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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DA AMAZÔNIA INSTITUTO SÓCIO-AMBIENTAL E DE RECURSOS HÍDRICOS DISCIPLINA: QUÍMICA PROFESSORA: RUTH GRANHEN TAVARES ASSUNTOS: I – EQUILÍBRIO IÔNICO DA ÁGUA – ESCALA DE pH II – pH DE ÁCIDOS E BASES FORTES E FRACOS PARTE I: EQUILÍBRIO IÔNICO DA ÁGUA – ESCALA DE pH 1. INTRODUÇÃO A ionização da água é entendida como sendo a transferência de um próton (H+) de uma molécula de água para outra molécula, resultando um íon hidrônio ou hidroxônio, que é o íon hidrogênio hidratado (H3O +) e um íon hidroxila, segundo a reação: H2O + H2O H3O + + OH- . Esta é, naturalmente, uma maneira simplificada de dizer o que realmente ocorre, porém, salienta o fato de que o íon hidrogênio, em solução aquosa, não é um íon simples, mas está firmemente ligado a uma molécula de água. A energia requerida para dissociar completamente o íon hidrônio em água e próton hidrogênio é cerca de três vezes maior que a energia requerida para quebrar a maioria das ligações covalentes. O cátion hidrônio, por sua vez, se deixa hidratar por três moléculas de água. Cada molécula está ligada a um hidrogênio, formando a camada de hidratação primária do íon hidrônio: H H O H H O H O --- H H --- O H H No entanto, para os propósitos do nosso curso, são irrelevantes maiores detalhes sobre essas camadas de hidratação. Assim, consideraremos, apenas, que a água é um eletrólito fraco, que se ioniza de acordo com a seguinte equação simplificada: H2O H + + OH- . Como acontece com todas as ionizações de eletrólitos fracos, também a da água é reversível, e vai atingir o equilíbrio, que é chamado Equilíbrio Iônico da Água. Para todo equilíbrio, existe uma constante. Nesse caso temos: K ]OH[ ]OH].[H[ 2 K . [H2O] = [H +] . [OH-] Considerando que a ionização da água é extremamente pequena, a [H2O] é constante. Portanto, K . [H2O] é, também, constante. Esse produto é comumente chamado Produto Iônico da Água e é representado por Kw. Assim: Kw = [H+] . [OH-] . Medidas experimentais demonstram que, a 25 oC, Kw = 1,0 x 10-14. (1) . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 2 Assunto: Equil. Iônico Água – Escala pH – pH ácidos e bases Prof. RUTH GRANHEN TAVARES 2. SOLUÇÕES ÁCIDAS, BÁSICAS E NEUTRAS A água pura libera iguais quantidades de íons H+ e OH-. A água pura é neutra e toda solução que apresenta [H+] = [OH-] é chamada “solução neutra”. Como, Kw = [H+] . [OH-] = 10-14, para as soluções neutras [H+] . [H+] = 10-14, ou, [H+]2 = 10-14 [H+] = [OH-] = 10-7 M. Quando um ácido é adicionado à água, irá liberar íons H+. Logicamente, a solução obtida será ácida, e a [H+] será maior do que a [OH-], ou seja, [H+] > 10-7 M e [OH-] < 10-7 M. Quando uma base é adicionada à água, irá liberar íons OH-. Logicamente, a solução obtida será básica, e a [OH-] será maior do que a [H+], ou seja, [OH-] > 10-7 M e [H+]< 10-7 M. Como já mencionamos anteriormente (apostila eletrólitos / não eletrólitos – equilíbrios), a lei de equilíbrio só é válida para soluções diluídas. Sendo assim, os valores de concentração que iremos manipular serão muito pequenos, assim como os valores das constantes de equilíbrio. É comum, para evitar manipulação de números muito grandes (expoentes positivos), ou de números muito pequenos (expoentes negativos), trabalhar-se com os logaritmos desses números. Desse modo, o químico Sörensen, para evitar, ainda, o inconveniente de se manipular números negativos, propôs utilizar – em vez do logaritmo da concentração – o logaritmo do inverso da concentração, ou – log da concentração, que é um número positivo, simbolizando esse termo (– log) por “p”. Assim, surgiu o pH: pH = – log [H+], e o pOH: pOH = – log [OH-]. Esse recurso é, também, utilizado para outros parâmetros, como constantes de equilíbrio, baixas concentrações, etc.: pKa = – log Ka pKb = – log Kb pKw = – log Kw pCl = – log [Cl-], enfim, p“qualquer coisa” = – log “qualquer coisa”. Observações: 1) Todas as conclusões que já tiramos, até o momento, sobre as soluções aquosas estão sintetizadas no quadro abaixo. SOLUÇÕES NEUTRAS [H+] = [OH-] [H+] = 10-7 M [OH-] = 10-7 M pH = pOH pH = 7 pOH = 7 SOLUÇÕES ÁCIDAS [H+] > [OH-] [H+] > 10-7 M [OH-] < 10-7 M pH < pOH pH < 7 pOH > 7 SOLUÇÕES BÁSICAS [H+] < [OH-] [H+] < 10-7 M [OH-] > 10-7 M pH > pOH pH > 7 pOH < 7 2) como pH = – log [H+], então [H+] = 10-pH 3) como pOH = – log [OH-], então [OH-] = 10-pOH 3. ESCALA DE pH O pH e o pOH das soluções variam dentro de uma escala limitada. Para facilitar a compreensão da extensão dessa escala, observemos as seis questões a seguir. . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 3 Assunto: Equil. Iônico Água – Escala pH – pH ácidos e bases Prof. RUTH GRANHEN TAVARES 1ª) Em que circunstância o valor de pH será mínimo? Resp. Quando a [H+] for máxima. 2ª) Qual o valor mínimo de pH? Resp. Considerando que pH se origina de uma lei de equilíbrio, que só é válida para soluções diluídas (concentrações até 1M), a máxima [H+] em uma solução será 1M. Como – log 1 = 0, então, o valor mínimo de pH é 0 (zero). 3ª) Em que circunstância o valor de pOH será mínimo? Resp. Quando a [OH-] for máxima. 4ª) Qual o valor mínimo de pOH? Resp. Considerando que pOH se origina de uma lei de equilíbrio, que só é válida para soluções diluídas (concentrações até 1M), a máxima [OH-] em uma solução será 1M. Como – log 1 = 0, então, o valor mínimo de pOH é 0 (zero). 5ª) Em que circunstância o valor de pH será máximo, e qual é esse valor? Resp. Quando o valor de pOH for mínimo (zero). Como pH + pOH = 14, então, o valor máximo de pH é 14. 6ª) Em que circunstância o valor de pOH será máximo, e qual é esse valor? Resp. Quando o valor de pH for mínimo (zero). Como pH + pOH = 14, então, o valor máximo de pOH é 14. Assim, o pH e o pOH variam numa escala de 0 a 14. Essa escala está apresentada no gráfico abaixo: 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 SOLUÇÕES ÁCIDAS SOLUÇÕES BÁSICAS 14 13 12 11 10 9 8 6 5 4 3 2 1 0 aumento de acidez da solução aumento de alcalinidade da solução PARTE II: pH DE ÁCIDOS E BASES FORTES E FRACOS 1. CÁLCULO DE pH EM SOLUÇÕES DE ÁCIDOS E BASES FORTES Para calcular os valores de pH de soluções de ácidos é necessário o conhecimento da [H+], já que pH = – log [H+]. Como os ácidos fortes dissociam completamente, a [H+] é a própria concentração total, ou concentração analítica, do ácido, CHA. Para calcular os valores de pH de soluções de bases é necessário o conhecimento da [OH-], já que pOH = – log [OH-] e pH + pOH = 14. Como as bases fortes dissociam completamente, a [OH-], para as bases que possuem apenas uma OH-, é a própria concentração total, ou concentração analítica, da base, CBOH. Exercício 1. Calcular o pH de uma solução a 0,05M de HCl. (log 5 = 0,70) Solução: CHCl = 0,05 M [H +] = 0,05 M = 5 x 10-2M pH = – log 5 x 10-2 = 2 – log 5 pH = 2 – 0,70 = 1,3 Resp: pH = 1,3 pH pOH SOLUÇÕES NEUTRAS . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 4 Assunto: Equil. Iônico Água – Escala pH – pH ácidos e bases Prof. RUTH GRANHEN TAVARES Exercício 2. Calcular o pH de uma solução a 0,001M de Ba(OH)2. (log 2 = 0,30) Solução: 2)OH(Ba C = 0,001 M = 10-3 M [OH-] = 2 x 10-3 M pOH = – log 2 x 10-3 = 3 – log 2 pOH = 3 – 0,30 = 2,7 pH = 14 – 2,7 = 11,3 Resp: pH = 11,3 Exercício 3. Dissolvem-se 1,12g de KOH em 500ml de solução. Calcular o pH da solução obtida. (PM = 56 ; log 4 = 0,60) Solução: 1 M 56 g 1000 ml x M 1,12 g 500 ml x . 56 . 500 = 1 . 1,12 . 1000 x 04,0 28000 1120 M = CKOH .. CKOH = 0,04 M = 4 x 10 -2 M [OH-] = 4 x 10-2 M pOH = – log 4 x 10-2 = 2 – log 4 = 2 – 0,60 pOH = 1,4 pH = 14 – 1,4 = 12,6 Resp: pH = 12,6 Exercício 4. Calcular o pH de uma solução a 1,2% de NaOH. (PM = 40 ; log 3 = 0,48) Solução: (1,2% 1,2 g / 100ml) 1 M 40 g 1000 ml x M 1,2 g 100 ml x . 40 . 100 = 1 . 1,2 . 1000 x 3,0 4000 1200 M = CNaOH .. CNaOH = 0,3 M = 3 x 10 -1 M [OH-] = 3 x 10-1 M pOH = – log 3 x 10-1 = 1 – log 3 = 1 – 0,48 pOH = 0,52 pH = 14 – 0,52 = 13,48 Resp: pH = 13,48 2. CÁLCULO DE pH EM SOLUÇÕES DE ÁCIDOS E BASES FRACOS As concentrações de H+ e de OH- para ácidos e bases fracos não podem ser diretamente encontradas do valor da concentração analítica do ácido ou da base respectiva, pois os mesmos ionizam-se parcialmente. Esses valores serão encontrados considerando-se suas constantes de ionização, Ka e Kb. Para um ácido fraco, HA, temos: HA H+ + A- Ka ]HA[ ]A].[H[ Como só existe o ácido em solução, pode-se afirmar que [H+] = [A-], pois o ácido é a única fonte desses dois íons, e, cada vez que ioniza, libera um cátion e um ânion (OBS: a água também libera H+, mas, por ser um eletrólito muito fraco, o valor de sua concentração pode ser desprezado em relação ao valor do que é liberado pelo ácido). A concentração de HA no equilíbrio ([HA]) é a concentração total, ou analítica, de HA (CHA), menos a concentração dos íons liberados, que podem ser representados pelos íons hidrogênio ([H+]), ou seja, [HA] = CHA – [H +]. No entanto, em algumas situações, como é o caso de ácidos muito fracos, a [H+] é muito menor que a CHA, e seu valor pode ser desprezado, em relação ao último, ficando a concentração de equilíbrio do ácido praticamente igual à sua concentração analítica. . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 5 Assunto: Equil. Iônico Água – Escala pH – pH ácidos e bases Prof. RUTH GRANHEN TAVARES Assim, [H+] = [A-] e [HA] = CHA Ka HAC ]H].[H[ Ka HA 2 C ]H[ Através dessa última expressão, é possível calcular a [H+] de um ácido fraco e, portanto, o pH da solução. Para uma base fraca, BOH, um raciocínio semelhante pode ser desenvolvido: BOH B+ + OH- Kb ]BOH[ ]OH].[B[ Como só existe a base em solução, pode-se afirmar que [B+] = [OH-], pois a base é a única fonte desses dois íons, e, cada vez que ioniza, libera um cátion e um ânion (OBS: a água também libera OH-, mas, por ser um eletrólito muito fraco, o valor de sua concentração pode ser desprezado em relação ao valor do que é liberado pela base). A concentração de BOH no equilíbrio ([BOH]) é a concentração total, ou analítica, de BOH (CBOH), menos a concentração dos íons liberados, que podem ser representados pelos íons hidroxila ([OH-]), ou seja, [BOH] = CBOH – [OH -]. No entanto, em algumas situações, como é o caso de bases muito fracas, a [OH-] é muito menor que a CBOH, e seu valor pode ser desprezado, em relação ao último, ficando a concentração de equilíbrio da base praticamente igual à sua concentração analítica. Assim, [OH-] = [B+] e [BOH] = CBOH Kb BOHC ]OH].[OH[ Kb BOH 2 C ]OH[ Através dessa última expressão, é possível calcular a [OH-] de uma base fraca, o valor do pOH e, conseqüentemente, o pH da solução. Um outro parâmetro envolvido com os cálculos de pH de ácidos e bases fracos é o grau de ionização, , já visto anteriormente, e a porcentagem de ionização, que é x 100. para ácidos: = HAC ]H[ e, para bases: = BOHC ]OH[ Exercício 5. Calcular o pH e a porcentagem de ionização do ácido acético (HAc) que encontra-se em solução 0,1 M. Dados: Ka=1,75x10-5 ; (1,75)1/2= 1,32 ; log 1,32 = 0,12 Solução: CHAc = 0,1 M = 10 -1 M HAc H+ + Ac- Ka ]HAc[ ]Ac].[H[ HAcC ]H].[H[ HAc 2 C ]H[ [H+]2 = Ka x CHAC [H +] = HAcC.Ka [H+]= 15 10.10.75,1 = 610.75,1 [H+] = 1,32 x 10-3 M pH = - log 1,32x10-3 = 3 – log 1,32 = 3 – 0,12 Resp: pH = 2,88 = HAcC ]H[ = 1 3 10 10.32,1 = 1,32 x 10 -2 % ionização = x 100 = 1,32 x 10-2 x 100 Resp: % ionização = 1,32 % Exercício 6. Calcular o pH e a porcentagem de ionização do ácido fluorídrico (HF) que encontra-se em solução 0,1 M. Dados: Ka=6,75x10-4 ; (67,5)1/2= 8,22 ; log 8,22 = 0,91 . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 6 Assunto: Equil. Iônico Água – Escala pH – pH ácidos e bases Prof. RUTH GRANHEN TAVARES Solução: CHF = 0,1 M = 10 -1 M HF H+ + F- Ka ]HF[ ]F].[H[ HFC ]H].[H[ HF 2 C ]H[ [H+]2 = Ka x CHF [H +] = HFC.Ka [H+]= 14 10.10.75,6 = 610.5,67 [H+] = 8,22 x 10-3 M pH = - log 8,22x10-3 = 3 – log 8,22 = 3 – 0,91 Resp: pH = 2,09 = HFC ]H[ = 1 3 10 10.22,8 = 8,22 x 10 -2 % ionização = x 100 = 8,22 x 10-2 x 100 Resp: % ionização = 1,32 % Exercício 7. Calcular o pH e a porcentagem de ionização do hidróxido de amônio (NH4OH) que encontra- se em solução 0,02 M. Dados: Kb=1,75x10-5 ; (35)1/2= 5,92 ; log 5,92 = 0,77 Solução: OHNH4 C = 0,02 M = 2x10-2 M NH4OH NH 4 + OH- Kb ]OHNH[ ]OH].[NH[ 4 4 OHNH 4 C ]OH].[OH[ OHNH 2 4 C ]OH[ [OH-]2=Kb x OHNH4 C [OH-]= OHNH4 C.Kb [OH-]= 25 10.2.10.75,1 = 710.5,3 [OH-] = 810.35 = 5,92 x 10 -4 M . pOH = -log 5,92x10-4=4 – log 5,92= 4 – 0,77 pOH = 3,23 pH = 14 – 3,23 Resp: pH = 10,77 = OHNH4 C ]OH[ = 2 4 10.2 10.92,5 = 2,96 x 10 -2 % ionização = x 100 = 2,96 x 10-2 x 100 Resp: % ionização = 2,96 % Exercício 8. Calcular o pH de uma solução de hidróxido de amônio (NH4OH) em que essa base encontra- se 1,32% ionizada. Dados: Kb = 1,75 x 10-5 ; log 1,32 = 0,12 Solução: % ioniz.= 1,32 = 1,32 / 100 = 1,32x10-2 = OHNH4 C ]OH[ OHNH4 C = 210.32,1 ]OH[]OH[ NH4OH NH 4 + OH- Kb ]OHNH[ ]OH].[NH[ 4 4 OHNH 4 C ]OH].[OH[ OHNH 2 4 C ]OH[ Kb= 2 22 10x32,1x]OH[Kb ]OH[ 10x32,1.]OH[ [OH-] = 2 5 2 10x32,1 10x75,1 10x32,1 Kb [OH-] = 1,32 x 10-3 M pOH = -log 1,32x10-3 =3 – log 1,32 = 3 – 0,12 pOH = 2,88 pH = 14 – 2,88 Resp: pH = 11,12 Exercício 9. Calcular a concentração molar de uma solução de HAc que apresenta pH = 3,23. Dados: Ka = 1,75x10-5 ; (5,92)2 = 35 ; log 5,92 = 0,77 Solução: pH = 3,23 [H+] = 10-3,23 = 10-4 x 100,77 [H+] = 10-4x 5,92 .. [H+] = 5,92 x 10-4 M HAc H+ + Ac- Ka ]HAc[ ]Ac].[H[ HAcC ]H].[H[ Ka HAc 2 C ]H[ CHAc= 3 5 8 5 242 10.20 10.75,1 10.35 10.75,1 10.92,5 Ka ]H[ Resp: CHAc = 0,02M X = 10 0,77 log X = log 10 0,77 log X = 0,77 x log 10 log X = 0,77 X = 5,92 . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 7 Assunto: Equil. Iônico Água – Escala pH – pH ácidos e bases Prof. RUTH GRANHEN TAVARES 3. LISTA DE EXERCÍCIOS (pH DE ÁCIDOS E BASES FORTES E FRACOS) 01. Calcular a concentração de íons hidrogênio das soluções com os seguintes valores de pH: a) 3,1 b) 0,6 c) 9,6 Resp. a) 7,95x10-4 M ; b) 0,252 M ; c) 2,52x10-10 M ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 02. Calcular o pH e o pOH das seguintes soluções de ácidos fortes: a) H2SO4 a 0,002 M ; b) HNO3 a 2,3x10 -4 M ; c) HCl a 0,003 M Resp. a) 2,4 e 11,6 ; b) 3,64 e 10,36 ; c) 2,52 e 11,48 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 03. Calcular o pH e o pOH das seguintes soluções de bases fortes: a) NaOH a 0,05 M ; b) Ba(OH)2 a 0,0014 M ; c) KOH a 3,7x10-3 M ; d) NaOH a 1,2 % Resp. a) 12,78 e 1,22 ; b) 11,45 e 2,55 ; c) 11,57 e 2,43 ; d) 13,48 e 0,52 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 04. Em uma solução aquosa a 0,1 M, o ácido acético (H3C-COOH), em certa temperatura, está 1% ionizado. a) Qual a constante de ionização do ácido acético nessa temperatura? Resp. 1x10-5 b) Qual a percentagem de ionização e o pH de uma solução a 0,025 M de ácido acético nessa mesma temperatura? Resp. 2 % e 3,22 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 05. Que volume de ácido clorídrico (HCl) concentrado (d=1,18 e p=36%) deve ser diluído para 250ml se desejamos obter uma solução com pH = 0,6? Resp. 5,4 ml ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 06. A constante de ionização do hidróxido de amônio (NH4OH) é 1,75x10 -5, a 25ºC. Calcular: a) o pH; b) o pOH e c) a porcentagem de ionização de uma solução a 10-3 M de hidróxido de amônio nessa temperatura. Resp. a) 10,12 ; b) 3,88 e c) 13,2 % ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 07. Que volume de hidróxido de amônio (NH4OH) concentrado (d=0,88 e p=34,4%) é necessário para preparar 200ml de solução com pH = 10,77 desta base cujo Kb=1,75x10-5? Resp. 0,46 ml ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 08. Que volume (em ml) de ácido acético concentrado (d = 1,07 e p = 80%) deve ser diluído para 200ml, para que a solução resultante apresente pH = 2,90? Qual a porcentagem de ionização do ácido na solução resultante? (Ka = 1,75x10-5). Resp. 1,4 ml e 1,35 % ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 09. Qual o pH de uma solução preparada a partir da dissolução de 0,03426 g de Ba(OH)2 (hidróxido de bário) em 500 ml de solução? Obs: nessa concentração a base ioniza totalmente. Resp. 10,9 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10. Qual o pH da solução resultante da mistura de 50ml de solução a 36 ppm de ácido clorídrico (HCl) com 50ml de solução a 0,000365% do mesmo ácido? Resp. 3,27 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11. Qual o pH de uma solução a 0,01 M de ácido cianídrico (HCN)? Qual a porcentagem de ionização do ácido nessa solução? (Ka = 7,2 x 10-10) Resp. 5,57 e 0,0268 % ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 12. Um volume de 2,78 ml de ácido clorídrico (HCl) concentrado (d=1,19 e p=37,7%) é diluído para 250 ml. Qual o pH da solução obtida? Resp. 0,86 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------13. Qual o pH de uma solução a 0,2% de hidróxido de sódio (NaOH)? Resp. 12,78 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ ELEMENTOS PARA CÁLCULOS PESOS MOLECULARES LOGARÍTMOS NaOH = 40 log1,30 = 0,10 ; log1,32 = 0,12 ; log1,37 = 0,14 ; log2,00 = 0,30 ; HCl = 36,5 log2,30 = 0,36 ; log2,52 = 0,40 ; log2,68 = 0,43 ; log2,80 = 0,45 ; NH4OH = 35 log3,00 = 0,48 ; log3,70 = 0,57 ; log4,00 = 0,60 ; log5,00 = 0,78 ; H3C-COOH = 60 log5,43 = 0,73 ; log5,90 = 0,77 ; log7,16 = 0,85 ; log7,95 = 0,90 ; Ba(OH)2 = 171 log8,00 = 0,90. (1,75)1/2= 1,32 ; (7,2)1/2 = 2,68 ; (1,3)2 = 1,69 ; (5,9)2 = 34,81
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