Aula 08 - produto iônico da água pH e pOH, solução tampão

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Produto iônico da água pH e pOH, 
Solução Tampão
Prof. Dr. Antony Barbosa
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Equilíbrio iônico da água
• um caso muito particular de equilíbrio químico é o equilíbrio 
iônico da água;
• a água sofre autoionização, mas, como é um eletrólito muito 
fraco, estabelece o equilíbrio abaixo:
2 H2O(ℓ) ⇄ H3O
+
(aq) + OH
-
(aq)
ou simplesmente:
H2O(ℓ) ⇄ H
+
(aq) + OH
-
(aq)
H20 (l) H+ (aq) OH- (aq)
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
• A constante de equilíbrio é expressa da seguinte forma:
Kw = [H
+].[OH-]
• Em que:
– Kw: produto iônico da água (a letra w vem de water, água em inglês);
– [H+], [OH-]: concentrações molares dos íons envolvidos.
• Como qualquer constante de equilíbrio, seu valor varia apenas 
com a temperatura.
C)25º (a 101,0]][OHO[HK
]][OHO[HO][HK
O][H
]][OHO[H
K
14-
3w
3
2
2eq
2
2
3
eq
==
=
=
−+
−+
−+
Equilíbrio iônico da água:
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Produto iônico da água
• A 25°C, em água pura, temos:
[H+] = [OH-] = 10-7 mol/L 
• Assim sendo:
Kw = [H
+].[OH-] = 10-14
)()(3)(2)(2 aqaqll OHOHOHOH
−+ +⎯→+
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Produto iônico da água
• Tipos de soluções (a 25°C)
a) Água pura (solução neutra):
[H+] = [OH-] = 10-7 mol/L
b) Solução ácida:
[H+] > 10-7 mol/L
[OH-] < 10-7 mol/L
c) Solução básica (alcalina):
[H+] < 10-7 mol/L
[OH-] > 10-7 mol/L
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QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Escala de pH
• Sabemos que, em água pura, estabelece-se o 
equilíbrio abaixo:
H2O(ℓ) + H2O(ℓ) ⇄ H3O
+
(aq) + OH
-
(aq)
• Na maioria das soluções aquosas, temos:
0 < [H+] < 1 mol/L
• A escala de pH foi definida de modo a expressar 
essas concentrações:
pH = -log[H3O
+]= -log[H+]
pOH = -log[OH-]
– Água neutra (25°C)→ pH = pOH = 7,0
– Sol. ácidas, [H+] > 1,0 x 10-7 → pH < 7,0
– Sol. básicas, [H+] < 1,0 x 10-7 → pH > 7,0
• Em água (a 25°C), temos:
pH + pOH = 14
Alguns valores comuns de pH
Substância pH
Ácido de bateria <1.0
Suco gástrico 2.0
Suco de limão 2.4
Cola (refrigerante) 2.5
Vinagre 2.9
Suco de laranja ou maçã 3.5
Cerveja 4.5
Café 5.0
Chá 5.5
Chuva ácida <5.6
Saliva de pacientes com cancro 4.5-5.7
Leite 6.5
Água pura 7.0
Saliva humana 6.5-7.4
Sangue 7.34-7.45
Água do mar 8.0
Sabonete de mão 9.0-10.0
Amônia caseira 11.5
Cloro 12.5
Hidróxido de Sódio caseiro 13.5
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Como medir o pH de soluções aquosas?
• O método mais preciso (exato) é usar um medidor de pH (potenciômetro ou 
pHmetro);
• Entretanto, para processos em que não seja adequado usar o medidor de pH 
(uma reação com reagentes tóxicos, por exemplo) ou por simplicidade, são usados 
frequentemente alguns corantes que mudam de cor em diferentes faixas de pH 
(indicadores), que são menos precisos (menos exatos) que os medidores de pH.
Imagens da esquerda para a direita: (A) Matylda Sęk/ GNU Free Documentation License. (B) Bordercolliez/ 
Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication
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Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Ácidos fortes
• os ácidos fortes mais comuns são 
HCl, HBr, HI, HNO3, HClO3, HClO4
e H2SO4;
• os ácidos fortes sofrem ionização
em solução aquosa:
HNO3(aq) +H2O(ℓ)→ H3O
+
(aq) + NO3
-
(aq)
HNO3(aq)→ H
+
(aq) + NO3
-
(aq)
• em solução, o ácido forte é 
geralmente a única fonte de H+. 
(Obs.: se a concentração do ácido for 
menor que 10-6 mol/L, a 
autoionização da água precisa ser 
considerada);
• assim, o pH da solução é dado 
pela concentração (em mol/L) 
inicial do ácido.
[HNO3]= [H
+] = 10-5mol/L → pH=5,0
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Bases fortes
• a maioria dos hidróxidos iônicos 
são bases fortes: NaOH, KOH e 
Ca(OH)2;
• as bases fortes sofrem 
dissociação em solução aquosa;
• o pOH (e, consequentemente, o 
pH) de uma base forte é dado 
pela concentração (molaridade) 
inicial da base;
(Obs.: Cuidado com a estequiometria)
• para um hidróxido ser uma base, 
ele deve ser solúvel;
• as bases não precisam conter 
necessariamente OH-:
O2-(aq) + H2O(ℓ) → 2 OH
-
(aq)
H-(aq) + H2O(ℓ)→ H2(g) + OH
-
(aq)
N3-(aq) + 3 H2O(ℓ) → NH3(aq) + 3 OH
-
(aq)
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Ácidos fracos
• os ácidos fracos são apenas 
parcialmente ionizados em 
solução;
• quanto maior Ka (constante de 
acidez) mais forte será o ácido, ou 
seja, mais íons estarão presentes 
no equilíbrio em relação às 
moléculas não ionizadas;
• para encontrar a molaridade do 
H3O
+
(aq) numa solução de ácido 
fraco, devemos levar em conta o 
equilíbrio:
HA(aq) + H2O(ℓ) ⇄ H3O
+
(aq) + A
-
(aq)
(M-x) x x
• resolvendo em x essa equação 
quadrática em que conhecemos 
M e Ka (tabelados), é possível 
determinar o valor de [H3O
+] = x
e, portanto, o pH da solução do 
ácido fraco.
x-M
x
[HA]
]][A[H
[HA]
]][AO[H
K
2
3
a ===
−+−+
Imagem: Scott Bauer, USDA/ Public Domain
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Cálculo do pH para ácidos fracos
A partir de Ka:
• o pH fornece a 
concentração no equilíbrio 
de H+;
• sabendo Ka, podemos 
calcular [H+] e, 
consequentemente, o pH. 
Sigamos os seguintes 
passos:
– escreva a equação química 
balanceada, mostrando 
claramente o equilíbrio;
– escreva a expressão de 
equilíbrio e encontre o valor 
para Ka;
– anote as concentrações 
iniciais e no equilíbrio para 
TUDO (exceto para a água 
pura). Geralmente supomos 
que a variação na 
concentração de H+ é “x”;
– Substitua, na expressão da 
constante de equilíbrio, e 
resolva. Lembre-se de 
converter “x” em pH, se 
necessário.
x-M
x
[HA]
]][A[H
[HA]
]][AO[H
K
2
3
a ===
−+−+
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Cálculo do pH para ácidos fracos
A partir de  (grau de ionização):
•  relaciona [H+]eq com [HA]0;
• quanto maior , mais forte será o 
ácido;
•  para um ácido fraco diminui à 
medida que a molaridade da 
solução aumenta;
– para o ácido acético, por 
exemplo, o grau de ionização é 
bem menor que para uma 
solução de HCl.
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Bases fracas
• as bases fracas removem
prótons das substâncias,
existindo um equilíbrio
entre a base e os íons
resultantes:
NH3(aq) +H2O(ℓ)⇄NH4
+
(aq) +OH
-
(aq)
• a constante de dissociação 
da base, Kb, é definida 
como:
• Tipos de bases fracas:
– geralmente têm pares
solitários de elétrons ou
cargas negativas para
“atacar” os prótons;
– as bases fracas mais neutras
contêm nitrogênio;
– as aminas estão relacionadas
com a amônia com uma ou
mais ligações N-H
substituídas por ligações N-C;
– os ânions de ácidos fracos
também são bases fracas.
][NH
]][OH[NH
K
3
4
b
−+
=
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Propriedades das soluções salinas
• quase todos os sais são
eletrólitos fortes. Assim
sendo, esses sais existem
inteiramente como íons em
solução;
• as propriedades ácido-base
dos sais são uma
consequência da reação de
seus íons em solução;
• a reação na qual os íons
reagem com água,
produzindo H+ ou OH-, é
chamada hidrólise:
– ânions de ácidos fracos
sofrem hidrólise alcalina;
A– + H2O  HA + OH
–
– cátions de bases fracas
sofrem hidrólise ácida;
B+ + H2O  BOH + H
+
– ânions de ácidos fortes e
cátions de bases fortes
são neutros (não sofrem
hidrólise).
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Solução-tampão
• a maioria das soluções aquosas
se torna rapidamente mais ácida
(ou alcalina) pela adição de ácido
(ou base);
• uma solução-tampão usa o
princípio dahidrólise para tentar
manter o pH invariável quando a
ela são adicionados íons H+ ou
OH-. Essa propriedade é de
grande importância biológica.
Ex.: HCO3
-/H2CO3 e HPO4
2-
/H2PO4
3-
→ controlam o pH no 
sangue.
• cada solução-tampão atua em um
pH diferente;
• para calcularmos esse valor de
pH, a concentração do ânion do
sal ou a concentração do ácido
usamos a equação de Henderson-
Hasselbach:
[ácido]
sal] do [ânion
logpKapH
ou
sal] do [ânion
[ácido]
loglogK]log[H a
+=
−−=− +
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Indicadores de pH
• A primeira teoria sobre
indicadores de pH foi elaborada
por Wilhelm Ostwald (em 1894),
tendo como base a teoria da
dissociação eletrolítica iônica dos
indicadores.
• W. Ostwald é considerado o pai
da físico-química. Recebeu o
Nobel de Química de 1909 por
seu trabalho sobre catálise.
• Ele também desenvolveu um
processo de fabricação de ácido
nítrico por oxidação do amoníaco:
– 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O
– 2 NO + O2 → 2 NO2
– 3 NO2 + H2O → 2 HNO3(aq) + NO
Imagem: Autor desconhecido/ Disponibilizado pelo usuário Stefi/ 
United States Public Domain
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Indicadores de pH
• Para Ostwald, em sua “teoria
iônica dos indicadores”, os
indicadores são bases ou ácidos
fracos cuja cor das moléculas não
dissociadas difere da cor dos
respectivos íons;
• São substâncias químicas que
fornecem indicação visual
dependendo da acidez (pH) do
meio;
• São usados atualmente tanto em
solução aquosa quanto em outras
apresentações (papel indicador,
por exemplo).
Indicador
Intervalo de Viragem 
em unidades de pH
Mudança de cor de 
ácido para base
Alaranjado de metila 3,1 a 4,6
Vermelho para 
amarelo alaranjado
Verde de 
bromocresol
3,8 a 5,4 Amarelo para azul
Vermelho de metila 4,2 a 6,3
Vermelho para 
amarelo
Azul de bromotimol 6,0 a 7,6 Amarelo para azul
Vermelho de fenol 6,6 a 8,6
Amarelo para 
vermelho
Fenolftaleína 8,0 a 9,8
Incolor para 
vermelho
Timilftaleína 9,8 a 10,6 Incolor para azul
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Como os indicadores mudam de cor?
• Os indicadores de pH são, portanto, bases ou ácidos orgânicos fracos que 
possuem formas com cores diferentes dependendo do pH do meio;
• A coloração se dá graças a um rearranjo molecular causado pela variação 
do pH do meio, o que proporciona o surgimento ou desaparecimento dos 
grupos cromóforos (responsáveis pela cor).
HO OH
C
O
O
C
-O
C
O
OH
O O
Br
O
SO³
Br
OH
SO³
Br
O
Br
fenolftaleína
Forma ácida
incolor
Forma alcalina
Vermelho - violácea
H+
OH-
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Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Faixa de mudança de coloração
Imagem: Lilly_M/ GNU Free Documentation License
QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Exercícios de fixação
1. O estômago produz suco gástrico 
constituído de ácido clorídrico, 
muco, enzimas e sais. O valor de 
pH no interior do estômago 
deriva, principalmente, do ácido 
clorídrico presente. Sendo o 
ácido clorídrico um ácido forte, a 
sua ionização é total em meio 
aquoso, e a concentração de H+
em quantidade de matéria nesse 
meio será a mesma do ácido de 
origem. Assim, uma solução 
aquosa de ácido clorídrico em 
concentração 0,01 mol L-1 terá 
pH igual a:
a) 2
b) 4
c) 5
d) 7
e) 9
[H+] = 1,0 x 10-2 mol/L
pH = -log(1,0 x 10-2)
pH = 2,0
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QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Exercícios de fixação
2. O vinagre pode ser 
considerado uma solução 
de concentração 0,72 mol/L 
em relação ao ácido 
acético, cuja constante de 
ionização (Ka) é 1,8.10-5, a 
25°C. Determine:
a) o grau de ionização () 
do ácido nessa 
temperatura.
b) a concentração molar 
de íons H+ do vinagre.
Sabemos que Ka = M.2 e [H+] = M.
= 5 x 10-3 = 0,5%
b) [H+] = 0,72 x 0,005 = 3,6 x 10-3
mol/L
72,0
10.8,1
)a
5−
=
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QUÍMICA, 2º Ano
Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Exercícios de fixação
3. Uma área agrícola foi 
adubada com amônia, 
nitrato e fosfato de amônio. 
Na amostra das águas 
residuais da irrigação dessa 
área, verifica-se que a 
concentração de íons OH- é 
igual a 8.10-5 mol/L. Qual o 
pH da amostra?
(dados: log 8 = 0,9)
[OH-] = 8.10-5 mol/L
pOH = -log (8.10-5) = 5 – 0,9 = 4,1
pH + pOH = 14
pH = 14 – 4,1
pH = 9,9
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Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Exercícios de fixação
4. Considere certa quantidade de água e suco de limão, 
misturados, contida em um copo. Analise estas três afirmativas 
concernentes a esse sistema:
I. O sistema é ácido.
II. O pH do sistema é maior que 7.
III. No sistema, a concentração dos íons H+ é maior que a dos OH–.
A partir dessa análise, é CORRETO afirmar que
a) apenas as afirmativas I e II estão certas.
b) apenas as afirmativas I e III estão certas.
c) apenas as afirmativas II e III estão certas.
d) as três afirmativas estão certas.
e) nenhuma afirmativa está certa.
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Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão
Exercícios de fixação
5. Temos uma solução-tampão formada por ácido acético 0,10 M e 
acetato de sódio 0,10M . Dado pKa = 4,76.
a) Calcule o pH desta solução.
b) Calcule o pH da solução quando se adiciona 1 mL de NaOH 5 mol/L.
c) Calcule o pH da solução quando a 1 L dela se adiciona 1 mL de HCl 5 
mol/ L.