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Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 1 A QUÍMICA DE ÁCIDOS E BASESA QUÍMICA DE ÁCIDOS E BASES Janaína Heberle Bortoluzzi aspirina 1 A Química de Ácidos e Bases Plano de Aula § Eletrólitos e não-eletrólitos § Ácidos e Bases § Reações de ácidos e bases § Utilizar os conceitos de BrØnsted-Lowry; § Água e a escala de pH; § Constantes de equilíbrio de ácidos e bases § Tipos de reação de ácidos e bases § Utilizar os conceitos de Lewis; § Titulações ácido-base. Objetivos Janaína Heberle Bortoluzzi 2 Plano de Aula § ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química – Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. 2006. Editora Bookman, Porto Alegre-RS, 965 pag. § SOUZA, E de. Fundamentos de Termodinâmica e Cinética Química. 2005. Editora UFMG, Belo Horizonte-MG, 341 pag. § BRADY, J.E.; SENESE, F. Química a Matéria e suas Transformações. 2009. Editora LTC, Rio de Janeiro-RJ, v.2, 455 pag. § MASTERTON, W.L.; SLOWINSKI, E.J.; STANITSKI, C.L. Princípios de Química. 1990. Editora LTC, Rio de Janeiro-RJ, 681 pag. § KOTZ, J.C.; TREICHEL, P.M.; WEAVER, G.C. Química Geral e Reações Químicas. 2009. Editora CENCAGE Learning, São Paulo–SP, v.2, 1018 pag. Bibliografia Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases 9 CAP 5 9 CAP 17 3 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 2 Eletrólitos são substâncias químicas que formam íons quando dissolvidas em água ou outro solvente Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Corrente elétrica Conduz eletricidade Não conduz eletricidade Eletrólitos Não - Eletrólitos Substâncias inorgânicas (ácidos, bases e sais) Substâncias orgânicas (glicose, glicerina etc.) Eletrólitos e não-eletrólitos Eletrólitos Corrente elétrica 4 Química Analítica Clássica 5 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Grau de dissociação de uma substância química moléculasdetotaln issociadasmoléculasdden º º =a 0a = ] Não há dissociação 1a = [ Dissociação Total EletrólitosEletrólitos fortesfortes sãosão substânciassubstâncias químicasquímicas queque sese ionizamionizam completamentecompletamente emem umum solventesolvente.. EletrólitosEletrólitos fracosfracos sãosão substânciassubstâncias químicasquímicas queque sese ionizamionizam parcialmenteparcialmente emem umum solventesolvente.. Eletrólitos e não-eletrólitos 6 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 3 Eletrólitofraco] Ex: ácido acético (CH3COOH) EletrólitoForte[ Ex: cloreto de sódio (NaCl) Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases 7 Janaína Heberle Bortoluzzi Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio A Química de Ácidos e Bases Substâncias naturais Sabor azedo do ácido Sabor azedo do ácido (vinagre)(vinagre) 8 Janaína Heberle Bortoluzzi Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio A Química de Ácidos e Bases Ácido é uma substância que quando dissociada em água aumenta a concentração de íons hidrogênio na solução Ácido Forte 9 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 4 Janaína Heberle Bortoluzzi Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio A Química de Ácidos e Bases Coral – CaCO3 Dissolve-se em ácido, formando O2 gasoso Zinco – HCl Forma cloreto de zinco e gás hidrogênio Duas etapas 10 Janaína Heberle Bortoluzzi Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio A Química de Ácidos e Bases Ácido Forte Base Forte Base é uma substância que quando dissolvida em água aumenta a concentração de íons hidróxido na solução Não existe separadamente em água, HNão existe separadamente em água, H33OO++ 11 Janaína Heberle Bortoluzzi Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio A Química de Ácidos e Bases Sem hidroxila Base Fraca Eletrólito fraco 12 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 5 Janaína Heberle Bortoluzzi Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio A Química de Ácidos e Bases 13 Janaína Heberle Bortoluzzi Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio A Química de Ácidos e Bases Exercício: a) Quais os íons são produzidos quando o ácido nítrico é dissolvido em água? b) O hidróxido de bário é moderadamento solúvel em água. Quais íons são produzidos quando ele é dissolvido em água? 14 Janaína Heberle Bortoluzzi Reações de ácidos e bases A Química de Ácidos e Bases NeutralizaçãoNeutralização sal 15 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 6 Janaína Heberle Bortoluzzi Reações de ácidos e bases A Química de Ácidos e Bases Exercício: Escreva a equação global balanceada e a equação iônica líquida balanceada para a reação de hidróxido de magnésio com ácido clorídrico. 16 Janaína Heberle Bortoluzzi è Constante de Ionização A Química de Ácidos e Bases Ácidos, Bases e o Conceito de Equilíbrio [CH3CO2-][H3O+] [CH3CO2H] = K = 1,8 x 10-5 è K > 1 = ácidos ou bases fortes è K < 1 = ácidos ou bases fracos Medida da ionização em águaMedida da ionização em água Ácido e Base de Arrhenius Æ somente em solução aquosa17 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases è 1923 Johannes N. BrÆnsted (1879-1947) e Thomas M. Lowry (1874-1936) Cátions Cátions Metálicos Hidratados Ácido Æ doar um próton a outra substância ânions Compostos moleculares 18 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 7 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases Base Æ aceitar um próton de outra substância ânion cátion Compostos moleculares 19 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases Ácidos Polipróticos Æ doam mais de um próton 20 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases Bases Polipróticas Æ aceitam mais de um próton Ânions de ácidos polipróticos Ânions de ácidos polipróticos ÆÆ Bases PolipróticasBases Polipróticas ÆÆ SOSO4422-- POPO4433-- COCO3322-- CC22OO4422-- CO32- (aq) + H2O (l) D HCO3- (aq) + OH- (aq) HCO3- (aq) + H2O (l) D H2CO3 (aq) + OH- (aq) base base 21 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 8 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases Substâncias anfipróticas Æ se comportam como um ácido ou uma base HPO42- (aq) + H2O (l) D H3O+ (aq) + PO43- (aq) HPO42- (aq) + H2O (l) D H2PO4- (aq) + OH- (aq) ácido base Exercício: Escreva a equação balanceada para a reação que ocorre quando H3PO4, o ácido fosfórico, doa um próton para a água para formar o íon diidrogenofosfato. Esse íon é um ácido, uma base ou é anfiprótico? 22 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases Pares Ácido-base conjugadas 23 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases Pares Ácido-base conjugadas Exercício: Na reação a seguir, identifique o ácido a esquerda e sua base conjugada a direita. Do mesmo modo identifique a base a esquerda e seu ácido conjugado a direita. HNO3 (aq) + NH3 (aq) D NH4+ (aq) + NO3- (aq) 24 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 9 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O Conceito de BrÆnsted-Lowry de Ácidos e Bases Pares Ácido-base conjugadas Exercício: Na reação a seguir, identifique o ácido a esquerda e sua base conjugada a direita. Do mesmo modo identifique a base a esquerda e seu ácido conjugado a direita.HNO3 (aq) + NH3 (aq) D NH4+ (aq) + NO3- (aq) 25 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Água e a escala de pH Autoionização da água e constante de ionização da água, kw K ´ [H2O]2 = [H3O+] ´ [OH-] = Kw Kw a 25 °C = 1 ´ 10-14 Solução neutraSolução neutra [H3O+] ´ [OH-] = 1 ´ 10-7 Solução ácidaSolução ácida [H3O+] > [OH-] Solução baseSolução base [H3O+] < [OH-] 26 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Exercício: Uma solução do ácido forte HCl tem [HCl] = 4,0 ´ 10-3 M. Quais são as concentrações de H3O+ e OH- nessa solução, a 25 °C? Autoionização da água e constante de ionização da água, kw Água e a escala de pH 27 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 10 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Água e a escala de pH A escala de Sorensen permite traduzir a concentração de um íon H+ através da relação: [ ]+-= OHpH 3log 14=+ pOHpH 28 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Água e a escala de pH Exercício: 1- Qual o pH de uma solução 0,0012 M de NaOH a 25 °C? 2- O pH de um refrigerante dietético é 4,32 a 25 °C. Quais são as concentrações de íons hidrônio e hidróxido no refrigerante? 3- Se o pH de uma solução contendo a base forte Sr(OH)2 é 10,46 a 25 °C, qual a concentração de Sr(OH)2 em mol/L? 29 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Constantes de equilíbrio de ácidos e bases EA força relativa de um ácido ou uma base pode ser expressa pela sua constante de equilíbrio: HA (aq) + H2O(l) D H3O+ (aq) + A- (aq) [H3O+][A-] [HA] B (aq) + H2O(l) D BH+ (aq) + OH- (aq) [BH+][OH-] [B] Ka = Kb = 30 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 11 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Constantes de equilíbrio de ácidos e bases ERelacionando as constantes de ionização de um ácido e a sua base conjugada: ÁcidoÁcido fracofracoÆÆ HCN (aq) + H2O(l) D H3O+ (aq) + CN- (aq) ÆÆ Ka = 4 ´ 10-10 BaseBase conjugadaconjugada ÆÆ CN- (aq) + H2O(l) D HCN (aq) + OH- (aq)ÆÆ Kb = 2,5 ´ 10-5 2 H2O(l) D H3O+ (aq) + OH- (aq) ÆÆ Kw = 1 ´ 10-14 Ka ´ Kb = Kw 31 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Exercício: Ka para o ácido lático CH3CHOHCO2H é 1,4 ´10-4. Qual o valor de Kb para a base conjugada desse ácido CH3CHOHCO2-? Constantes de equilíbrio de ácidos e bases 32 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Constantes de equilíbrio de ácidos e bases è Conceito de BrÆnsted e Lowry Ácido + Base Ácido + Base "" Base conjugada do ácido + Ácido conjugado da base Base conjugada do ácido + Ácido conjugado da base ÆÆ Prevendo a direção das reações:Prevendo a direção das reações: Exemplo: Escreva a equação balanceada para a reção que ocorre entre ácido acético e bicarbonato de sódio. O equilíbrio está deslocado para a esquerda ou direita? CH3COOH (aq) + HCO3- (aq) D CH3COO- (aq) + H2CO3 (aq) ácido fraco ácido ou base base conj. ácido conj. Ka = 1,8 ´ 10-5 Kb = 2,4 ´ 10-8 Kb = 5,6 ´ 10-10 Ka = 4,2 ´ 10-7 Ç Ç logo sentido da reação " 33 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 12 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Exercício: 1- A reação entre HCO3- e NH3 favorece a formação de produtos ou reagentes? 2- A reação entre HPO42- e NH3 será deslocada para a direita ou esquerda? Constantes de equilíbrio de ácidos e bases 34 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Tipos de reação ácido-base Tipo de reação ácido-base Exemplo Ácido forte + Base forte HCl + NaOH Ácido fraco + Base forte CH3COOH + NaOH Ácido forte + Base fraca HCl + NH3 Ácido fraco + Base fraca Ácido cítrico + HCO3- 35 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Tipos de reação ácido-base Ácido forte + Base forte H3O+ (aq) + Cl- (aq) + Na+ (aq) + OH- (aq) " 2H2O (l) + Cl- (aq) + Na+ (aq) H3O+ (aq) + OH- (aq) D 2H2O (l) K = 1/Kw = 1 ´ 1014 Solução neutra Æ pH = 7 36 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 13 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Tipos de reação ácido-base Ácido forte + Base fraca H3O+ (aq) + Cl- (aq) + NH3 (aq) " NH4+ (aq) + Cl- (aq) + H2O (l) Ç Ç K >>> 1 logo sentido da reação " SAL H3O+ (aq) + NH3 (aq) " NH4+ (aq) + H2O (l) NH4+ (aq) + H2O (l) D NH3 (aq) + H3O+ (aq) Solução ácido Æ pH < 7 37 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Tipos de reação ácido-base Ácido fraco + Base forte CH3COOH (aq) + Na+ (aq) + OH- (aq) " CH3COO- (aq) + Na+ (aq) + H2O (l) Ç logo sentido da reação " SAL OH- (aq) + CH3COOH (aq) " CH3COO- (aq) + H2O (l) CH3COO- (aq) + H2O (l) D CH3COOH (aq) + OH- (aq) Solução básica Æ pH > 7 38 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Tipos de reação ácido-base Ácido fraco + Base fraca CH3COOH (aq) + NH3 (aq) " CH3COO- (aq) + NH4+ (aq) + H2O (l) pH Æ vai depender do Ka e Kb NesteNeste casocaso pHpH neutroneutro pHpH == 77 SALÇ Ç logo sentido da reação " 39 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 14 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Cálculos com constante de equilíbrio Exercício: 1- Quais são as concentrações no equilíbrio do ácido acético, íons acetato e hidrônio em uma solução 0,10 M de ácido acético? Qual é o pH da solução? Ka = 1,8 ´ 10-5 2- Quais são as concentrações no equilíbrio de HF, íons F- e H3O+ em uma solução 0,015 M de HF? Qual é o pH da solução? Ka = 7,2 ´ 10-4 40 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Cálculos com constante de equilíbrio Exercício: Reação entre ácido e base 1- Calcule o pH após misturar 15 mL de ácido acético 0,12 M com 15 mL de NaOH 0,12 M? Quais as espécies majoritárias em solução no equilíbrio e quais as suas concentrações? 41 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Ácidos e bases polipróticos Exemplo: 1- O íon carbonato, CO32-, é uma base, quando está em água formando o íon hidrogenocarbonato, que por sua vez, pode formar o ácido carbônico. CO32-(aq) + H2O(l) D HCO3- (aq) + OH- (aq)ÆÆ Kb1 = 2,1 ´ 10-4 HCO3- (aq) + H2O(l) D H2CO3 (aq) + OH- (aq)ÆÆ Kb2 = 2,4 ´ 10-8 Qual é o pH de uma solução 0,1 M de Na2CO3 a 25 °? 42 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 15 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Ácidos e bases polipróticos Exercício: 1- Qual o pH de uma solução 0,10 M de ácido oxálico, H2C2O4? Quais são as concentrações de H3O+, HC2O4- e do íon oxalato? ÆÆ Ka1 = 5,9 ´ 10-2 ÆÆ Ka2 = 6,4 ´ 10-5 43 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O conceito de Lewis de Ácidos e Bases è 1930 Gilbert N. Lewis Compartilhamento de pares de elétronsCompartilhamento de pares de elétrons Ácido de Lewis Æ substância capaz de aceitar um par de e- Base de Lewis Æ substância capaz de doar um par de e- A + B: " B-A ácido base aduto 44 Caráter anfóteroCaráter anfótero Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O conceito de Lewis de Ácidos e Bases Cu2+(aq) + 4NH3 (aq) " [Cu(NH3)4]2+(aq) Al(OH)3 (s) + OH- (aq) " [Al(OH)4]-(aq) ácido base Al(OH)3 (s) + 3 H3O+ (aq) " Al3+(aq) + 6H2O (l) 45 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 16 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O conceito de Lewis de Ácidos e Bases Al3+(aq) NH3(aq) Al(OH)3 (s) NaOH(aq) Al(OH)4- (aq) HCl(aq) Al3+(aq) + 6H2O(l)46 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O conceito de Lewis de Ácidos e Bases Cátions metálicos em água Complexos de coordenação47 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases O conceito de Lewis de Ácidos e Bases Ácidos de Lewis moleculares Óxidos ácidos Íon bicarbonato 48 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 17 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Comportamento de Ácidos e Bases Por que o HF é um ácido fraco e o HCl forte??? HF << HCl << HBr << HI 17 Energia de ligação H-X HF HCl HBr HI pKa + 3,14 - 7 - 9 -10 Força da ligação H-X (kJ/mol) 565 432 366 299 Por que o HNO2 é um ácido fraco e o HNO3 forte??? Oxiácidos Æ um não metal + nO a força aumenta com o númedo de O 49 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Comportamento de Ácidos e Bases Por que os ácidos carboxílicos são ácidos de BrØnsted??? ligações C-H não se rompem em água A ligação polar H-O se rompe pela interação do H+ com a H2O ligada ao H + H3O+ Estabilizado pela ressonância 50 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Comportamento de Ácidos e Bases Exercício: 1- Qual seriam os ácidos mais fortes? a) H2SeO4 ou H2SeO3? b) [Fe(H2O)6]2+ ou [Fe(H2O)6]3+? c) HOCl ou HOBr? 51 Equilíbrio Químico 01/03/2013 Janaína Heberle Bortoluzzi 18 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Titulações Ácidos e Bases Como varia o pH durante uma titulação??? 52 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Titulações Ácidos e Bases Como varia o pH durante uma titulação??? No ponto de equivalência pH > 7 53 Janaína Heberle Bortoluzzi A Química de Ácidos e Bases Titulações Ácidos e Bases Como varia o pH durante uma titulação??? Indicadores ácidoIndicadores ácido--basebaseHIn H+ + In- [ ] [ ] [ ] [ ] conjugada base dacor 1 ácido docor 1 ³ ³ - - HIn In In HIn Indicador Em ácido Em base faixa de pH Azul de timol Vermelho Amarelo 1,2-2,8 Azul de bromofenol Amarelo Purpura 3,0-4,6 Laranja de metilo Laranja Amarelo 3,1-4,4 Vermelho de metilo Vermelho Amarelo 4,2-6,3 Azul de clorofenol Amarelo Vermelho 4,8-6,4 Azul de bromotimol Amarelo Azul 6,0-7,6 Vermelho de cresol Amarelo Vermelho 7,2-8,8 Fenolftaleína Incolor Rosa 8,3-10,0 54
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