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1 •Balanço de Carga Princípio da eletroneutralidade no meio reacional [+]= [-] O somatório das concentrações de equilíbrio das espécies de carga positiva é igual ao somatório das concentrações de equilíbrio das espécies de carga negativa 2 Usando razão estequiométrica ou molar, responda a) Quantos mol de carga positiva (ou negativa) um cátion (ânion) fornece em solução ? b) Qual a concentração de cargas positivas (ou negativas) devido a um cátion (ânion) presente em uma solução? ? ? cátiondemoldenúmero )( cargademoldenúmero n n cátion )( Importante: Para saber os íons (positivos e negativos) que existem em solução é necessário escrever todas as reações químicas do sistema. ? ? âniondemoldenúmero )( cargademoldenúmero n n ânion (-) 3 ]3.[PO][n3.n 1 3 n n :POPara ]2.[SO][n2.n 1 2 n n :SOPara ][OH][nn 1 1 n n :OHPara ]3.[Al][3.nn 1 3 n n :AlPara ]2.[Ca][2.nn 1 2 n n :CaPara ][H][nn 1 1 n n :HPara 3 4POíoncarga POíon carga3 4 2 4SOíoncarga SOíon carga2 4 OHíoncarga OHíon carga 3 Alíoncarga Alíon carga3 2 Caíoncarga Caíon carga2 Híoncarga Híon carga 3 4 3 4 2 4 2 4 3 3 2 2 Dividindo ambos os lados por V Exercício resolvido em sala de aula 1)Na3PO4 C =4,3.10 -2 mol/L pH = 6,5 com HCl 2) H3PO4 C =4,3.10 -2 mol/L pH = 6,5 com NaOH Dados úteis: H3PO4 pKa1= p1,96 pKa2=7,13 pKa3=12,23 pKw=14 Em pH =6,5 0=2,326.10 -5; 1=0,8083; 2=0,1917 3=3,569.10 -7 Para as soluções 1 e 2: a) Reações b) Equação do Balanço de matéria c) Concentrações analíticas das espécies conjugadas de Bronsted d) Concentrações no equilíbrio das espécies conjugadas de Bronsted e) Equação do Balanço de carga f) Concentração analítica de ácido forte (ou base forte) para ajustar o pH do meio g) Concentração de equilíbrio de ácido forte (ou base forte) 5 H2O(l) ⇌ H+(aq) + OH-(aq) pKw=14 Na3PO4(s) → 3 Na+(aq) + PO43- H3PO4(aq) ⇌H+(aq) + H2PO4-(aq) pKa1= 1,96 H2PO4-(aq) ⇌H+(aq) + HPO42-(aq) pKa2=7,13 HPO42-(aq) ⇌H+(aq) + PO43-(aq) pKa3=12,23 Ajuste de pH: HCl(g) → H+(aq) + Cl-(aq) pKa=-6,2 1 A) Reações 2 A) Reações Ajuste de pH: 1)Na3PO4 C =4,3.10 -2 mol/L pH = 6,5 ajuste com HCl 2) H3PO4 C =4,3.10 -2 mol/L pH = 6,5 ajuste com NaOH 6 1 B e 2 B) Equação do Balanço de matéria dos pares ácido-base conjugados 1C e 2 C) Concentrações analíticas ou totais das espécies ácido-base conjugados em solução 1D e 2 D) Concentrações de equilibrio das espécies ácido-base conjugados em solução [H3PO4]=0CT = 2,33.10-5.4,3.10-2 mol/L =1,00.10-6mol/L [H2PO4-]=1CT = 0,8083.4,3.10-2 mol/L = 3,48.10-2 mol/L [HPO42-]=2CT = 0,1899.4,3.10-2 mol/L = 8,17.10-3 mol/L [PO43-]=3CT = 3,789.10-7.4,3.10-2mol/L = 1,63.10-8 mol/L mol/L 4,3.10 CCCCC -2 POHPOPOHPOH -34 -2 4 - 4243 mol/L 4,3.10 ][PO][HPO]PO[H]PO[HC 2- 3 4 2 44243 1e) Considerando que na solução inicial se partiu do sal da base conjugada +[Cl-] Para escrever o balanço de carga preciso de todas as reações: H2O(l) ⇌ H + (aq) + OH - (aq) pKw=14 Na3PO4(s) → 3 Na + (aq) + PO4 3- H3PO4(aq) ⇌H + (aq) + H2PO4 - (aq) pKa1= 1,96 H2PO4 - (aq) ⇌H + (aq) + HPO4 2- (aq) pKa2=7,13 HPO4 2- (aq) ⇌H + (aq) + PO4 3- (aq) pKa3=12,23 Ajuste de pH: HCl(g) → H + (aq) + Cl - (aq) pKa=-6,2 2e) Considerando que na solução inicial se partiu do ácido conjugado Ajuste de pH: [+]= [-] reagente sobrea não completa é reação sua porque zero [HCl] 1g) T3T2T1 14)(pH T pH .C3α.C2α.Cα103.C10 2722)145,6(25,6 10.3,410.789,3310.3,41899,0210.3,480101,01010.3,4310 0507,0129,0 10.07,510.29,1 10.89,5410.63,110.44,31010.29,110.16,3 21 822817 +[Cl-] +[Cl-] +[Cl-] +[Cl-] +[Cl-] +[Cl-] [+]= [-] [Cl-] = + 0,0783 mol/L Resposta 1f) mol/L 0,0783C em pH o ajustar para e HCl com satisfeito é cargas de balanço O HCl do completa ionização da provém Cl todo porque L mol/ 0,0783 CC][Cl HCl HClCl T3T2T1 14)(pHpH .C3α.C2α.Cα1010][Na 2722)145,6(5,6 10.3,410.789,3310.3,41899,0210.3,480101,01010][ Na LmolNa Na Na /.0507,010.16,30507,0][ 0507,010.16,3][ 10.89,410.63,110.44,31010.16,3][ 7 7 82287 reagente sobra não seja ou completa, é reação sua porque zero [NaOH] 2g) Resposta 2f) [+]= [-] mol/L0,0507 C a e pH o ajustar para NaOH com satisfeito é cargas de balanço O NaOH do completa odissociaçã da vem sódio todo porque mol/L0,0507CC][Na NaOH NaOHNa 10 Comparações entre os 2 sistemas estudados 1) Na3PO4 CT=4,3.10 -2 mol/L;pH=6,5 com HCl CHCl=0,0783 mol/L 2) H3PO4 CT=4,3.10 -2 mol/L;pH=6,5 com NaOH CNaOH=0,0587 mol/L Os 2 sistemas têm o mesmo balanço de matéria Ou seja CT=[H3PO4]+[H2PO4 -]+[HPO4 2-]+[PO4 3-] Porque tanto faz partir da base conjugada ou da espécie mais protonada, irão ocorrer os mesmos equilíbrios ácido-base em ambos os casos Porém os balanços de carga são diferentes, devido ao reagente usado no ajuste de pH Em 1) Em 2) +[Cl-] Como determinar se o ajuste de pH será realizado com ácido forte (HCl, por exemplo) ou com base forte (NaOH, por exemplo). Exercícios resolvidos em sala de aula 3) solução NH4NO3 0,5 mol/L pH=9 4)solução NH3 0,5 mol/L pH=9 NH4 + α0=0,63474 α1=0,36526 pKa = 9,24; HCl pKa= - 6,2 pKw=14 Para as soluções 3 e 4 a) Reações b) Equação do Balanço de matéria c) Concentrações analíticas das espécies conjugadas de Bronsted d) Concentrações no equilíbrio das espécies conjugadas de Bronsted e) Foi usado ácido forte ou base forte para ajustar o pH em 9 ? f) Calcule a concentração analítica de ácido forte (ou base forte) necessária para ajustar o pH do meio g) Qual a concentração de equilíbrio de ácido forte (ou base forte) no meio reacional 13 Como determinar se o ajuste de pH será realizado com ácido forte (HCl, por ex) ou com base forte (NaOH, por exemplo). Exemplo 3: solução NH4NO3 0,5 mol/L pH=9 (partindo do ácido ou da espécie mais protonada, NH4 +) NH4 + α0=0,63474 pKa = 9,24; HCl pKa= - 6,2 pKw=14 a) Reações: H2O(l) ⇋ H + (aq) + OH - (aq) pKw=14 NH4NO3(s) → NH4 + (aq) + NO3 - (aq) NH4 + (aq) ⇋ NH3(aq) + H + (aq) pKa=9,24 Possibilidades para Ajuste de pH : A: NaOH(s) → Na + (aq) + OH - (aq) 0U B: HCl(g) → H + (aq) + Cl - (aq) pKa= - 6,2 b) Balanço de matéria: C = [NH4 +] + [NH3] =0,5 mol/L d) [NH4 +] = 0.C e [NH3] = 1.C e) Fazendo a suposição de que o pH foi ajustado com NaOH Balanço de carga na situação A: [NH4 +] + [H+] + [Na+] = [OH-] + [ NO3 -] 0.Ca + 10 -pH + [Na+] = 10(pH-14) + CT 0,63474.0,5 + 10-9 + [Na+] = 10-5 + 0,5 0,317 + [Na+] = 0,5 [Na+]= +0,183 → [Na+]= CNa+=CNaOH = + 0,183 mol/L (possível) Obalanço de cargas é satisfeito g) [NaOH]=0 pois ele dissocia completamente, não sobra reagente mol/L CCC c) 34 NHNH 5,0 14 Outra possibilidade é mostrar o balanço de cargas supondo que o pH foi ajustado com HCl (B) Balanço de carga na situação B: [NH4 +] + [H+] = [OH-] + [NO3 -] + [Cl-] 0.Ca + 10 -pH = 10(pH-14) + C T + [Cl -] 0,63474.0,5 + 10-9 = 10-5 + 0,5 + [Cl-] 0,317 = 0,5 + [Cl-] [Cl-] =- 0,18263 → [Cl-]= CCl-=CHCl = - 0,183 mol/L (impossível) 14 E se eu adicionar HCl até que sua concentração seja + 0,183 mol/L qual será o pH? [NH4 +] + [H+] = [OH-] + [NO3 -] + [Cl-] [NH4 +]-[NO3 -] - [Cl-] = [OH-] - [H+] 0,317-0,5-0,183= [OH-] - [H+] -0,366 = [OH-] - [H+] 4,0/366,0][ 2 )10.1.1.4(366,0366,0 ][ 0][366,0][ ][][366,0 ][ ][ 366,0 142 2 2 pHLmolH H KHH HKH H H K w w w Resp. O balanço de cargas não é satisfeito com HCl, então o pH tem que ser ajustado em 9 com NaOH, Sendo que CNaOH = +0,183 mol/L Ainda (partindo do ácido ou da espécie mais protonada, NH4 + 15 Exemplo 4: solução NH3 0,5 mol/L pH=9 NH4 + α0=0,63474 pKa = 9,24; HCl pKa= - 6,2 pKw=14 a) Reações: H2O(l) ⇋ H + (aq) + OH - (aq) pKw= 14 NH4 + (aq) ⇋ NH3(aq) + H + (aq) pKa=9,24 Ajuste de pH : A: NaOH(s) → Na + (aq) + OH - (aq) 0U B: HCl(g) → H + (aq) + Cl - (aq) pKa= - 6,2 b) Balanço de matéria: C = [NH4 +] + [NH3] =0,5 mol/L d) [NH4 +] = 0.C e [NH3] = 1.C e) Fazendo a suposição de que o pH foi ajustado com HCl Balanço de carga na situação B: [NH4 +] + [H+] = [OH-] + [Cl-] 0.CT + 10 -pH = 10(pH-14) +[Cl-] 0,63474.0,5 + 10-9 = 10-5 + [Cl-] 0,317 + 10-9 = 10-5 + [Cl-] 0,317 = 10-5 + [Cl-] [Cl-] = 0,317 - 10-5 = + 0,317 → [Cl-]= CCl-=CHCl = + 0,317 mol/L (possível) O balanço de cargas é satisfeito. g) [HCl]=0 pois ele ioniza completamente ( não sobra reagente) Partindo da base conjugada NH3 mol/L CCC c) 34 NHNH 5,0 16 Balanço de carga na situação A: [NH4 +] + [H+] + [Na+] = [OH-] 0.CT + 10 -pH + [Na+] = 10(pH-14) 0,63474.0,5 + 10-9 + [Na+] = 10-5 0,317+ [Na+] = 10-5 [Na+]= - 0,317→ [Na+]= CNa+=CNaOH= - 0,317 mol/L (impossível) O balanço de cargas não é satisfeito E se for adicionado NaOH até que sua concentração seja + 0,317 mol/L Qual será o valor de pH? Supondo que [Na+] = 0,317mol/L [NH4 +] + [H+] + [Na+] = [OH-] 0.CT + [H +] + [Na+] = [OH-] 0.CT + [Na+] = [OH-] - [H+] 122/634,0][ 2 )10.1.1.4(634,0634,0 ][ 0][634,0][ ][][634,0 ][ ][634,0 ][][317,0317,0 142 2 2 pHpOHLmolOH OH KOHOH KOHOH OH K OH HOH w w w Resp. O balanço de cargas não é satisfeito com NaOH, então o pH tem que ser ajustado em 9 com HCl, Sendo que CHCl = +0,317 mol/L Ainda partindo da base conjugada , NH3 , ouutra possibilidade é mostrar o balanço de cargas supondo que o pH foi ajustado com NaOH (A) 17 Importante: Finalidades do balanço de matéria e de carga O balanço de matéria é útil para o cálculo das concentrações de Equilíbrio das espécies mais protonadas e das bases conjugadas presentes em um equilíbrio químico ácido-base de Bronsted em um dado pH O balanço de cargas é útil para se calcular a concentração analítica ou total de ácido forte (por ex HCl) ou base forte (por ex. NaOH) necessário para ajustar o pH de uma solução em um valor desejado. É importante nos cálculos para preparo de solução tampão Estudaremos solução tampão mais adiante!
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