Autoionização da água

RKA8JV - Olá, tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma aula de Ciências da Natureza. Nesta aula, vamos conversar sobre a autoionização da água. A autoionização da água se refere à reação das moléculas de água para formar dois íons. O íon hidrônio, que é o H₃O⁺, e o íon hidróxido, que é o OH⁻. A água pode funcionar como um ácido ou uma base, e nessa reação, uma molécula de água funciona como um ácido de Bronsted-Lowry e doa 1 próton, e outra molécula de água funciona como uma base de Bronsted-Lowry e aceita 1 próton. Na reação, a base pega 1 íon H⁺ do ácido e esses 2 elétrons são deixados para trás nesse oxigênio. Ao adicionar um H⁺ ao H₂O, temos como resultado o íon hidrônio H₃O⁺. Ao tirar um H⁺ de H₂O temos como resultado o íon hidróxido OH⁻. Podemos escrever uma expressão de constante de equilíbrio para essa reação. Sendo assim, podemos colocar aqui a constante de equilíbrio "K" sendo igual a, começamos com os nossos produtos, ou seja, temos a concentração de íons hidrônio. Uma vez que temos um coeficiente de 1 à frente do hidrônio na equação balanceada, teremos a concentração de íons hidrônio elevado à primeira potência, e isso vezes a concentração de íons hidróxido. Como também temos um coeficiente de 1 na equação balanceada, temos essa concentração também elevado à primeira potência. Agora, a gente colocaria isso sobre a concentração dos reagentes, porém, o que temos aqui é água líquida, que vai ser deixada de fora da expressão de constante de equilíbrio. Então ficamos apenas com isso. Normalmente, escreveríamos "Kc", onde o "c" representa a concentração para a constante de equilíbrio, afinal, estamos lidando com concentrações aqui. No entanto, essa uma expressão de constante de equilíbrio especial para a autoionização da água, então, em vez de escrever "Kc", vamos escrever "Ka", onde o "a'' significa água. Ka = 1,0 vezes 10⁻¹⁴, a 25 °C. Repare que temos um valor muito baixo para "Ka", ou seja, temos um valor muito menor que 1. Isso nos diz que em equilíbrio temos uma concentração muito pequena de íons hidrônio e íons hidróxido, então, temos principalmente moléculas de H₂O em equilíbrio. Vamos seguir em frente resolver aqui para a concentração de íons hidrônio e íons hidróxido em equilíbrio. Na equação balanceada, há um coeficiente de 1 na frente do hidrônio e do hidróxido, portanto, em equilíbrio, essas duas concentrações são iguais. Como eu não sabemos quais são essas concentrações, vamos representá-las escrevendo um "x" aqui. Então isso aqui vai ser "x vezes x", que é igual a 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Sendo assim, temos que x² = 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Calculando a raiz quadrada de ambos os lados, temos que x = 1,0 vezes 10⁻⁷. Portanto, se tivéssemos uma amostra de água pura a 25 °C, a concentração de íons hidrônio e a concentração de íons hidróxido seria igual a 1,0 vezes 10⁻⁷ Molar. Agora, em vez de usar duas moléculas de água para mostrar a autoionização da água, também é possível mostrá-la usando apenas uma molécula de água, ou seja, podemos ter aqui H₂O se quebrando para formar H⁺ e OH⁻. O H⁺, que é o íon hidrogênio, às vezes é usado de forma alternada com H₃O⁺, que é o íon hidrônio. Nós acabamos de ver que a água pura tem uma concentração de íons hidrônio igual à concentração de íons hidróxido, portanto, a água pura é uma substância neutra, e para qualquer solução aquosa, onde a concentração de íons hidrônio é igual à concentração de íons hidróxido, nós a classificaríamos como uma solução neutra. Se uma solução aquosa tiver uma concentração de íons hidrônio maior do que a concentração de íons hidróxido, nós classificaríamos essa solução como uma solução ácida. Se uma solução aquosa tiver uma concentração de íons hidrônio menor do que a concentração de íons hidróxido, ou que a concentração de íons hidróxido é maior do que a concentração de íons hidrônio, a solução seria considerada uma solução básica. Na equação da qual já falamos, a concentração de íons hidrônio vezes a concentração de íons hidróxido é igual a "Ka", que é igual a 1,0 vezes 10⁻¹⁴ a 25 °C. Inclusive, esta equação é verdadeira se você estiver lidando com uma solução ácida, uma solução neutra ou com uma solução básica. Eu vou chamar esta equação de equação ''Ka" de agora em diante, ok? Vamos dizer que temos uma solução aquosa e a concentração de íons hidrônio na solução é igual a 4,0 vezes 10⁻⁶ M a 25 °C, e que nosso objetivo seja calcular a concentração de íons hidróxido na solução a 25 °C. Para resolver a concentração de íons hidróxido, podemos usar nossa equação "Ka". Precisamos substituir a concentração de íon hidrônio. Isso nos dá 4,0 vezes 10⁻⁶ vezes a concentração de íon hidróxido, que vamos colocar um "x" aqui. E tudo isso é igual a "Ka", que é igual a 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Resolvendo para "x", encontramos "x" sendo igual a 2,5 vezes 10⁻⁹. Como o "x" é igual à concentração de íon hidróxido, a concentração do íon hidróxido é igual 2,5 vezes 10⁻⁹ M. Para esta solução aquosa, a concentração de íon hidrônio é maior do que a concentração de íon hidróxido, portanto, esta é uma solução ácida. Inclusive vou escrever isso aqui, é uma solução ácida. Como sabemos, uma constante de equilíbrio só é constante em uma temperatura específica. Por exemplo, a 25 °C, Ka = 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Mas se você alterar a temperatura, o valor de "Ka" é alterado. A 50 °C por exemplo, Ka = 5,5 vezes 10⁻¹⁴, portanto, um aumento na temperatura de 25 °C para 50 °C causa um aumento no valor de "Ka", ou seja, o aumento da temperatura causa um aumento no "Ka". Podemos usar o princípio de Le Chatelier para prever se a autoionização da água é uma reação endotérmica ou uma reação exotérmica. Um aumento no "Ka" significa um aumento da concentração de íon hidrônio e íon hidróxido em equilíbrio. Portanto, a reação líquida deve ter ido para a direita a fim de aumentar a quantidade de nossos produtos. Se tratarmos o calor como um reagente, aumentar a temperatura é como se tivéssemos aumentando a quantidade de um de nossos reagentes. Portanto, de acordo com o princípio de Le Chatelier, a reação líquida se deslocará para a direita para fazer mais do produto. Como foi isso que observamos ao aumentar o valor de "Ka", sabemos que a autoionização da água é uma reação endotérmica. Se tivéssemos colocado calor no lado dos produtos e tratado isso como uma reação exotérmica, teríamos obtido um deslocamento na direção errada, teríamos um deslocamento para esquerda, portanto, saberíamos que a reação não é exotérmica. Depois de ter visto tudo isso, finalmente vamos calcular a concentração de íons hidrônio e íons hidróxido em uma amostra de água pura a 50 °C. Ainda podemos usar a equação "Ka", portanto, "Ka" é igual à concentração de íons hidrônio vezes a concentração de íons hidróxido. No entanto, como a temperatura agora é 50 °C, não podemos usar 1,0 vezes 10⁻¹⁴ porque esse é o "Ka" a 25 °C, precisamos usar o "Ka" a 50 °C, que é 5,5 vezes 10⁻¹⁴. Para a autoionização da água, a proporção molar de íons hidrônio para íons hidróxido é de 1:1. Sendo assim, a concentração do íon hidrônio é igual à concentração do íon hidróxido, então, ao substituir aqui para o hidrônio, se a gente falar que a concentração é "x", a concentração de hidróxido também vai ser ''x''. Sendo assim, teremos "x vezes x" sendo igual a "Ka", que é igual a 5,5 vezes 10⁻¹⁴. Dessa forma, temos que x² = 5,5 vezes 10⁻¹⁴. Para resolver para "x", basta calcular a raiz quadrada de ambos os lados da igualdade. Ao fazer isso, chegamos à conclusão que x = 2,3 vezes 10⁻⁷. Repare que a concentração de íons hidrônio é igual à concentração de íons hidróxido, que é 2,3 vezes 10⁻⁷ M. Observe que a concentração é mais alta do que a que encontramos a 25 °C, o que faz sentido, porque o valor "Ka" aumentou. No entanto, como a concentração de hidrônio ainda é igual à concentração de íons hidróxido, a água pura ainda é neutra. Eu espero que você tenha compreendido as ideias que conversamos aqui nesta aula e, mais uma vez, eu quero deixar para você um grande abraço, e dizer que te encontro na próxima. Então, até lá!