Guia de Estudo n o 2: Ácidos e Bases

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1 Guia de Estudo n o 2: Ácidos e Bases Conteúdo: Ácidos e bases: definições de Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis, Ácidos e bases fortes e fracos, Principais ácidos e bases, Óxidos ácidos e básicos, Reações de neutralização, Textos para estudo: 1) J. C. Kotz, P. M. Treichel, G. C. Weaver, Química Geral e Reações Químicas, 4 a Edição, LTC, São Paulo, 1999, Capítulo 5, p. 131 a 136 2) P. Atkins e L. Jones, Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 3a Edição, Bookman, Porto Alegre, 2006, Fundamentos A, p. 87 a 91. Obs.: Este guia de estudo foi baseado na 4 a edição do livro 1 e na 3 a edição do livro 2, mas você pode utilizar qualquer outra edição do mesmo. Fique atendo que neste caso a numeração das páginas, das figuras e os números dos exercícios indicados pode ser um pouco diferente. I. QUESTÃO INTRODUTÓRIA 1) O Alka-Seltzer é um medicamento para acidez estomacal (azia) que contém ácido cítrico (fórmula estrutural abaixo) e bicarbonato de sódio (NaHCO 3 ). a) Identifique na fórmula estrutural do ácido cítrico quais são os hidrogênios que podem ser dissociados quando este ácido é dissolvido em água. b) Escreva a equação química que descreve a ionização completa do ácido cítrico. c) Descreva com suas próprias palavras o que acontece quando dissolvemos bicarbonato de sódio em água (NaHCO 3 ). Quantas e quais espécies químicas estão presentes em uma solução aquosa de NaHCO 3? Represente este processo na forma de equações químicas. d) Faça um desenho que represente microscopicamente as espécies presentes em uma solução de NaHCO 3. e) Escreva a equação química que representa a reação do íon H + com o ânion bicarbonato. f) A equação que representa a reação entre o ácido cítrico e o bicarbonato de sódio após a dissolução do comprimido de Alka-Seltzer é: H 3 C 6 H 5 O 7 (aq) + NaHCO 3 (aq) Na 3 C 6 H 5 O 7 (aq) + CO 2 (g) +H 2 O(l) como você classificaria esta reação? g) Faça o balanceamento da equação acima e a reescreva na forma iônica completa e na forma iônica líquida (ambas balanceadas). h) Considerando que o estômago tem ácido clorídrico (a uma concentração de aproximadamente 0,1 mol/l) e que a função de um antiácido é neutralizar os íons H + quando a concentração dos

2 mesmos aumenta muito, provocando mal estar, explique qual é o mecanismo de ação do Alka- Seltzer. Dado: na composição do Alka-Seltzer temos 1625 mg de bicarbonato de sódio e 965 mg de ácido cítrico. II. QUESTÕES DE ORIENTAÇÃO PARA O ESTUDO Leitura do item: Ácidos e bases (p , capítulo 5, vol. 1 e p , capítulo 17 vol. 2 do livro do Kotz; p Fundamentos e p , capítulo 10 do livro do Atkins) Definições ácido-base 2) Organize as afirmações abaixo em um quadro que diferencia as propriedades de substâncias ácidas e básicas. Em seguida, classifique estas propriedades em dois grupos, as de natureza experimental e as de natureza teórica. Qual é a diferença básica entre estas duas categorias (experimental e teórica)? Formule uma definição operacional (experimental) para ácido e para base. Destaque as definições ácido-base de Arrhenius, de Brønsted-Lowry e de Lewis. Qual a limitação da definição de Arrhenius? i) apresentam gosto azedo; ii) quando adicionados a calcário produzem borbulhas de gás CO 2 ; iii) apresentam gosto amargo; iv) mudam a cor do tornassol de azul para vermelho; v) mudam a cor do tornassol de vermelho para azul; vi); dissolvem muitos metais produzindo hidrogênio gasoso; vii) quando em solução aquosa apresentam ph menor do que 7; viii) frequentemente formam compostos insolúveis em soluções contendo íons metálicos; ix) quando em solução aquosa apresentam valores de ph maior que 7; x) uma substância doadora de próton, xi) um substância capaz de receber um próton; xii) uma substância que contêm hidrogênio e libera o íon hidrogênio (H + ) como um de seus produtos de ionização em água; xiii) uma substância que contém hidróxido e em solução aquosa libera íons hidróxido (OH - ); xiv) uma substância capaz de aceitar um par de elétrons; xv) uma substância capaz de doar um par de elétrons. 3) Represente na forma de equações químicas os processos citados nos itens ii, vi, x, xi, xii, xiii, xiv e xv, da questão 2. 4) Observe as seguintes formas de representação: H 2 O a) HCl(g) H + (aq) + Cl - (aq) b) HCl(g) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) Qual das representações se relaciona à definição de ácido de Arrhenius e qual à definição de Brønsted? O que é um íon hidrogênio e um íon hidrônio? Leia com atenção o box da página 134 do Kotz. 5) Classifique as seguintes espécies com ácidos e/ou bases de Brønsted: HNO 3, NH 3, KOH, CH 3 NH 2, CO 3 2-, PO 4 3-, H 2 PO 3 -, H 2 O, OH -, H 3 O +, S 2-, O 2-, K 2 O, CaO Força de ácidos e bases 6. a) Escreva as formulações de ácido e base de Arrhenius e de Brønsted-Lowry. Dê exemplos na forma de equações químicas.

3 b) O que é um ácido fraco? Dê exemplos na forma de equações químicas de ionização em água. c) Considerando que o HF é um ácido fraco, faça um desenho que represente uma solução aquosa de HF. Use círculos para mostrar as diferentes espécies presentes na solução. Represente explicitamente as moléculas de água. d) Escreva a equação de ionização completa do H 2 S, para mostrar a perda sucessiva de íons hidrogênio. Considerando que o H 2 S é um ácido fraco e que o ácido HS -, produto de sua primeira ionização, é um ácido mais fraco ainda, indique qual é a espécie química (excluindo o solvente) que está em maior quantidade em uma solução aquosa de H 2 S. Faça um desenho que represente as proporções relativas das espécies presentes nesta solução (neste caso não é preciso representar as moléculas de água). 7) A amônia é um gás nas condições ambientes com forte odor representado por NH 3 (g) e muito solúvel em água sendo sua solubilidade igual a 541 g por litro de água a 20 o C. Quando dissolvido em água cerca 1% de suas moléculas sofrem ionização. a) Escreva as equações químicas que representam a dissolução da amônia (um gás) em água (indique os estados dos componentes: s, l, g ou aq). b) Represente em um desenho as espécies químicas presentes em uma solução de amônia (nível microscópico). c) Considerando que a massa molar da amônia é 17 g/mol, quantas moléculas de amônia podem se dissolver em um litro de água? Deste total, quantas mols do cátion NH 4 + e ânions hidróxido estarão presentes em solução? d) Levando em conta estes dados e excluindo a água (solvente) qual a espécie química presente em maior quantidade em uma solução aquosa de amônia? Reveja o desenho que você fez no item b. e) Qual a melhor fórmula química expressa uma solução aquosa de amônia: NH 4 OH(aq) ou NH 3 (aq)? f) Considerando que ao aquecer esta solução aquosa provocaremos o desprendimento da amônia em sua forma gasosa antes que a água entre em ebulição, podemos afirmar que o composto iônico NH 4 OH(s) não existe? g) Por que a amônia pode ser considerada uma base de Brønsted? De acordo com a definição de Brønsted como você classificaria o íon NH 4 +? Justifique suas respostas. 7) Tabela: ácidos e bases comuns Ácidos fortes (eletrólitos fortes) Bases fortes (eletrólitos fortes) HCl ácido clorídrico Hidróxidos do grupo 1 (metais alcalinos) HBr ácido bromídrico ex.: LiOH, NaOH, KOH HI ácido iodídrico Hidróxidos do grupo 2 (metais alcalinos terrosos) HNO 3 ácido nitrico ex.: Mg(OH) 2, Ca(OH) 2, Sr(OH) 2, Ba(OH) 2 HClO 3 ácido clórico Óxidos do grupo 1 e 2 HClO 4 ácido perclórico H 2 SO 4 (para HSO - 4 ) ácido sulfúrico Ácidos fracos (eletrólitos fracos) Bases fracas (eletrólitos fracos) H 3 PO 4 ácido fosfórico NH 3 amônia CH 3 COOH ácido acético CH 3 NH 2 metilamina HClO ácido hipocloroso (CH 3 ) 2 NH dimetilamina

4 HClO 2 ácido cloroso (CH 3 ) 3 N trimetilamina HCN ácido cianídrico H 2 S ácido sulfídrico HF ácido fluorídrico Obs.: Mg(OH) 2 é pouco solúvel, Ca(OH) 2 é ligeiramente solúvel, Sr(OH) 2 e Ba(OH) 2 são razoavelmente solúveis em água. a) Procure o estado físico de cada um destes compostos e indique-o na tabela. b) Abaixo você encontra um esqueleto da tabela periódica. Levando em conta o elemento central das substâncias listadas na tabela acima (o elemento diferente do hidrogênio e do oxigênio), localize na tabela periódica a posição de cada uma das substâncias. Que conclusões você pode tirar a respeito da força dos ácidos e da solubilidade das bases? c) Baseado na definição ácido-base de Brønsted e na força entre ácidos e bases, escreva as equações químicas que representam as espécies obtidas da interação das seguintes substâncias com água (indique os estados das espécies: s, l, g ou aq): HClO 4, (CH 3 ) 2 NH, CH 3 COOH, H 3 PO 4, H 2 S, HCN e H 2 SO 4. Óxidos ácidos e básicos 9. a) Para cada um dos compostos a seguir, indique se você espera obter uma solução ácida ou básica quando os mesmos forem dissolvidos em água. Escreva as equações químicas correspondentes: P 2 O 5 (s), BaO(s), K 2 O(s), NO 2 (g), SO 3 (g), MgO(s), Na 2 O(s) e CO 2 (g). b) Localize cada um dos óxidos em uma tabela periódica (como a do exercício 7). Que generalização você pode fazer? 10) Escreva as equações químicas balanceadas (completa e na forma iônica) que representam as reações: a) CaO(s) + H 2 SO 4 (aq) b) NO 2 (g) + KOH(aq) c) CO 2 (g) + Ba(OH) 2 (aq) d) NaO(s) + HCl (aq)

5 Reações ácidos-bases ou de neutralização 11) É muito comum encontrarmos em livros didáticos a definição de que uma reação de neutralização é aquela em que um ácido reagem com uma base formando sal e água. (ÁCIDO + BASE SAL + ÁGUA) O problema é que esta generalização é muito imprecisa e pode esconder o que de fato acontece em uma reação entre um ácido e uma base. Para esclarecer melhor este ponto leia o texto a seguir que foi extraído do livro Russel, J. B. Química Geral, São Paulo: McGRaw-Hill, 1981, p.381. Observe que toda esta discussão é feita tendo por base o conceito de ácido e base de Arrhenius, onde ácido é um composto de hidrogênio que se dissocia em água para das íons hidrogênio (H + ) e base é um composto de hidróxido que se dissocia em água para dar íons hidróxido (OH - ). Na concepção de Brønsted-Lowry uma reação ácido-base é aquela onde há transferência de prótons. Assim, nas reações até aqui estudadas podemos observar que sempre há a transferência de um próton. Exemplos: NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) + OH - (aq)

6 HCl(aq) + KOH(aq) H 2 O(l) + KCl(aq) 12) Leia com muita atenção as páginas 90 e 91 do livro do Atkins. Observe a discussão que o autor faz a partir da equação na forma iônica para a reação entre ácido nítrico e o hidróxido de bário. Veja que a sua conclusão é o resultado de qualquer reação de neutralização entre um ácido forte e uma base forte em água é a formação de água a partir de íons hidrônio e do íons hidróxido. Observe em seguida como o autor apresenta as equações de reações de neutralização para ácidos e bases fracos. Que soluções aquosas ácidas e básicas você usaria para obter os seguintes sais: CdSO 4, Cr(NO 3 ) 3, Ca 3 (PO 4 ) 2. Escreva as equações iônicas completas e simplificadas. 13) Leia o quadro 5.1 da p. 138 do livro do Kotz (Equações iônicas líquidas) e o texto das p. 134 e 135. Considerando as espécies que estão em maior quantidade nas soluções antes da reação, escreva as equações química na forma iônica completas e simplificadas para as reações de neutralização dos pares ácido-base: a) HNO 3 (aq) + NH 3 (aq) b) NH 3 (aq) + H 2 SO 4 (aq) c) KOH(aq) + HCN(aq) d) CH 3 NH 2 (aq) + HClO 2 (aq) e) Pb(OH) 2 (s) + CH 3 COOH(aq) Obs.: Verifique a solubilidade em água dos sais formados. III. QUESTÕES DE APROFUNDAMENTO 14) O alumínio é obtido da bauxita que é uma mistura de vários minerais sendo um deles a gibbsita, Al(OH) 3. Proponha um método para extrair o alumínio presente na bauxita na forma de um sal que seja insolúvel em água. Aponte possíveis problemas que você possa ter em empregar este método tendo em vista que você não conhece os outros componentes da bauxita. IV. QUESTÕES COMPLEMENTARES 15) Pesquise quais são as substâncias responsáveis pelo caráter ácido ou básico de cada um dos produtos indicados na figura abaixo. Resolva os exercícios J.3, J.4, J.5, J.6, J7, J8 e J11 do livro do Atkins (p. 91). Resolva os exercícios 40, 41, 43, 44 e 45 do livro do Kotz (p. 155 e 156)