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Conteúdo principal

Equilíbrio de ácidos e bases fracos

Reações de ionização de ácidos e bases fracos e as constantes de equilíbrio associadas a elas,  Ka e Kb. Como relacionar Ka e Kb ao pH e calcular a porcentagem da dissociação. 

Pontos Principais:

  • Para um ácido fraco monoprótico genérico start text, H, A, end text com a base conjugada start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, a constante de equilíbrio tem a forma:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
  • A constante de ionização do ácido K, start subscript, start text, a, end text, end subscript quantifica o grau de ionização de um ácido fraco. Quanto maior o valor de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, mais forte é o ácido, e vice-versa.
  • Para uma base fraca genérica start text, B, end text com o ácido conjugado start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, a constante de equilíbrio tem a forma:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
  • A constante de dissociação da base (ou constante de ionização da base) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript quantifica o grau de ionização de uma base fraca. Quanto maior o valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, mais forte é a base, e vice-versa.

Ácidos e bases fortes versus fracos

Ácidos fortes e bases fortes referem-se às espécies que dissociam-se completamente para formar íons em solução. Em contraste, os ácidos e bases fracos ionizam apenas parcialmente, e a reação de ionização é reversível. Assim, soluções de ácidos e bases fracas contém múltiplas espécies carregadas e não carregadas em equilíbrio.
Neste artigo, vamos discutir reações de dissociação de ácidos e bases e as constantes de equilíbrio relacionadas: K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, a constante de dissociação do ácido, e K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, a constante de dissociação da base.

Aquecimento: Comparando a força do ácido e o start text, p, H, end text

Problema 1: Ácidos fracos versus fortes à mesma concentração

Temos duas soluções aquosas: uma solução 2, comma, 0, start text, M, end text de ácido fluorídrico, start text, H, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, e uma solução 2, comma, 0, start text, M, end text de ácido bromídrico, start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Qual solução tem o menor start text, p, H, end text?
Escolha 1 resposta:
Escolha 1 resposta:

Problema 2: Ácidos fracos versus fortes em concentrações diferentes

Dessa vez, nós temos uma solução 2, comma, 0, start text, M, end text de ácido fluorídrico start text, H, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, e uma solução 1, comma, 0, start text, M, end text de ácido bromídrico, start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Qual solução tem o menor start text, p, H, end text?
Assuma que nós não sabemos a constante de equilíbrio da dissociação do ácido fluorídrico.
Escolha 1 resposta:
Escolha 1 resposta:

Ácidos fracos e a constante de acidez, K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

Ácidos fracos são os ácidos que não se dissociam completamente em solução. Em outras palavras, um ácido fraco é qualquer ácido que não seja um ácido forte.
A força de um ácido fraco depende do quanto ele se dissocia: quando mais ele se dissociar, mais forte é o ácido. Para quantificarmos a força relativa dos ácidos fracos, nós podemos ver a constante de acidez, K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, a constante de equilíbrio da reação de dissociação do ácido.
Para um ácido monoprótico genérico start text, H, A, end text, a reação de dissociação em água pode ser escrita da seguinte forma:
start text, H, A, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis
Com base nessa reação, podemos escrever a nossa expressão da constante de equilíbrio K, start subscript, start text, a, end text, end subscript:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
A expressão do equilíbrio é uma razão dos produtos para reagentes. Quando mais o start text, H, A, end text se dissociar em start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript e na base conjugada start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, mais forte será o ácido, e maior será o valor de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript. Já que o start text, p, H, end text está relacionado ao open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, o start text, p, H, end text da solução será uma função que envolve K, start subscript, start text, a, end text, end subscript e que também envolve a concentração do ácido: o start text, p, H, end text diminui conforme a concentração do ácido e/ou o K, start subscript, start text, a, end text, end subscript aumenta(m).

Ácidos fracos comuns

Ácido málico, start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 5, end subscript, é um ácido orgânico encontrado em maçãs. Imagem de Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.
Ácidos carboxílicos são um grupo funcional comum em ácidos orgânicos fracos, e eles têm a fórmula minus, start text, C, O, O, H, end text. O ácido málico, left parenthesis, start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 5, end subscript, right parenthesis, um ácido orgânico que contém dois grupos ácido carboxílico, contribuí para o sabor da maçã e de outras frutas. Como existem dois grupos ácido carboxílico na molécula, o ácido málico pode doar até dois prótons.
A tabela abaixo lista mais exemplos de ácidos fracos e contém os seus valores de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript.
NomeFórmulaK, start subscript, start text, a, end text, end subscript, left parenthesis, 25, degrees, start text, C, end text, right parenthesis
Amôniostart text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript5, comma, 6, times, 10, start superscript, minus, 10, end superscript
Ácido clorosostart text, H, C, l, O, end text, start subscript, 2, end subscript1, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript
Ácido fluorídricostart text, H, F, end text7, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Ácido acéticostart text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Verificando o conceito: Com base na tabela acima, qual ácido é o mais forte minus o ácido acético ou o ácido fluorídrico?

Exemplo 1: Calcular a % de dissociação de um ácido fraco

Uma forma de quantificar a dissociação de um ácido fraco em solução é calcular a porcentagem da dissociação. A porcentagem da dissociação de um ácido fraco start text, H, A, end text pode ser calculada da seguinte forma:
Se o ácido nitroso left parenthesis, start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis possui K, start subscript, start text, a, end text, end subscript igual a 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript a 25, degrees, start text, C, end text, qual é a porcentagem da dissociação de uma solução de ácido nitroso 0, comma, 400, start text, space, M, end text em solução?
Vamos resolver esse exemplo passo a passo!

Etapa 1: Escrever a reação balanceada da dissociação do ácido

Primeiramente, vamos escrever a reação balanceada da dissociação do start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript em água. O ácido nitroso pode doar um próton para água para formar start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis:
start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Etapa 2: Escrever a expressão de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

A partir da equação vista no Passo 1, nós podemos escrever a expressão de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript para o ácido nitroso:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket, end fraction, equals, 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript

Etapa 3: Encontre open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket e open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket no equilíbrio

A seguir, nós vamos usar a start text, t, a, b, e, l, a, space, d, e, space, e, q, u, i, l, ı, with, \', on top, b, r, i, o, space, q, u, ı, with, \', on top, m, i, c, o, end text para determinar expressões algébricas para as concentrações no equilíbrio na nossa expressão K, start subscript, start text, a, end text, end subscript:
start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis\rightleftharpoonsstart text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscriptstart text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript
Ínicio0, comma, 400, start text, M, end text00
Variaçãominus, xplus, xplus, x
Equilíbrio0, comma, 400, start text, M, end text, minus, xxx
Substituindo os valores das concentrações no equilíbrio na nossa expressão de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, nós obtemos:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, left parenthesis, x, right parenthesis, left parenthesis, x, right parenthesis, divided by, left parenthesis, 0, comma, 400, start text, M, end text, minus, x, right parenthesis, end fraction, equals, 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Simplificando essa expressão, nós obtemos:
start fraction, x, squared, divided by, 0, comma, 400, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Essa é uma equação quadrática com a qual podemos encontrar o valor de x usando a fórmula de Bhaskara ou usando um método de aproximação.
Qualquer um dos dois métodos resultará em x, equals, 0, comma, 0126, start text, space, M, end text. Portanto, open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, equals, 0, comma, 0126, start text, space, M, end text.

Etapa 4: Calcular a porcentagem de dissociação

Para calcular a porcentagem de dissociação, nós podemos usar as concentrações do equilíbrio que encontramos no Passo 3:
Portanto, 3, comma, 2, percent do start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript em solução se dissociou em íons start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript e start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript.

Bases fracas e K, start subscript, start text, b, end text, end subscript

Vamos agora analisar a constante de dissociação de uma base (também conhecida como constante de ionização de uma base) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. Podemos começar escrevendo a reação de ionização para uma base genérica fraca start text, B, end text em água. Nessa reação, a base aceita um próton da água para formar a hidroxila e o ácido conjugado, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript:
start text, B, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis
Nós podemos escrever a expressão da constante de equilíbrio K, start subscript, start text, b, end text, end subscript da seguinte forma:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
A partir dessa relação, nós podemos ver que quanto mais a base se ionizar para formar start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, mais forte será a base, e maior será o valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. Como tal, o start text, p, H, end text da solução será calculado por uma função que envolve tanto o valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript como também o da concentração da base.

Exemplo 2: Calculando o start text, p, H, end text de uma solução de base fraca

Qual é o start text, p, H, end text de uma solução 1, comma, 50, start text, space, M, end text de amônia, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript? left parenthesis, K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, right parenthesis
Esse exemplo é um problema de equilíbrio com um passo extra: encontrar o start text, p, H, end text a partir de open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket. Vamos ver os cálculos passo a passo.

Etapa 1: Escrever a reação de ionização balanceada

Primeiramente, vamos escrever a reação de ionização da amônia. A amônia aceita um próton da água para formar o amônio, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript:
start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Etapa 2: Escrever a expressão de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

A partir dessa equação balanceada, nós podemos escrever uma expressão para K, start subscript, start text, b, end text, end subscript:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, close bracket, end fraction, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript

Etapa 3: Encontre open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, close bracket e open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket no equilíbrio

Para determinar as concentrações de equilíbrio, nós podemos usar uma start text, t, a, b, e, l, a, space, d, e, space, e, q, u, i, l, ı, with, \', on top, b, r, i, o, space, q, u, ı, with, \', on top, m, i, c, o, end text:
start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis\rightleftharpoonsstart text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscriptstart text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript
Início1, comma, 50, start text, M, end text00
Variaçãominus, xplus, xplus, x
Equilíbrio1, comma, 50, start text, M, end text, minus, xxx
Substituindo os valores do equilíbrio na nossa expressão de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, nós obtemos:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, left parenthesis, x, right parenthesis, left parenthesis, x, right parenthesis, divided by, 1, comma, 50, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Simplificando, obtemos:
start fraction, x, squared, divided by, 1, comma, 50, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Essa é uma equação quadrática que pode ser resolvida com a fórmula de Bhaskara ou com um método de aproximação. Qualquer um dos dois métodos irá lhe dar a solução
x, equals, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, 5, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 3, end superscript, start text, space, M, end text

Etapa 4: Encontre start text, p, H, end text a partir de open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket

Agora que sabemos a concentração da hidroxila, nós podemos calcular o start text, p, O, H, end text:
pOH=log[OH]=log(5,2×103)=2,28\begin{aligned}\text{pOH}&=-\log[\text{OH}^-]\\ \\ &=-\log(5{,}2\times10^{-3})\\ \\ &=2{,}28\end{aligned}
Lembre-se de que 25, degrees, start text, C, end text, start text, p, H, end text, plus, start text, p, O, H, end text, equals, 14. Rearranjando esta equação, nós temos:
start text, p, H, end text, equals, 14, minus, start text, p, O, H, end text
Substituindo o valor do start text, p, O, H, end text, nós obtemos:
start text, p, H, end text, equals, 14, comma, 00, minus, left parenthesis, 2, comma, 28, right parenthesis, equals, 11, comma, 72
Portanto, o start text, p, H, end text da solução é 11,72.

Bases fracas comuns

À esquerda, estrutura da piridina. À direita, a estrutura genérica de uma amina: um átomo neutro de nitrogênio com ligações simples com os radicais R1, R2, e R3.
Piridina (à esquerda) é um composto cíclico nitrogenado. Aminas (à direita) são compostos orgânicos contendo um átomo neutro com três ligações simples com hidrogênio ou carbono. Ambas as moléculas atuam como bases fracas.
De sabonetes até produtos de limpeza domésticos, as bases fracas estão por toda parte. As aminas, um nitrogênio neutro com três ligações com outros átomos (geralmente um carbono e um hidrogênio), são um grupo funcional comum em bases orgânicas fracas.
As aminas agem como bases porque há um par de elétrons livres no nitrogênio que pode aceitar um start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. A amônia, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, é um exemplo de uma amina que é uma base. A piridina, start text, C, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, N, end text, é um outro exemplo de uma base que contém nitrogênio.

Resumo

  • Para um ácido fraco monoprótico genérico start text, H, A, end text com a base conjugada start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, a constante de equilíbrio tem a forma:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
  • A constante de acidez K, start subscript, start text, a, end text, end subscript quantifica a extensão da dissociação de um ácido fraco. Quanto maior o valor de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, mais forte será o ácido, e vice-versa.
  • Para uma base fraca genérica start text, B, end text com o ácido conjugado start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, a constante de equilíbrio tem a forma:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
  • A constante de dissociação da base (ou constante de ionização de base) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript quantifica a extensão da ionização de uma base fraca. Quanto maior o valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, mais forte será a base, e vice-versa.

Tente!

Problema 1: Encontre K, start subscript, start text, b, end text, end subscript a partir do start text, p, H, end text

Uma solução 1, comma, 50, start text, space, M, end text de piridina, start text, C, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, N, end text, tem start text, p, H, end text igual a 9, comma, 70 a 25, degrees, start text, C, end text. Qual é o valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript da piridina?
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  • Avatar blobby green style do usuário Ana Clara
    ótimo resumo, mas seria melhor colocar valores que sejam calculáveis sem calculadora. como eu ia adivinhar quanto é 10 elevado a 4,3?
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