Ácidos, bases, pH e soluções tampão

Acidez e basicidade, concentração de prótons, escala de pH e tampões.

Introdução

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 básicas1^1.
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:
  • Uma solução ácida tem uma alta concentração de íons de hidrogênio (H+^+), maior do que a da água pura.
  • Soluções básicas tem uma concentração de H+^+ menor do que a da água pura.
Para saber de onde vêm essas definições, vamos examinar algumas propriedades ácido-base da água.

Autoionização 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:
H2\text{H}_2O\text{O} (l)\text{(l)} \rightleftharpoons H+\text{H}^+ (aq)\text{(aq)} + OH\text{OH}^- (aq)\text{(aq)}
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+^+) e íons de hidróxido (OH^-). 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 (H3_3O+^+). Portanto, não há realmente íons de H+^+ 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 × 107 ^{-7} 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 33,460,000,000,000,000,000,000,0002,3 ^{2,3}. (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.

Ácidos e bases

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+^+ mais alta do que a água (mais que 1 × 107^{-7} M), enquanto soluções básicas (alcalinas) têm uma concentração mais baixa de H+^+ (menos que 1 × 107^{-7} 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:
pH =log10\text{pH =} -log_{10}[H\text{[H}+^+]\text]
Os colchetes ao redor do H+^+ apenas mostram que estamos nos referindo a sua concentração. Se inserirmos a concentração de íons de hidrogênio da água (1 × 107^{-7} 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^+ 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+^+) em uma solução, geralmente doando um de seus átomos de hidrogênio través da dissociação. Em contrapartida, a base aumenta o pH doando hidróxido (OH^-) 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+^+. 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+^+.

A escala de pH

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+^+. 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.

Soluções tampão

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+^+, um tampão absorverá alguns deles elevando o pH; quando houver poucos íons, um tampão doará alguns de seus H+^+ 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 (H2_2 CO3_3) e sua base conjugada, o íon bicarbonato (HCO3_3^-). 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 CO2_2, que é liberado como um produto residual).
Se muitos íons de H+^+ se formarem, a equação acima será desviada para a direita, e os íons bicarbonato absorverão o H+^+ para formar ácido carbônico. Da mesma forma, se as concentrações de H+^+ caírem demasiadamente, a equação será desviada para a esquerda, e o ácido carbônico vai se transformar em bicarbonato, doando íons de H+^+ para a solução. Sem este sistema tampão, o pH do corpo flutuaria o suficiente para colocar a sobrevivência em risco.
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