Ácidos, bases, pH e soluções tampão

Mesmo sem ter pisado em um laboratório de química, é muito provável que você saiba uma coisa ou outra sobre ácidos e bases. Por exemplo, você bebeu um suco de laranja ou um refrigerante recentemente? Se sim, você conhece algumas soluções ácidas. E se você alguma vez usou bicarbonato de sódio, ou até mesmo claras de ovos na cozinha, também está familiarizado com algumas substâncias básicas$^1$start superscript, 1, end superscript.

Você deve ter percebido que algumas substâncias ácidas tem um gosto meio azedo e que algumas substâncias básicas, como sabão e hipoclorito, tendem a ser escorregadias. Mas o que realmente significa algo ser ácido ou ser básico? Para simplificar:

Para saber de onde vêm essas definições, vamos examinar algumas propriedades ácido-base da água.

Íons de hidrogênio são gerados espontaneamente na água pura por meio da dissociação (ionização) de uma pequena porcentagem de moléculas de água. Este processo é chamado de autoionização da água:

$\text{H}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript$\text{O}$start text, O, end text $\text{(l)}$start text, left parenthesis, l, right parenthesis, end text $\rightleftharpoons$\rightleftharpoons $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript $\text{(aq)}$start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text + $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript $\text{(aq)}$start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text

As letras entre parênteses significam apenas que a água é líquida (l), e que os íons estão em solução aquosa (à base de água) (aq).

Conforme mostrado na equação, a dissociação gera um número igual de íons de hidrogênio (H$^+$start superscript, plus, end superscript) e íons de hidróxido (OH$^-$start superscript, minus, end superscript). Enquanto os íons de hidróxido flutuam na solução como íons, os íons de hidrogênio são transferidos diretamente para as moléculas de água próximas formando íons de hidrônio (H$_3$start subscript, 3, end subscriptO$^+$start superscript, plus, end superscript). Portanto, não há realmente íons de H$^+$start superscript, plus, end superscript flutuando livremente na água. Contudo, os cientistas ainda se referem aos íons de hidrogênio e sua concentração como se eles estivessem flutuando livremente, e não na forma de hidrônio - isto é uma convenção adotada por facilidade.

Assim, quantas moléculas de água em uma jarra de água vão se dissociar? A concentração dos íons de hidrogênio produzidos pela dissociação da água pura é de 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M (moles por litro de água).

Isso é muito ou pouco? Embora o número de íons de hidrogênio em um litro de água pura seja grande na escala na qual usamos geralmente (quadrilhões), o número total de moléculas de água dissociadas e não dissociadas em um litro – é em torno de 33,460,000,000,000,000,000,000,000$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript. (Pense nisso quando beber seu próximo copo de água!) Portanto, as moléculas de água autoionizadas são uma fração muito pequena das moléculas totais em qualquer volume de água pura.

As soluções são classificadas como ácidas ou básicas de acordo com suas concentrações de íons hidrogênio em relação à água pura. Soluções ácidas têm concentração de H$^+$start superscript, plus, end superscript mais alta do que a água (mais que 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M), enquanto soluções básicas (alcalinas) têm uma concentração mais baixa de H$^+$start superscript, plus, end superscript (menos que 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M). Normalmente, a concentração de íons de hidrogênio de uma solução é expressa em termos de pH. O pH é calculado como o logaritmo negativo da concentração de íons de hidrogênio de uma solução:

Os colchetes ao redor do H$^+$start superscript, plus, end superscript apenas mostram que estamos nos referindo a sua concentração. Se inserirmos a concentração de íons de hidrogênio da água (1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M) nessa equação, chegaremos ao valor 7,0, também chamado de pH neutro. No corpo humano, o sangue e o citoplasma das células têm valores de pH próximos do neutro.

A concentração de $H^+$H, start superscript, plus, end superscript deixa de ser neutra quando um ácido ou base é adicionado à solução aquosa (à base de água). Para nossos propósitos, um ácido é uma substância que aumenta a concentração de íons hidrogênio (H$^+$start superscript, plus, end superscript) em uma solução, geralmente doando um de seus átomos de hidrogênio través da dissociação. Em contrapartida, a base aumenta o pH doando hidróxido (OH$^-$start superscript, minus, end superscript) ou outro íon ou molécula que se liga aos íons de hidrogênio removendo-os da solução. (Esta é uma definição simplificada do papel dos ácidos e bases na biologia. Veja outras definições de ácido-base na seção de química).

Quanto mais forte o ácido, mais facilmente ele se dissocia e gera íons H$^+$start superscript, plus, end superscript. Por exemplo, o ácido clorídrico (HCl) em solução aquosa se dissocia completamente em íons de hidrogênio e de cloro, então ele é considerado um ácido forte. Por outro lado, os ácidos do suco de tomate ou do vinagre não se dissociam completamente em solução aquosa e são considerados ácidos fracos. De maneira semelhante, bases fortes como o hidróxido de sódio (NaOH) se dissociam completamente na água, liberando íons de hidróxido (ou outros tipos de íons básicos) que podem absorver os íons de H$^+$start superscript, plus, end superscript.

A escala de pH é usada para classificar as soluções de acordo com a acidez ou basicidade (alcalinidade). Na medida em que a escala tem como base os valores de pH, ela é logarítmica, que significa que uma variação de 1 unidade de pH corresponde a uma variação de dez vezes na concentração do íon H$^+$start superscript, plus, end superscript. Diz-se que a escala de pH varia de 0 a 14, e a maioria das soluções realmente se encontra nessa faixa, embora seja possível um pH menor que 0 ou maior que 14. Abaixo de 7 é ácido e acima de 7 é alcalino ou básico.

O pH das células humanas (6,8) e o pH do sangue (7,4) são muito próximos do neutro. Valores extremos de pH, muito acima ou muito abaixo 7,0, costumam ser considerados desfavoráveis para a vida. No entanto, o ambiente dentro do estômago é muito ácido, com um pH de 1 a 2. Como o estômago lida com esse problema? A resposta é: células descartáveis! As células estomacais, especialmente as que entram em contato direto com o ácido estomacal e os alimentos, estão constantemente morrendo e sendo substituídas por células novas. Na realidade, o revestimento do estômago humano é completamente substituído a cada sete ou dez dias.

A maioria dos organismos, incluindo os seres humanos, precisa manter o pH dentro de uma faixa bastante estreita para sobreviver. Por exemplo, o sangue humano precisa se manter bem próximo ao pH de 7,4 e evitar mudanças significativas para mais ou para menos – mesmo se houver a entrada de substâncias ácidas ou básicas na corrente sanguínea.

Os tampões biológicos, soluções que neutralizam as variações no pH, são a chave para a estabilidade da concentração de íons nos sistemas biológicos. Quando houver muitos íons de H$^+$start superscript, plus, end superscript, um tampão absorverá alguns deles elevando o pH; quando houver poucos íons, um tampão doará alguns de seus H$^+$start superscript, plus, end superscript para diminuir o pH. Os tampões consistem geralmente de um par ácido-base, diferindo o ácido e a base pela presença ou ausência de um próton (par ácido-base conjugado).

Por exemplo, um dos tampões que mantêm o pH do sangue humano é o ácido carbônico (H$_2$start subscript, 2, end subscript CO$_3$start subscript, 3, end subscript) e sua base conjugada, o íon bicarbonato (HCO$_3$start subscript, 3, end subscript$^-$start superscript, minus, end superscript). O ácido carbônico é formado quando o dióxido de carbono entra na corrente sanguínea e se combina com água, e ele é a principal forma na qual o dióxido de carbono viaja no sangue entre os músculos (onde ele é gerado) e os pulmões (onde é convertido em água e CO$_2$start subscript, 2, end subscript, que é liberado como um produto residual).

Se muitos íons de H$^+$start superscript, plus, end superscript se formarem, a equação acima será desviada para a direita, e os íons bicarbonato absorverão o H$^+$start superscript, plus, end superscript para formar ácido carbônico. Da mesma forma, se as concentrações de H$^+$start superscript, plus, end superscript caírem demasiadamente, a equação será desviada para a esquerda, e o ácido carbônico vai se transformar em bicarbonato, doando íons de H$^+$start superscript, plus, end superscript para a solução. Sem este sistema tampão, o pH do corpo flutuaria o suficiente para colocar a sobrevivência em risco.