Ácidos e bases de Arrhenius

Definição de ácidos e bases de Arrhenius, e reações ácido-base de Arrhenius .

Principais pontos

  • Um ácido de Arrhenius é qualquer composto que aumenta a concentração do H+\text{H}^+ em solução aquosa.
  • Uma base de Arrhenius é qualquer composto que aumenta a concentração do OH\text{OH}^- em solução aquosa.
  • Em solução aquosa, os íons H+\text{H}^+ reagem instantaneamente com a água para formar íons hidrônio, H3O+\text{H}_3\text{O}^+.
  • Em uma reação ácido-base, ou neutralização, um ácido e uma base de Arrhenius geralmente reagem para formar água e um sal.

Introdução

Do vinagre em seu armário de cozinha ao sabonete em seu banheiro, ácidos e bases estão em todo lugar! Mas o que significa dizer que alguma coisa é ácida ou básica? Para responder a esta pergunta, precisamos estudar algumas das teorias que descrevem ácidos e bases. Neste artigo, iremos focar na teoria de Arrhenius.

Ácidos de Arrhenius

A teoria de Arrhenius para ácidos e bases foi proposta originalmente pelo químico sueco Svante Arrhenius em 1884. Ele sugeriu a classificação de certos compostos como ácidos ou bases com base nos íons formados por eles quando adicionados à agua.
Fotografia de duas toranjas Ruby Red, uma inteira e uma cortada em três pedaços.
Frutas cítricas—como a toranja—contêm alto teor de ácido cítrico, um ácido orgânico comum. Figura: Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5
Um ácido de Arrhenius é qualquer espécie que aumenta a concentração dos íons — ou prótons — H+\greenD{\text{H}^+} em solução aquosa. Por exemplo, consideremos a dissociação do ácido clorídrico, HCl\text{HCl}, em água:
HCl(aq)H+(aq)+Cl(aq)\greenD{\text{H}}\text {Cl}(aq)\rightarrow \greenD{\text{H}^+}(aq)+\text{Cl}^-(aq)
Quando preparamos uma solução aquosa de ácido clorídrico, HCl\greenD{\text{H}}\text{Cl} se dissocia em íons H+\greenD{\text{H}^+} e Cl\text{Cl}^-. Uma vez que isto resulta em um aumento da concentração dos íons H+\greenD{\text{H}^+} em solução, o ácido clorídrico é um ácido de Arrhenius.

Íons hidrogênio ou íons hidrônio?

Vamos dizer que preparamos um solução aquosa 2 M de ácido bromídrico, HBr\text{HBr}, que é um ácido de Arrhenius. Isso significa que temos 2 M de íons H+\text H^+ na nossa solução?
Na verdade, não. Na prática, os prótons carregados positivamente reagem com as moléculas de água ao redor para formar íons hidrônio, H3O+\text{H}_3\text{O}^+. Essa reação pode ser escrita da seguinte forma:
H+(aq)+H2O(l)H3O+(aq)\text{H}^+(aq)+\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(aq)
Apesar de geralmente escrevermos as reações de dissociação de ácidos mostrando a formação de H+(aq)\text H^+(aq), não há íons H+\text{H}^+ livres na solução. Em vez disso, há principalmente íons H3O+\text{H}_3\text{O}^+, que se formam instantaneamente quando um ácido se dissocia em água. A figura a seguir mostra a formação de íons hidrônio a partir da água e íons hidrogênio utilizando modelos moleculares:
Figura de um próton, representado por um ponto, reagindo com uma molécula de água para formar o íon hidrônio.
Quando um ácido se dissocia em água formando íons H+\text{H}^+, prótons, os íons H+\text{H}^+ imediatamente reagem com água para formar H3O+\text{H}_3\text{O}^+. Por isso, os químicos falam nas concentrações de íons hidrogênio e íons hidrônio como sendo a mesma coisa. Crédito da imagem: UC Davis Chemwiki, CC BY-NC-SA 3.0 US
Na prática, a maioria dos químicos falam nas concentrações de H+\text{H}^+ e H3O+\text{H}_3\text{O}^+ como sendo a mesma coisa. Quando queremos ser mais exatos — e menos preguiçosos! — podemos escrever a dissociação do ácido bromídrico de forma a mostrar de maneira explícita a formação de íons hidrônio em vez de prótons:
HBr(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+Br(aq)        Mais exatavs.HBr(aq)H+(aq)+Br(aq)    Mais curta e fcil de escrever!aˊ\begin{aligned}\text{HBr}(aq)+\text{H}_2\text{O}(l) &\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~~~~~{\text{Mais exata}}\\ \\ &\text{vs.} \\ \\ \text{HBr}(aq) &\rightarrow\text{H}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~\text{Mais curta e fácil de escrever!}\end{aligned}
Em geral, qualquer uma das formas descritas é aceitável para mostrar a dissociação de um ácido de Arrhenius.

Bases de Arrhenius

Uma base de Arrhenius é definida como qualquer espécie que aumenta a concentração de íons hidroxila, OH\redD{\text{OH}^-}, em solução aquosa. Um exemplo de uma base de Arrhenius é o altamente solúvel hidróxido de sódio, NaOH\text{NaOH}. O hidróxido de sódio dissocia-se em água da seguinte maneira:
NaOH(aq)Na+(aq)+OH(aq)\text{Na} \redD{\text{OH}}(aq)\rightarrow\text{Na}^+(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq)
Em água, o hidróxido de sódio se dissocia completamente formando os íons OH\redD{\text{OH}^-} e Na+\text{Na}^+, o que resulta em um aumento da concentração de íons hidroxila. Logo, NaOH\text{NaOH} é uma base de Arrhenius. Bases de Arrhenius comuns incluem outros hidróxidos das Famílias 1 e 2 como LiOH\text{LiOH} e Ba(OH)2\text{Ba(OH)}_2.
Béquer contendo moléculas de água, cátions sódio e ânions hidróxido.
Uma solução aquosa de hidróxido de sódio, uma base de Arrhenius, contém íons sódio e hidroxila dissociados.
Mesmo compostos insolúveis como Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2 são geralmente classificados como bases de Arrhenius porque apresentam uma fração que consegue se dissolver em água, e esta fração que fica em solução se dissocia formando íons OH\text{OH}^-.
Uma outra forma de pensar sobre isso é que a solubilidade total não é um requisito para que algo seja considerado uma base de Arrhenius! Contanto que parte dele fique em solução e aumente a concentração de íons OH\text{OH}^-, podemos classificá-lo como uma base deArrhenius.
Observe que, dependendo da sua aula — ou livro, ou professor — bases que não contêm hidroxila podem ou não ser classificadas como bases de Arrhenius. Alguns livros definem uma base de Arrhenius de modo mais restrito: uma substância que aumenta a concentração de OH\text{OH}^- em solução aquosa e também contém pelo menos uma unidade de OH\text{OH}^- na fórmula química. Apesar de que isso não muda a classificação dos hidróxidos das Familias 1 e 2, as coisas podem ficar um pouco confusas ao tratarmos de compostos como a metilamina, CH3NH2\text {CH}_3 \text {NH}_2.
Quando a metilamina é adicionada à água, ocorre a seguinte reação:
CH3NH2(aq)+H2O(l)CH3NH3+(aq)+OH(aq)\text {CH}_3 \text {NH}_2(aq)+\text H_2 \text O(l) \leftrightharpoons \text {CH}_3 \text {NH}_3^+(aq)+\redD{\text {OH}^-}(aq)
Com base na nossa primeira definição, a metilamina seria uma base de Arrhenius uma vez que a concentração de íons OH\text {OH}^- aumenta na solução. Pela segunda definição, no entanto, ela não contaria como uma base de Arrhenius, já que sua fórmula química não inclui hidroxila.

Reações ácido-base: ácido de Arrhenius + base de Arrhenius = água + sal

Quando um ácido de Arrhenius reage com uma base de Arrhenius, os produtos são geralmente água mais um sal. Estas reações são também às vezes chamadas de reações de neutralização. Por exemplo, o que acontece quando combinamos soluções aquosas de ácido fluorídrico, HF\text{HF}, e hidróxido de lítio, LiOH\text{LiOH}?
Se pensarmos nas soluções de ácido e base separadamente, sabemos o seguinte:
  • Um ácido de Arrhenius aumenta a concentração de H+(aq)\greenD{\text H^+}(aq):
HF(aq)H+(aq)+F(aq)\greenD{\text{H}}\text{F}(aq) \leftrightharpoons \greenD{\text{H}^+}(aq)+\text{F}^-(aq)
  • Uma base de Arrhenius aumenta a concentração de OH(aq)\redD{\text{OH}^-}(aq):
LiOH(aq)Li+(aq)+OH(aq)\text{Li}\redD{\text{OH}}(aq) \rightarrow \text{Li}^+(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq)
Quando o ácido e a base se combinam em solução, H2O\text H_2 \text O é produzida a partir da reação entre os íons hidrogênio e hidroxila, enquanto os outros íons formam o sal LiF(aq)\text{LiF}(aq):
H+(aq)+OH(aq)H2O(l)             Formaço de guaa˜aˊ\greenD{\text H^+}(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq) \rightarrow \text{H}_2 \text O(l)~~~~~~~~~~~~~\text{Formação de água}
Li+(aq)+F(aq)LiF(aq)                Formaço do sala˜\text{Li}^+(aq)+\text{F}^-(aq) \rightarrow\text{LiF}(aq)~~~~~~~~~~~~~~~~\text{Formação do sal}
Se somarmos a reação da formação de água com a da formação do sal, nós chegamos a reação geral de neutralização entre o ácido fluorídrico e o hidróxido de lítio:
HF(aq)+LiOH(aq)H2O(l)+LiF(aq)\greenD{\text{H}}\text{F}(aq) + \text{Li}\redD{\text{OH}}(aq) \rightarrow \text{H}_2 \text O(l)+\text{LiF}(aq)

Limitações da definição de Arrhenius

A teoria de Arrhenius é limitada no sentido de que só trata a química ácido-base em soluções aquosas. Porém, reações semelhantes também podem ocorrer em solventes não aquosos, assim como entre moléculas no estado gasoso. Como resultado, os químicos modernos preferem em geral a teoria de Brønsted-Lowry, que é útil para uma gama de reações químicas maior. A teoria de ácidos e bases de Brønsted-Lowry será discutida em um artigo separado!

Resumo

  • Um ácido de Arrhenius é qualquer composto que aumenta a concentração do H+\text{H}^+ em solução aquosa.
  • Uma base de Arrhenius é qualquer composto que aumenta a concentração do OH\text{OH}^- em solução aquosa.
  • Em solução aquosa, os íons H+\text{H}^+ reagem instantaneamente com a água formando íons hidrônio, H3O+\text{H}_3\text{O}^+.
  • Em uma reação ácido-base, ou neutralização, um ácido e uma base de Arrhenius geralmente reagem para formar água e um sal.

Créditos

Este artigo é uma adaptação do artigo a seguir:
  1. Acid/Base Basics” disponível em UC Davis ChemWiki, CC BY-NC-SA 3.0
O artigo adaptado está autorizado sob licença CC-BY-NC-SA 4.0

Outras referências

Zumdahl, S. S., and S. A. Zumdahl. "Atomic Structure and Periodicity." In Chemistry, 290-94. 6th ed. Boston, MA: Hougton Mifflin Company, 2003.
Kotz, J. C., P. M. Treichel, J. R. Townsend, and D. A. Treichel. "Acids and Bases: The Arrhenius Definition." In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition, 116. 9th ed. Stamford, CT: Cengage Learning, 2015.
Carregando