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Universidade Federal da Paraíba Departamento de Química Equilíbrio Ácido-Base Prof. Ricardo Lima Prof. Sherlan Lemos João Pessoa - Paraíba EQUILÍBRIOS ÁCIDO-BASE (DE NEUTRALIZAÇÃO) Dissociação da Água Autoprotólise da água: 2H2O H3O+ + OH- íon hidrônio Quando não há necessidade de enfatizar o caráter do próton hidratado, o H3O+ pode ser representado por H+ Aplicando a L.A.M Como quase não há ionização 2OH OHOH 2 3 a .aa K cte.OH2 a OHOH a.a 3 wK OHO 3 H ´ w K Produto iônico da água em termos de concentração Produto iônico da água então, podemos escrever: Kw=[H3O+][OH-] e na forma de log pKw= - logKw Kw → calculado a partir de dados de condutância da água Condutividade da água pura= 5,54x10-8 ohm-1.cm-1 a 25oC Ou seja, c = 1,01x10-7 eq.g/L eq.g H3O+ = íon-g H3O+ e eq.g OH- = íon-g OH- [H3O+] = [OH-] = 1,01x10-7 mol/L 7 8 21 H 10009,1 9,548 1054,51000 10001000 9,548 1,1998,349 2 322 x xx k c c k cmohm pura pura OH OHOHOHO Kw = (1,01x10-7)2 = 1,008x10-14 a 25°C e por aproximação, Kw 1,0 x10-14 a 25°C A ionização da H2O é um processo endotérmico Variação de Kw com a temperatura Temp(°C) pKw 0 10 25 40 14,944 14,535 13,997 13,535 Teoria Protônica de Ácidos e Bases 1- Arrhenius (1887) → teoria da dissociação eletrolítica Em soluções aquosas Ácido : HX H+ + X- Base : BOH B+ + OH- Reação ácido-base = Reação de neutralização H+ + OH- H2O Limitações da Teoria de Ácidos e Bases de Arrhenius - considera apenas soluções aquosas - ignora o solvente no processo de dissociação 2- Bronsted e Lowry (1923) Ácidos: espécies capazes de doar H+ Bases: " “ de aceitar H+ Ácido H+ + Base par conjugado Exs.: HCl H+ + Cl- NH4+ H+ + NH3 HSO4- H+ + SO42- H+ livre em solução → pouco provável devido à alta densidade de carga Só há doação de H+ quando há espécie que o receba Ex.: HCl em benzeno → não há reação ácido-base + NH3 NH4+ + Cl- Observação: Água e álcoois → funcionam como ácidos e/ou bases A ionização de ácidos em solução aquosa transferência de H+ do ácido para o solvente Ex.: HAc H+ + AcO- (Ac- = íon acetato) H2O + H+ H3O+ _____________________________________ HAc + H2O AcO- + H3O+ (Reação total) A ionização de bases em solução aquosa transferência de H+ do solvente para a base Ex.: 2 H2O H3O+ + OH- NH3 + H3O+ NH4+ + H2O _______________________________________________ NH3 + H2O NH4+ + OH- (Reação total) Reação ácido – base de Bronsted e Lowry Ácido1 + Base2 Ácido2 + Base1 pares conjugados Exs.: Ácido1 + Base2 Ácido2 + Base1 HCl + H2O H3O+ + Cl- H2O + CN- HCN + OH- H2SO3 + H2O HSO3- + H3O+ H2O + H2O H3O+ + OH- Constantes de ionização de Ácidos e Bases Fracos A comparação entre forças de ácidos e bases fracos se baseia na respectivas constantes de ionização Não se aplica aos eletrólitos fortes pois em solução aquosa encontram-se totalmente ionizados Ionização de Ácidos Monopróticos Seja a ionização de um ácido fraco HA + H2O H3O+ + A- HA OHOH a a aa =K + 3 HA AOH -+ 3 a -+ 3 a f .ff . [HA] ]][AO[H =K ∴ [HA] ]][AO[H =´K -+ 3 Constante de equilíbrio termodinâmica Constante de equilíbrio ou de ionização aparente Seja, = grau de ionização do ácido HA c = concentração analítica (mol/L) de HA Então podemos escrever Ka em termos de [H3O+]=[A-] =α.c e [HA]=(c-α.c)=(1-α).c HA A.OH´ aa HA A.OH 2 a f ff .KK∴ f ff . α-1 cα K∴ 3 3 onde, À diluição infinita → Ka = Ka´ pois, f=1. Como HA é ácido fraco, I (ou µ) do meio não é elevada fHA 1 E na prática, em geral, podemos considerar Ka = Ka’ [HA] ]][AO[H α1 .cα K 3 2 ' a Tabela de constantes de ionização do ácido acético a 250C , calculadas a partir dos dados de condutância. Conclusões da tabela: Ka ~ cte. indica que o HAc segue a lei da diluição, i.é. a L.A.M. para a sua ionização Demonstra as suposições da teoria clássica: a diluição aumenta a extensão da ionização C α [H+]=[HOAc - ]=αc [HOAc]=(1-α)c Ka x10 5 2,0 0,0030 0,0060 1,99 1,81 1,0 0,0043 0,0043 0,996 1,86 0,2 0,0094 0,000186 0,198 1,75 0,1 0,0134 0,00134 0,0987 1,82 0,01 0,0415 0,00042 0,00958 1,85 Ka medio= 1,82 α1 .cα K 2 a Lei de diluição de Ostwald Forças de Ácidos e Bases HClO4 + H2O H3O+ + ClO4- HCl + H2O H3O+ + Cl- H3PO4 + H2O H3O+ + H2PO4- Al(H2O)63+ + H2O H3O+ + AlOH(H2O) 52+ HC2H3O2 + H2O H3O+ + C2H3O2- H2PO4- + H2O H3O+ + HPO42- NH4+ + H2O H3O+ + NH3 Ácido mais forte Ácido mais fraco Base mais fraca Base mais forte Reações de dissociação e forças relativas de alguns ácidos comuns e suas bases conjugadas. (Fonte: Skoog et al., Fundamentos de Química Analítica, São Paulo: Thomson Learning, 2007) HClO4 e HCl → dissociam-se total em H2Ofortes → pq a reação c/ o solvente é suficientemente completa de forma que não restam moléculas do soluto na solução aquosa. HC2H3O2 → apenas 1% dissocia NH4+ → apenas 0,01% dissocia Solvente nivelador e diferenciador Se substituirmos H2O por HOAc como solvente, nenhum dos ácidos HCl ou HClO4 sofrerá dissociação total CH3COOH + HClO4 CH3COOH2+ +ClO4- base1 ácido2 ácido1 base2 e HCl dissocia 5000 x menos que HClO4 em HOAc para HCl e HClO4 HOAc é um solvente diferenciador de acidez H2O é um solvente nivelador Dissociação de Bases Monovalentes B + H2O BH+ + OH- E a partir das mesmas considerações feitas para os ácidos, Kb = Kb’ B OHBH a aa bK B OHBH α1 .c 2α' b K Ionização de Ácidos polipróticos ocorre em etapas sucessivas Ex.: H3PO4+H2O H3O+ +H2PO4- (K1=7,5x10-3) H2PO4- + H2O H3O+ + HPO42- (K2= 6,2x10-8) HPO42- + H2O H3O+ + PO43- (K3=4,8x10-13) Cada etapa é tratada como a ionização de um ácido monoprótico. Idem para as polibases Relação entre Ka e Kb para um par conjugado De acordo com a autoionização da H2O Seja a reação ácido-base, B + H2O BH+ + OH- Base ácido conjugado = 1/Ka do ácido conjugado BH+ OHHKouOHO 3 HK ww w3b Kx OHB BH B OHBH K Pois para BH+, BH+ + H2O B + H3O+ Portanto, para um par ácido – base conjugado Ou, em termos de logaritmos, pKa + pKb = pKw wba a w b KKxKou K K K BH OHB Ka 3 Método sistemático para cálculos de equilíbrio: Balanço de massa e Balanço de carga Conceito da neutralidade de cargas: soluções A soma de todas as espécies químicas positivamente carregadas é igual a soma das espécies química negativamente carregadas em solução. Exemplo: uma solução contendo KH2P04 de KOH. Balanço de cargas será: Balanço de carga de um sistema em condição de equilíbrio químico Expressão geral para balanço de cargas: Onde: n = carga do cátion [C] = concentração do cátion m = carga do ânion [A] = concentração do ânion Balanço de carga de um sistema em condição de equilíbrio químico Balanço de massa: conceito de conservação da matéria Exemplo: solução 0,05 M em ácido acético Ácido acético é um ácido fraco, logo, a dissociação em seus íons não será completa. Na condição de equilíbrio químico existirá uma quantidade de ácido acético molecular. Então, no equilíbrio: 0,05 M = [CH3COOH] + [CH3COO-] ou [CH3COOH] = 0,05 M – [CH3COO- ] ou [CH3COOH] = 0,05 M – [H3O+] Balanço de massa de um sistema em condição de equilíbrio químico Escala de pH As soluções aquosas contêm H3O+ e OH- Já vimos, KW é constante a uma dada temperatura KW = [H3O+][OH-] Como KW é constante, as soluções aquosas podem ser caracterizadas pela [H3O+] ou pela [OH-] OH K OHe OH K OH 3 ww 3 Exs.: a) HCl 0,001 mol/L a 25oC [H3O+] = 10-3 mol/L e [OH-] = 10-14/10-3 = 10-11 mol/L b) NaOH 0,001 mol/L a 25oC [OH-] = 10-3 mol/L e [H3O+] = 10-11 mol/L Na prática, a faixa de [H3O+] e [OH-] mais encontrada é de 1 a 10-14 mol/L Escala de pH (S. P. Sorensen, 1909) Definição: pH = - log [H3O+] (outra maneira de expressar [H3O+]) E analogamente, pOH = - log[OH-] Das definições anteriores, pH + pOH = pKW (a 25oC pKw = 14) pH + pOH = 14 pH de soluções de ácidos e bases 1- pH de soluções de ácidos e bases fortes ácidos fortes se ionizam completamente em solução aquosa produzindo H3O+. bases fortes são compostos iônicos, sólidos, que em água sofrem dissociação em íons. Cálculos de pH e pOH são simples, a partir da concentração molar do soluto Em geral, [H3O+] e [OH-] provenientes da autoionização da água são desprezíveis. p/ ácidos e bases fortes Ex.1 : Qual o pH de uma solução de HCl 0,0020 mol/L? HCl H+ + Cl- [ H+ ] = 0,0020 = 2x10-3 mol/L Sabemos que : pH = - log [H+] = - log 2x10-3 = - ( log2 + log10-3 ) pH = - [0,30 + (-3)] = -0,3 + 3 pH = 2,70 Ex.2 : Qual o pH de uma solução de NaOH 5,0x10-4 mol/L? NaOH Na+ + OH- pOH = - log [OH-] = - log5x10-4 pOH = - (log5 + log10-4) = -[log5 + (-4)] pOH = - [ -0,7 + 4 ] = 3,30 pH = 14 – 3,30 pH = 10,70 2- pH de soluções de ácidos monopróticos fracos HA + H2O H3O+ + A- (dissociação incompleta do ácido) O outro único equilíbrio independente em solução é 2 H2O H3O+ + OH- cujo Kw=[H3O+][OH-] Ainda é possível derivar o balanço de massa (BM) e o balanço de carga (BC) BC : [H3O+ ] = [A- ] + [OH-] e BM: Ca = [HA] + [A-], onde Ca = concentração analítica do ácido HA AOH Ka 3 Resumindo Para os 2 equilíbrios, temos 4 equações e 4 incógnitas: [H3O+], [A-], [HA] e [OH-]. Ca e Ka são conhecidos. Lembrando, BC: [H3O+ ] = [A- ] + [OH-] e BM: Ca = [HA] + [A-] Como [OH-] << [A-], no BC pode-se considerar, na maioria dos casos, [H3O+] [A-] pois, Kw é pequeno e H3O+ resultante da dissociação do ácido reprime a dissociação da H2O. Consideremos, [H3O+]= [A-] = x Então, do BM [HA] = Ca - x Introduzindo x na expressão de Ka x2 + Kax – KaCa = 0 E resolvendo a equação de segundo grau teremos, Se x << Ca, de BM [HA] Ca x = [H3O+]= E , portanto aa 2 aa KCK 4 1 K 2 1 x xCa x Ka 2 aaCK aa logCpK 2 1 pH pH de soluções de monoácidos fracos Exemplo: pH de uma solução de HOAc 0,01 mol/L (pKa= 4,76) pH = ½ (4,76 – log 10-2) = 3,38 Obs. O erro introduzido ao considerar [HA]=Ca aumenta, à medida que Ka aumenta e Ca diminui. 3 - pH de soluções de bases monoequivalentes fracas Seja B, uma base fraca B + H2O BH+ B OHBH Kb A partir de considerações análogas às feitas para o ácido fraco, CbKbKb 4 1 Kb 2 1 OH 2 onde Cb é a concentração analítica da base. e CKbOH CbKb Kw OH3 KblogCblog 2 1 KwlogpH CblogpKb 2 1 14pH pH de soluções de monobasesfracas 4 - pH de soluções diluídas de ácidos muito fracos Nestes casos [H3O+] da dissociação da água não é desprezível em relação à [H3O+] da dissociação do ácido. Ex.: Solução de ácido bórico (HBO2) 1x10-5 mol/L HBO2 + H2O H3O+ + BO2- 10 2 23 10x5,6 HBO BOOH Ka Se considerarmos que a dissociação de HBO2 é a única fonte de H3O+, 1,7pH10x3,810x1x10x5,6OH 85103 Solução incorreta, pq. nenhum ácido pode dar solução básica por ionização em água! Portanto, deve-se considerar o BC e o BM BC: [H3O+] = [BO2-] + [OH-] [BO2-] = [H3O+] - [OH-] [BO2-]= ([H3O+] – Kw/[H3O+]) e BM: [HBO2] + [BO2-] = 1,0x10-5 mol/L Considerando [BO2-] muito pequena [HBO2] 1,0x10-5 mol/L e substituindo na eq. de Ka 10 5 3 33 105,6 101 x x OH Kw OHOH Ka [H3O+]2 - Kw = 6,5x10-15 [H3O+] = 1,64x10-7 mol/L pH = 6,79 Analogamente para soluções diluídas de bases muito fracas Reações de Hidrólise Ex.: uma solução de acetato de sódio (NaOAc) NaOAc ↔ Na+ + OAc- OAc- + H2O ↔ HOAc + OH- Reação global: NaOAc + H2O ↔ HOAc + Na+ + OH- Ânion de ácido fraco reage com a água formando um ácido fraco não dissociado. A solução resultante é básica. Em geral sais de ácidos fracos e bases fortes produzem soluções básicas, com o grau de basicidade de pendendo do Ka do ácido fraco associado. Quanto menor Ka , maior o grau de basicidade da solução aquosa. Reações de Hidrólise Ex.: solução aquosa de cloreto de amônio (NH4Cl) NH4Cl ↔ NH4+ + Cl- NH4+ + 2H2O ↔ NH4OH + H3O+ Reação global: NH4Cl + 2H2O ↔ NH4OH + Cl- + H3O+ Cátion de base fraca reage com a água formando uma base fraca não dissociada. A solução resultante é ácida. Em geral sais de bases fracas e ácidos fortes produzem soluções ácidas. Quanto menor Kb , maior o grau de acidez da solução aquosa. Reações de Hidrólise Ex.: solução aquosa de acetato de amônio (NH4AOc) NH4OAc ↔ NH4+ + OAc- NH4+ + 2H2O ↔ NH4OH + H3O+ OAc- + H2O ↔ HOAc + OH- Um sal deste tipo, produto da reação entre um ácido fraco e uma base fraca, pode gerar tanto soluções ácidas quanto básicas dependendo dos valores relativos de Ka e Kb. Se Ka > Kb, a solução será ácida Se Ka < Kb, a solução será básica Cálculos de pH Hidrólise de Ânions A- + H2O ↔ HA + OH- ][ ]][[ A OHHA Kh Constante de hidrólise ][ ][ ][ ]][[ H H A OHHA Kh ]][[]][[ ][ OHH HA HA Kh w a h K K K 1 a w h K K K Exemplo Calcule o pH em uma solução de NaCN 1,0 mol L-1. CN- + H2O ↔ HCN + OH- ][ ]][[ CN OHHCN Kh a w h K K K 5 10 14 105,2 100,4 1000,1 hK ][ ][ 2 OHC OH K CN h ][0,1 ][ 105,2 2 5 OH OH 0105,2][105,2][ 552 OHOH 13100,5][ LmolOH 70,11pH 30,2pOH Cálculos de pH Hidrólise de Cátions B+ + H2O ↔ BOH + H+ ][ ]][[ B HBOH Kh Constante de hidrólise ][ ][ ][ ]][[ OH OH B HBOH Kh ]][[]][[ ][ OHH OHB BOH Kh w b h K K K 1 b w h K K K Cálculos de pH Exemplo Calcule o pH de uma solução de NH4Cl 0,20 mol L-1. NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+ ][ ]][[ 4 33 NH OHNH Kh b w h K K K 10 5 14 106,5 108,1 1000,1 hK ][ ][ 3 2 3 4 OHC OH K NH h ][20,0 ][ 106,5 3 2 310 OH OH 01012,1][106,5][ 103 102 3 OHOH 15 3 101,1][ LmolOH 96,4pH Cálculos de pH Soluções Tampão Misturas Tampão ou Soluções Tampão mistura de eletrólitos resistentes à variação de acidez pela adição de pequenas quantidades de ácidos ou bases, sofrendo também pouca variação do pH por diluição. As soluções tampão são constituídas de ácidos fracos ou bases fracas. Para fins práticos existem dois tipos de Soluções Tampão: Mistura de ácido fraco com sua base conjugada Mistura de uma base fraca com seu ácido conjugado 48 Ex.: solução aquosa de ácido acético e acetato de sódio: NaOAc ↔ Na+ + Oac- (FORTE) HOAc + H2O ↔ H3O+ + OAc- (FRACA) A adição de uma pequena quantidade de H+ leva à reação: H3O+ + OAc- ↔ HOAc + H2O resultando em uma variação insignificante no pH, uma vez que a quantidade de H+ adicionado é muito menor que a concentração analítica de NaOAc. Já a adição de uma pequena quantidade de OH- leva à reação: OH- + H3O+ ↔ 2 H2O resultando em uma variação insignificante no pH, uma vez que a quantidade de OH- adicionado é muito menor que a concentração analítica de HOAc. 49 Soluções Tampão Da mesma forma, uma solução de hidróxido de amônio e cloreto de amônio dissocia-se como: NH4Cl ↔ NH4+ + Cl- (FORTE) NH3 + H2O (NH4OH) ↔ NH4+ + OH- (FRACA) A adição de uma pequena quantidade de H+ leva à reação: H3O+ + OH- ↔ 2 H2O resultando em uma variação insignificante no pH, uma vez que a quantidade de H+ adicionado é muito menor que a concentração analítica de NH3. Já a adição de uma pequena quantidade de OH- leva à reação: OH- + NH4+ ↔ NH3 + H2O (NH4OH) resultando em uma variação insignificante no pH, uma vez que a quantidade de OH- adicionado é muito menor que a concentração analítica de NH4Cl. 50 Soluções Tampão A ionização de um ácido fraco HA é governada por: 51 ][ ][ ][ A HAK H a ][ ][ log][log A HAK H a ][ ][ log A HA pKpH a Equação de Henderson-Hasselbalch Soluções Tampão O pH de um tampão depende: ◦ da Força Iônica (m): ◦ da Temperatura: Por exemplo, o tris(hidroximetil)aminometano possui dependência extremamente grande, cerca de -0,028 unidades de pKa por grau. pH 8,07 (25ºC) pH 8,7 (4ºC) pH 7,7 (37ºC) 52 A HA a A HA pKpH ][ ][ log Soluções Tampão Resolução: (A) Após a adição de 1,00 mL de uma solução de NaOH 0,1000 mol.L-1 em um frasco contendo 100,0 mL de água pura recém destilada e descarbonatada (B) Após a adição de 1,00 mL de solução de NaOH 0,1000 mol.L-1 em 100,0 mL de uma solução simultaneamente 0,1000 mol.L-1 em ácido acético e 0,1000 mol.L-1 em acetato de sódio. pKA do Ácido Acético = 4,76. (a) Cálculo de variação de pH na água pura: Acrescenta-se 1,00 mL de NaOH 0,1000 mol.L-1 a 100,0 mL de água pura. VTotal =101,0 mL. A concentração de íons OH- será definida pela regra de diluição: pOH = pCB. pOH = -log 1,00 x 10-3 pOH = 3,0 e pH = 14,0 - 3,0 = 11,0. CB = 0,1000 x (1,00/101,0) = 0,0010 mol.L-1 Soluções Tampão (b) Cálculo da variação de pH para a solução tampão acetato: Assim, ocorrerá uma variação de pH de 7,00 (pH neutro) para pH = 11,0 caracterizando-se um pH = 11,0 - 7,0 = 4,0. Calcula-se o pH da mistura antes da adição da solução de NaOH 0,1000 MolL-1 pH = pKA - log [HA] [A-] Neste caso, [HA] = [A-] = 0,10 mol.L-1 pH = pKA = 4,76 Na neutralização parcial para cada íon OH- adicionado forma-se um íon A-.Soluções Tampão 55 Assim, a concentração de íons OH- será definida pela regra de diluição: b = 0,1000 x (1,00/101,0) 1,00 x 10-3 mol.L-1 [HA] (CA - 0,0010) (0,1000 - 0,0010) 0,0990 Mol.L-1. [A-] (CA + 0,0010) (0,1000 + 0,0010) 0,1010 Mol.L-1 pH = 4,76 + log 1,020 pH = 4,76 + log 0,1010 0,0990 pH = 4,760 + 0,0087 = 4,769 pH = 4,769 - 4,760 = 0,009 unidades de pH Praticamente não há variação do pH, pela adição da base, funcionando assim o efeito tampão, que torna a solução, mesmo diluída, resistente à variação de pH pela adição da base forte. Em água pura, o pH = 4,0, e na mistura tampão, nas mesmas condições de volume o pH = 0,009. b = 0,0010 mol.L-1 Soluções Tampão
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