Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Química Ensino Médio, 2º Ano Produto iônico da água PH e POH, Solução Tampão QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Conceitos de ácidos e bases Arrhenius: • ácidos: liberam apenas H+ (H3O+) como cátion; • bases (ÁLCALIS): liberam apenas OH- como ânion; ácido + base sal + água • problema: definição limitada exclusivamente às soluções aquosas. Imagem: Autor Desconhecido/ Disponibilizada por Nils Simon/ United States Public Domain QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Conceitos de ácidos e bases Brønsted-Lowry: • ácidos: doadores de H+; • bases: recebedores H+ (não precisam ter OH-); Substâncias Anfóteras: podem ter comportamento ácido ou básico, dependendo da situação. Pares conjugados (ácido-base): HA(aq) + H2O(ℓ) ⇄ H3O+(aq) + A-(aq) ácido + base ⇄ ácido + base Imagens da esquerda para a direita: (A) Peter Elfelt/ United States Public Domain. (B) Autor desconhecido/ disponibilizado por Materialscientist/ United States Public Domain QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Conceitos de ácidos e bases Lewis: • ácidos: receptores de par de elétrons; • bases: doadores de par de elétrons; ácido + base sal + água • obs.: ácidos e bases de Lewis não precisam conter prótons (definição mais geral que as de Arrhenius e Brønsted-Lowry). QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Equilíbrio iônico da água • um caso muito particular de equilíbrio químico é o equilíbrio iônico da água; • a água sofre autoionização, mas, como é um eletrólito muito fraco, estabelece o equilíbrio abaixo: 2 H2O(ℓ) ⇄ H3O+(aq) + OH-(aq) ou simplesmente: H2O(ℓ) ⇄ H+(aq) + OH-(aq) H20 (l) H+ (aq) OH- (aq) QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Equilíbrio iônico da água: • A constante de equilíbrio é expressa da seguinte forma: Kw = [H+].[OH-] • Em que: – Kw: produto iônico da água (a letra w vem de water, água em inglês); – [H+], [OH-]: concentrações molares dos íons envolvidos. • Como qualquer constante de equilíbrio, seu valor varia apenas com a temperatura. K eq [H3O ][OH ] [H2 O]2 K eq [H2 O]2 [H3O ][OH ] K w [H3O ][OH ] 1,010-14 (a 25º C) QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Produto iônico da água H2O(l ) H2O(l ) H3O • A 25°C, em água pura, temos: [H+] = [OH-] = 10-7 mol/L • Assim sendo: Kw = [H+].[OH-] = 10-14 ( aq ) OH ( aq ) QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão • Tipos de soluções (a 25°C) a) Água pura (solução neutra): [H+] = [OH-] = 10-7 mol/L b) Solução ácida: [H+] > 10-7 mol/L [OH-] < 10-7 mol/L c) Solução básica (alcalina): [H+] < 10-7 mol/L [OH-] > 10-7 mol/L Imagens da esquerda para a direita: (A) Manojkiyan/ Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. (B) Scott Bauer/ Public Domain Produto iônico da água QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Escala de pH Alguns valores comuns de pH • Sabemos que, em água pura, estabelece-se o equilíbrio abaixo: Substância pH Ácido de bateria <1.0 Suco gástrico 2.0 Suco de limão 2.4 Cola (refrigerante) 2.5 Vinagre 2.9 Suco de laranja ou maçã 3.5 Cerveja 4.5 Café 5.0 Chá 5.5 Chuva ácida <5.6 Saliva de pacientes com cancro 4.5-5.7 Leite 6.5 Água pura 7.0 Saliva humana 6.5-7.4 Sangue 7.34-7.45 Água do mar 8.0 Sabonete de mão 9.0-10.0 Amônia caseira 11.5 Cloro 12.5 Hidróxido de Sódio caseiro 13.5 H2O(ℓ) + H2O(ℓ) ⇄ H3O+(aq) + OH-(aq) • Na maioria das soluções aquosas, temos: 0 < [H+] < 1 mol/L • A escala de pH foi definida de modo a expressar essas concentrações: pH = -log[H3O+]= -log[H+] pOH = -log[OH-] – Água neutra (25°C) pH = pOH = 7,0 – Sol. ácidas, [H+] > 1,0 x 10-7 pH < 7,0 – Sol. básicas, [H+] < 1,0 x 10-7 pH > 7,0 • Em água (a 25°C), temos: pH + pOH = 14 QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Como medir o pH de soluções aquosas? • O método mais preciso (exato) é usar um medidor de pH (potenciômetro ou pHmetro); • Entretanto, para processos em que não seja adequado usar o medidor de pH (uma reação com reagentes tóxicos, por exemplo) ou por simplicidade, são usados frequentemente alguns corantes que mudam de cor em diferentes faixas de pH (indicadores), que são menos precisos (menos exatos) que os medidores de pH. Imagens da esquerda para a direita: (A) Matylda Sęk/ GNU Free Documentation License. (B) Bordercolliez/ Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Ácidos fortes • os ácidos fortes mais comuns são HCl, HBr, HI, HNO3, HClO3, HClO4 e H2SO4; • os ácidos fortes sofrem ionização em solução aquosa: • em solução, o ácido forte é geralmente a única fonte de H+. HNO3(aq) +H2O(ℓ) H3O+(aq) + NO3-(aq) • assim, o pH da solução é dado pela concentração (em mol/L) inicial do ácido. HNO3(aq) H+(aq) + NO3-(aq) (Obs.: se a concentração do ácido for menor que 10-6 mol/L, a autoionização da água precisa ser considerada); [HNO3]= [H+] = 10-5mol/L pH=5,0 QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Bases fortes • a maioria dos hidróxidos iônicos são bases fortes: NaOH, KOH e Ca(OH)2; • as bases fortes sofrem dissociação em solução aquosa; • o pOH (e, consequentemente, o pH) de uma base forte é dado pela concentração (molaridade) inicial da base; (Obs.: Cuidado com a estequiometria) • para um hidróxido ser uma base, ele deve ser solúvel; • as bases não precisam conter necessariamente OH-: O2-(aq) + H2O(ℓ) 2 OH-(aq) H-(aq) + H2O(ℓ) H2(g) + OH-(aq) N3-(aq) + 3 H2O(ℓ) NH3(aq) + 3 OH-(aq) QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Ácidos fracos • os ácidos fracos são apenas parcialmente ionizados em solução; • quanto maior Ka (constante de acidez) mais forte será o ácido, ou seja, mais íons estarão presentes no equilíbrio em relação às moléculas não ionizadas; • para encontrar a molaridade do H3O+(aq) numa solução de ácido fraco, devemos levar em conta o equilíbrio: HA(aq) + H2O(ℓ) ⇄ H3O+(aq) + A-(aq) (M-x) x x • resolvendo em x essa equação quadrática em que conhecemos M e Ka (tabelados), é possível determinar o valor de [H3O+] = x e, portanto, o pH da solução do ácido fraco. [H3O ][A ] [H ][A ] x2 Ka [HA] [HA] M- x Imagem: Scott Bauer, USDA/ Public Domain QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Cálculo do pH para ácidos fracos A partir de Ka: • o pH fornece a concentração no equilíbrio de H+; • sabendo Ka, podemos calcular [H+] e, consequentemente, o pH. Sigamos os seguintes passos: – escreva a equação química balanceada, mostrando claramente o equilíbrio; – escreva a expressão de equilíbrio e encontre o valor para Ka; – anote as concentrações iniciais e no equilíbrio para TUDO (exceto para a água pura). Geralmente supomos que a variação na concentração de H+ é “x”; – Substitua, na expressão da constante de equilíbrio, e resolva. Lembre-se de converter “x” em pH, se necessário. [H3O ][A ] [H ][A ] x2 Ka [HA] [HA] M- x QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Cálculo do pH para ácidos fracos A partir de (grau de ionização): • relaciona [H+]eq com [HA]0; • quanto maior , mais forte será o ácido; • para um ácido fraco diminui à medida que a molaridade da solução aumenta; – para o ácido acético, por exemplo, o grau de ionização é bem menor que para uma solução de HCl. QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Bases fracas • as bases fracas removem prótons das substâncias, existindo um equilíbrio entre a base e os íons resultantes: NH3(aq) +H2O(ℓ)⇄NH4+(aq) +OH(aq) • a constante de dissociação da base, Kb, é definida como: [NH4 ][OH ] Kb [NH3 ] • Tipos de bases fracas: – geralmente têm pares solitários de elétrons ou cargas negativas para “atacar” os prótons; – as bases fracas mais neutras contêm nitrogênio; – as aminas estão relacionadas com a amônia com uma ou mais ligações N-H substituídas por ligações N-C; – os ânions de ácidos fracos também são bases fracas. QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Propriedades das soluções salinas • quase todos os sais são eletrólitos fortes. Assim sendo, esses sais existem inteiramente como íons em solução; • as propriedades ácido-base dos sais são uma consequência da reação de seus íons em solução; • a reação na qual os íons reagem com água, produzindo H+ ou OH-, é chamada hidrólise: – ânions de ácidos fracos sofrem hidrólise alcalina; A– + H2O HA + OH– – cátions de bases fracas sofrem hidrólise ácida; B+ + H2O BOH + H+ – ânions de ácidos fortes e cátions de bases fortes são neutros (não sofrem hidrólise). QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Solução-tampão • a maioria das soluções aquosas se torna rapidamente mais ácida (ou alcalina) pela adição de ácido (ou base); • uma solução-tampão usa o princípio da hidrólise para tentar manter o pH invariável quando a ela são adicionados íons H+ ou OH-. Essa propriedade é de grande importância biológica. Ex.: HCO3-/H2CO3 e HPO42/H2PO43- controlam o pH no sangue. • cada solução-tampão atua em um pH diferente; • para calcularmos esse valor de pH, a concentração do ânion do sal ou a concentração do ácido usamos a equação de HendersonHasselbach: log[H ] logK a log [ácido] [ânion do sal] ou pH pKa log [ânion do sal] [ácido] QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Indicadores de pH • A primeira teoria sobre indicadores de pH foi elaborada por Wilhelm Ostwald (em 1894), tendo como base a teoria da dissociação eletrolítica iônica dos indicadores. • W. Ostwald é considerado o pai da físico-química. Recebeu o Nobel de Química de 1909 por seu trabalho sobre catálise. • Ele também desenvolveu um processo de fabricação de ácido nítrico por oxidação do amoníaco: – 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O – 2 NO + O2 → 2 NO2 – 3 NO2 + H2O → 2 HNO3(aq) + NO Imagem: Autor desconhecido/ Disponibilizado pelo usuário Stefi/ United States Public Domain QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Indicadores de pH Indicador Intervalo de Viragem em unidades de pH Mudança de cor de ácido para base Alaranjado de metila 3,1 a 4,6 Vermelho para amarelo alaranjado Verde de bromocresol 3,8 a 5,4 Amarelo para azul Vermelho de metila 4,2 a 6,3 Vermelho para amarelo Azul de bromotimol 6,0 a 7,6 Amarelo para azul Vermelho de fenol 6,6 a 8,6 Amarelo para vermelho Fenolftaleína 8,0 a 9,8 Incolor para vermelho Timilftaleína 9,8 a 10,6 Incolor para azul • Para Ostwald, em sua “teoria iônica dos indicadores”, os indicadores são bases ou ácidos fracos cuja cor das moléculas não dissociadas difere da cor dos respectivos íons; • São substâncias químicas que fornecem indicação visual dependendo da acidez (pH) do meio; • São usados atualmente tanto em solução aquosa quanto em outras apresentações (papel indicador, por exemplo). QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Como os indicadores mudam de cor? fenolftaleína HO OH O -O C O O Br Br O C C O O Forma ácida incolor OH OH O Br Br H+ OH- SO³ SO³ Forma alcalina Vermelho - violácea • Os indicadores de pH são, portanto, bases ou ácidos orgânicos fracos que possuem formas com cores diferentes dependendo do pH do meio; • A coloração se dá graças a um rearranjo molecular causado pela variação do pH do meio, o que proporciona o surgimento ou desaparecimento dos grupos cromóforos (responsáveis pela cor). QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Faixa de mudança de coloração Imagem: Lilly_M/ GNU Free Documentation License QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Exercícios de fixação a) 2 b) 4 c) 5 d) 7 e) 9 [H+] = 1,0 x 10-2 mol/L pH = -log(1,0 x 10-2) pH = 2,0 Imagem: Autor desconhecido/ Disponibilizado por Arcadian/ United States Public Domain 1. (PUC-RIO/2008) O estômago produz suco gástrico constituído de ácido clorídrico, muco, enzimas e sais. O valor de pH no interior do estômago deriva, principalmente, do ácido clorídrico presente. Sendo o ácido clorídrico um ácido forte, a sua ionização é total em meio aquoso, e a concentração de H+ em quantidade de matéria nesse meio será a mesma do ácido de origem. Assim, uma solução aquosa de ácido clorídrico em concentração 0,01 mol L-1 terá pH igual a: QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Exercícios de fixação Sabemos que Ka = M.2 e [H+] = M. a) 1,8.10 5 0 ,72 = 5 x 10-3 = 0,5% b) [H+] = 0,72 x 0,005 = 3,6 x 10-3 mol/L Imagem: Autor desconhecido/ Disponibilizado por Guam/ GNU Free Documentation License 2. O vinagre pode ser considerado uma solução de concentração 0,72 mol/L em relação ao ácido acético, cuja constante de ionização (Ka) é 1,8.10-5, a 25°C. Determine: a) o grau de ionização () do ácido nessa temperatura. b) a concentração molar de íons H+ do vinagre. QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Exercícios de fixação 3. (PUC-Campinas) Uma área agrícola foi adubada com amônia, nitrato e fosfato de amônio. Na amostra das águas residuais da irrigação dessa área, verifica-se que a concentração de íons OHé igual a 8.10-5 mol/L. Qual o pH da amostra? (dados: log 8 = 0,9) [OH-] = 8.10-5 mol/L pOH = -log (8.10-5) = 5 – 0,9 = 4,1 pH + pOH = 14 pH = 14 – 4,1 pH = 9,9 QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Exercícios de fixação 5. Considere certa quantidade de água e suco de limão, misturados, contida em um copo. Analise estas três afirmativas concernentes a esse sistema: I. O sistema é ácido. II. O pH do sistema é maior que 7. III. No sistema, a concentração dos íons H+ é maior que a dos OH–. A partir dessa análise, é CORRETO afirmar que a) b) c) d) e) apenas as afirmativas I e II estão certas. apenas as afirmativas I e III estão certas. apenas as afirmativas II e III estão certas. as três afirmativas estão certas. nenhuma afirmativa está certa. QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Atividade extra: extrato de repolho roxo Fundamentos: • por apresentar cores diversas conforme a acidez ou basicidade do meio em que se encontra, o extrato de repolho roxo pode constituir-se bom indicador universal de pH, substituindo – ainda que para menor número de faixas de pH – os papéis indicadores universais, que só podem ser adquiridos em lojas especializadas e não são encontráveis em todas as regiões do país. Neste experimento, será usado extrato de repolho roxo para construção de uma escala de pH. • referência: http://www.qnesc.sbq.org.br/online/qnesc01/exper1.pdf QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Tabela de Imagens n° do slide 2 3a 3b direito da imagem como está ao lado da foto Autor Desconhecido/ Disponibilizada por Nils Simon/ United States Public Domain Peter Elfelt/ United States Public Domain link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arrhenius.j 30/08/2012 pg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Johannes_ 30/08/2012 Br%C3%B8nsted.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thomas_M 30/08/2012 artin_Lowry2.jpg Autor desconhecido/ disponibilizado por Materialscientist/ United States Public Domain 8a Manojkiyan/ Creative Commons Attribution- http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_sup Share Alike 3.0 Unported ply.jpg 8b Scott Bauer/ Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oranges_a nd_orange_juice.jpg 10a Matylda Sęk/ GNU Free Documentation http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectropho License tometer_small_for_8_samples-01.jpg 10b Bordercolliez/ Creative Commons CC0 1.0 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Universal_i Universal Public Domain Dedication ndicator_paper.jpg 13 Scott Bauer, USDA/ Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Citrus_fruit s.jpg 19 Autor desconhecido/ Disponibilizado pelo http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wilhelm_O usuário Stefi/ United States Public Domain stwald.jpg 30/08/2012 30/08/2012 30/08/2012 30/08/2012 30/08/2012 30/08/2012 QUÍMICA, 2º Ano Produto iônico da água, pH e pOH, solução tampão Tabela de Imagens n° do slide 22 23 24 direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso Lilly_M/ GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PH_strips- 30/08/2012 different_range.jpg Autor desconhecido/ Disponibilizado por http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Illu_stomac 30/08/2012 Arcadian/ United States Public Domain h.jpg Autor desconhecido/ Disponibilizado por http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Barrels_vin 30/08/2012 Guam/ GNU Free Documentation License egar.jpg