introdução sobre ácidos e bases, de- vemos levar em consideração deve ter o conhecimento dos ácidos e bases são as chamadas “teorias” de ácido-base, nada mais é que conceitos de ácidos ou de bases empregados para identificar determinadas substancias e suas propriedades ao longo do tempo. Os objetivos na apresentação dentre várias definições distintas, é dar enfoque ao estudante na direção de uma atitude da importância deste tema ácidos e bases, o que dará ao mesmo um direciona- mento para realizar e tomar várias decisões em relação a químicas, seja solução aquosa de íons, reações orgânicas ou inorgânicas, reações de precipitação ou de oxirredução, titulações não aquosas ou qualquer outra, principalmente de neutralização amplamente usada. A palavra ácido tem sua origem do latim acidus, que significa azedo ou adstringente. Sendo inicialmente para referenciar ao vinagre, fabricado desde os primórdios das primeiras civilizações mediante a fermentação de sucos de frutas, amplamente utilizado a uva, na produção de vinho, nele contido o álcool etílico. Quando se deixa “azedar” o vinho, tem a for-mação do vinagre, sendo uma solução aquosa (água) diluída de ácido acético (CH3COOH). Por outro lado, as bases, possuem sabor amargo e dão a impressão de serem escorregadias, como o sabão. A palavra base vem do inglês arcaico debase, que significa rebaixar, signifi- cando abaixar o valor de alguma coisa, por outro lado, a palavra álcali é proveniente do árabe al-qali, que significa cinzas de plantas (RUSSEL, 1994; SOLOMONS, 1996). 56UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução Ácidos e bases podem ser classificados e identificados, por uma série de reações químicas específicas. Mais comumente ácidos e bases podem ser classificados de acordo com a teoria de Arrhenius (1884), Bronsted-Lowry (1923) ou de Lewis (1923) (RUSSEL, 1994; SOLOMONS, 1996). 1.2 Conceito de ácido e base conforme Arrhenius De acordo com Arrhenius, sua definição se dá que um ácido é uma substância contendo hidrogênio que produz íons H+(aq) em solução aquosa, portanto a partir da subs- tancia origina íons H+(aq) e Bases são substâncias que produz íons OH−(aq), em solução aquosa, portanto em solução estas substâncias originam íons OH−(aq), (RUSSEL, 1994). Posteriormente, estes conceitos passaram a ser expressos da seguinte maneira: Ácidos de Arrhenius: são substâncias que solubilizadas e/ou dissolvidas em água, tendem a aumentar a concentração de íons H+. Bases de Arrhenius: são substâncias que solubilizadas e/ou dissolvidas em água, aumentam a concentração de íons OH- (RUSSEL, 1994; SOLOMONS, 1996). Como pode ser observado nas reações abaixo o ácido clorídrico HCl e o hidróxido de sódio NaOH neste caso, respectivamente, pode-se dizer que nesta reação tem um ácido (HCl) e uma base (NaOH) de Arrhenius, pois, ocorrem os processos de as dissociações/ ionizações iônicas quando se adiciona um volume de água (RUSSEL, 1994). HCl(aq) H+(aq) + Cl − (aq) NaOH(aq) Na+(aq) + OH − (aq) Segue mais alguns exemplos de ácidos e bases de Arrhenius HBr(aq) H+(aq) + Br− (aq) KOH(aq) K+(aq) + OH− (aq) 57UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução A definição de Arrhenius limita muita um comportamento das substancias ácido e base em uma solução aquosa. Para abranger, novos conceitos foram surgindo dentre eles um em especial foi formulado por Bronsted e Lowry (VOGEL, 1981; RUSSEL, 1994; SOLOMONS, 1996). 1.3 Definição de Brønsted–Lowry. Johannes Brønsted (1879-1947) e Thomas Lowry (1874-1936) ampliaram a defi- nição tornando-a mais geral de ácidos e bases, sendo essa amplamente conhecida como Teoria de Bronsted-Lowry de ácidos e bases, a qual teve como suporte a transferência de íons H+ de uma substância para outra. Ácidos de Brønsted-Lowry: São substâncias (moléculas ou íons) que podem doar um próton (H+) para outra substância. Bases de Brønsted-Lowry: São substâncias que podem receber um próton. O conceito de Brønsted-Lowry torna-se mais amplo ou abrangente, podendo este ser aplicado a qualquer reação que envolva transferência de prótons, inclusive soluções aquo- sas. Porém devemos prestar atenção para o fato de que os químicos usam H+(aq) e H3O+(aq) para representar a mesma coisa, ou seja, o próton hidratado o qual é responsável pelas propriedades características das soluções aquosas de ácidos. Entretanto, também devemos ter em mente que o íon H3O+ é a representação mais correta, uma vez que o íon hidrônio formado é produto da reação da água com um H+ (RUSSEL, 1994; SOLOMONS, 1996). Como exemplos, podemos analisar as reações de transferência de próton que se seguem: FIGURA 1 - ÁCIDOS E BASES DE BRØNSTED-LOWRY Fonte: (SOLOMONS, 1996). 58UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução Par conjugado de Brønsted-Lowry são espécies químicas que se diferem apenas por 1 próton, H+, sendo denominados assim. Como podemos observar na figura acima, as espé- cies HCl e Cl- formam um par conjugado e o mesmo acontece com H3O+ e H2O. Em um par conjugado quanto mais forte for o ácido, mais fraca será sua base conjugada e, ao contrário também acontece, quanto mais forte será sua base, mais fraco será seu ácido conjugado. Na figura acima podemos observar que o ácido HCl reage, formando a base Cl-. Estas duas substâncias estão relacionadas entre si pela perda ou pela aquisição de um simples próton (H+) e constituem um par ácido-base conjugado. Pode-se dizer que o Cl- é a base conjugada do ácido clorídrico HCl e, do mesmo modo, HCl é o ácido conjugado da base Cl-. Na reação acima também pode-se observar que H2O e H3O+ formam um par conjugado. A água é a base conjugada do H3O+ e, o H3O+ é o ácido conjugado do H2O. Na reação abaixo ainda podemos relacionar que o HCl e H3O+ são ácidos de Brønsted-Lowry, pois doam um próton e o inverso também acontece, Cl- e H2O são bases, pois recebem um próton. FIGURA 2 – REPRESENTAÇÃO DE ÁCIDO E BASE DE BRONSTED-LOWRY Fonte: (SOLOMONS, 1996). Exemplo abaixo de ácido e base de Bronsted-Lowry, no qual a amônia, NH3, é uma base de Brønsted–Lowry porque em solução aquosa ela recebe um próton da H20, sendo que esta atua como ácido: NH3(aq) + H2O(l) NH4(aq) + OH- (aq) base ácido Ácido base Os pares ácido/base conjugados na reação acima são: NH4+/ NH3 e H2O / OH−. 59UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução 1.4 Conceito de Lewis O conceito de Lewis define um comportamento ácido-base em termos com caráter mais físicos, baseados em propriedades dos sistemas eletrônicos de átomos e moléculas. Primordial para entendimento dos conceitos de ácidos e base de Lewis é a capacidade de doação ou recepção de par de elétrons (RUSSEL, 1994; SOLOMONS, 1996). A definição de Lewis (SOLOMONS, 1996): Ácido: é uma espécie capaz de receber par de elétrons. Base: é uma espécie capaz de doar par de elétrons. Alguns exemplos de reações ácido-base de Lewis são apresentados a seguir: A amônia (NH3) tem um par de elétrons não compartilhado no qual é compartilhado com a substancia BF3 conforme abaixo: FIGURA 3 – REPRESENTAÇÃO DE ÁCIDO E BASE DE LEWIS Fonte: (RUSSEL, 1994). Um segundo exemplo na reação abaixo, a molécula de amônia (NH3) tem um par de elétrons não compartilhado, o qual é compartilhado entre o íon H+ e NH3, formando uma ligação NH3-H, dando origem ao íon amônio (NH4+). H+ + NH3 → NH4+ Ácido base 1.4 Indicadores ácidos-básico De acordo com a unidade II, ácido e bases possuem valores em uma escala de pH, sendo que ácidos < 7 e bases > 7, relembrando a escala, podemos dizer que são espécies químicas adicionadas a solução ou substância em determinado meio, tem a capacidade de mudança física ou química (apresentam colorações diferentes dependendo da solução (VOGEL, 1981; RUSSEL, 1994; SKOOG et al., 2010). Então por definição: 60UNIDADE III Teoria Clássica das Reações: Ácido / Básico (Neutralização), Reações de Precipitação, Reações de Complexação e Reações de Óxido-Redução São compostos com uma propriedade física (normalmente a cor) que muda abrup- tamente. Portanto, essas perturbações podem causar alterações na aparência do indica- dor, tais como: aparecimento ou desaparecimento de cor, alteração de cor, aparecimento ou desaparecimento de turbidez, com isso indicando uma substância ácida ou básica de acordo
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