AULA 7. Equilíbrio Ácido Base envolvendo soluções de ácidos e bases fracas e sais

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1 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG AULA 7 Equilírio Ácido Bse Equilírio Ácido Bse envolvendo soluções de ácidos e ses frcs e sis jetivos Definir e reconhecer um ácido frco e um se frc Clculr o ph de soluções de ácidos frcos e ses frcs. Definir e reconhecer sis de reções ácids, ásics, neutrs e nfóters. Clculr o ph de soluções de sis de reções ácids, ásics, neutrs e nfóters. 1. Soluções que contém um ácido monoprótico frco Um ácido frco se ioniz prcilmente em solução quos e grndez dess ionizção depende de. HA + H 2 H + + A ; [ A [ H [ HA IMPRTANTE Emor solução contenh se conjugd do ácido frco, A, el não funcion como um tmpão porque concentrção dess se é pequen e insuficiente pr regir com um cert quntidde de ácido forte diciondo. Pr formr um tmpão devemos reforçr concentrção d se conjugd dicionndo um sl que contenh ou regir o ácido frco com um quntidde dequd de um se forte. Isto é, HA + H A + H 2 No entnto, os equilírios envolvidos são os mesmos de um solução tmpão ácid e ssim, podemos trlhr com equção gerl pr o cálculo d concentrção de íons H + pr um solução tmpão: 4

2 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG [ H C [ H [ H C [ H [ H Devemos considerr que se ess equção for plicd pr um solução de um ácido frco temos que concentrção nlític é nul (C = 0) e portnto, [ H C [ H [ H [ H [ H monoprótico frco Sustituindo [ H w [ H (1) Equção gerl pr um ácido e rerrnjndo equção 1, temos: [H + + [H + 2 ( w + C )[H + w = 0 Est é um equção de o gru e simplificções semelhntes d solução tmpão podem ser feits: 1) Se solução for ácid: [H + >> [H [H [ H C [ H [ H Rerrnjndo, temos [H [H + C = 0 Est simplificção só é ceitável se o erro que el introduz for < %. (2) 2) Se C >> [H +, então C [H + C Assim equção gerl se reduz : H 2 [ C () Equção simplificd do sistem Est simplificção só é ceitável se o erro que el introduz for < %. Podemos demonstrr que equção (1) é de fto equção gerl pr um ácido monoprótico frco. Que tl prticrmos? Fic qui noss propost, fç demonstrção d equção 1, considerndo os equilírios envolvidos com sus respectivs expressões ds constntes de equilírio e s expressões de lnços do mss e crg.. 5

3 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG Exemplo 1 - Clculr o ph de um solução de ácido nitroso, HN 2, 0,010 mol L 1. mol L 1 = 5,1x10 4. [ H x [H + = 2,26x10 mol L 1 ph = 2,65 C [H = 4,4x10 12 mol L 1 Testndo s simplificções 1 - [H + >> [H Cálculo do erro: 2,26x10 mol L % 4,4x10 12 mol L 1 X X = 2x10 7 % 2 - C >>[H + Cálculo do erro: 0,010 mol L % 2,26x10 mol L 1 X X = 22,6 % que é mior que % logo, simplificção não é válid, portnto temos que usr equção (2): [ H C [ H [ H (2) [H [H + C = 0 [H ,1x10 4 [H + 5,1x10 4 x 0,010 = 0 [H + = 2,02x10 mol L 1 ph = 2,70 2. Soluções que contém um se monoácid frc Um se monoácid frc é quel que tem pequen tendênci receer um próton e ess tendênci depende d grndez de. B + H 2 BH + + H [ BH [ H (1) [ B IMPRTANTE 6

4 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG Emor solução contenh o ácido conjugdo d se frc, BH +, el não funcion como um tmpão porque concentrção desse ácido é pequen e insuficiente pr regir com um cert quntidde de se forte diciond. Pr formr um tmpão devemos reforçr concentrção do ácido conjugdo dicionndo um sl que o contenh ou regir se frc com um quntidde dequd de um ácido forte. Isto é, B + H + BH + + H 2 No entnto, os equilírios envolvidos são os mesmos de um solução tmpão ásic e ssim, podemos trlhr com equção gerl pr o cálculo d concentrção de íons H pr um solução tmpão: [ H C [ H [ H C [ H [ H Devemos considerr que se ess equção for plicd pr solução de um se frc qul não foi reforçd concentrção do seu ácido conjugdo, temos que su concentrção nlític é nul(c = 0) e portnto, [ H C [ H [ H monoácid frc Sustituindo [ H [ H w [ H [ H (1) Equção gerl pr um se e rerrnjndo equção 1, temos: [H + [H 2 ( w + C )[H w = 0 Est é um equção de o gru e simplificções semelhntes às d solução tmpão podem ser feits: 1 - Se solução for ásic: [H >> [H + [ H C [ H [ H Rerrnjndo, temos: [H 2 + [H C = 0 (2) 7

5 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG Est simplificção só é ceitável se o erro que el introduz for < %. 2 - Se C >> [H C [H C Assim equção gerl se reduz : H 2 [ C () Equção simplificd do sistem Est simplificção só é ceitável se o erro que el introduz for < %. Seguindo o mesmo rciocínio pr os ácidos monopróticos frcos, podemos demonstrr que equção (1) é equção gerl pr um se monoácid frc. Exemplo 1 - Clculr o ph de um solução de môni, NH, 0,10 mol L 1. = 1,8x10 5. [ H x [H = 1,4x10 mol L 1 ph = 2,87 C [H + = 7,45x10 12 mol L 1 ph = 11,1 Testndo s simplificções temos que o erro introduzido por negligencir concentrção de H + em relção à concentrção de H é 5,6x10 7 % e concentrção de H em relção à C é 1,4 %. Portnto, tods s simplificções são válids dentro de erro de %. Fç o teste pr ver se encontr esses reultdos. Sig o exemplo do ácido nitroso.. Solução de Sis s sis podem dissocir e formr soluções com cráter ácido ou ásico devido à reção de seus íons com águ, reções ests denominds de hidrólise. s sis tmém podem formr soluções neutrs. Podemos prever se o sl drá origem um solução ácid, ásic ou neutr considerndo forç do ácido e d se que lhe derm origem ou simplesmente usndo teori de Brönsted-Lowry. Sempre que necessário, devemos regir espécie iônic, sej el derivd de um ácido ou de um se, com águ. comportmento desss espécies frente à águ nos drá informção requerid. Vejmos um exemplo: 8

6 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG Consideremos espécie cetto, CH C, e vmos prever qul é reção existente entre ess espécie e águ. CH C + H 2 CH CH + H Podemos notr que os íons cetto regem com águ ceitndo um próton e, portnto, ess espécie é considerd como um se. Podemos tmém fzer ess firmtiv se perceermos que ess mesm espécie, pós reção com águ, lev formção de íons H, umentndo ssim, concentrção desses íons em solução. Há qutro tipos de sis:. Sl neutro sl neutro é quele cujo ânion e cátion são derivdos de um ácido forte e um se forte, respectivmente. Seus íons não regem com águ, pois se ssim fosse, drim origem eletrólitos fortes. São exemplos de sis neutros o cloreto de sódio, NCl; cloreto de ário, BCl 2 ; cloreto de cálcio, CCl 2 ; cloreto de lítio, LiCl; cloreto de potássio, Cl; nitrto de ário, B(N ) 2 ; nitrto de cálcio,c(n ) 2 ; nitrto de lítio, LiN ; nitrto de potássio, N. Esses sis não sofrem hidrólise, originndo soluções de ph = 7 (soluções neutrs). Cálculo do ph Consideremos um solução C s mol L 1 de cloreto de sódio, NCl - Dissocição do sl e ionizção d águ: NCl (s) H 2 N + + Cl 2 H 2 H + + H ; w = [H + [H (1) - Blnço de mss: C s = [N + (2) C s = [Cl () - Blnço de crg: [H + + [N + = [Cl + [H (4) Sustituindo (2) e () em (4), temos [H + + C s = C s + [H 9

7 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG [H + = [H (5) Sustituindo (5) em (1) [H + = [H = 1 x 10 7 mol L 1 ph = ph = 7. Sl ásico sl de reção ásic é quele cujo ânion é proveniente de um ácido frco e o cátion de um se forte. A hidrólise ocorre com o ânion. Citmos como exemplos o cetto de sódio, CH CN, e o nitrito de sódio, NN 2. sl origin soluções de cráter ásico, pois su dissocição dá origem um se frc, que por su vez rege com águ lierndo íons hidroxil, H pr o meio. NA H 2 N + + A A + H 2 HA + H Cálculo do ph Consideremos um solução C s mol L 1 de cetto de sódio, CH CN. - Dissocição do sl e ionizção d águ: CH CN H 2 N + + CH C CH C + H 2 CH CH + H ; [ CH CH [ H (1) [ CH C 2 H 2 H + + H ; w = [H + [H (2) - Blnço de mss: C s = [N + C s = [CH CH + [CH C (4) - Blnço de crg: [H + + [N + = [CH C + [H (5) Sustituindo () em (5) [H + + C s = [CH C + [H e rerrnjndo, () 40

8 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG [CH C = C s + [H + [H (6) Sustituindo (6) em (4) e rerrnjndo, temos C s = [CH CH + C s + [H + [H e rerrnjndo, [CH CH = [H [H + (7) Sustituindo (6) e (7) em (1), temos: Cs [H [H [H (8) Equção gerl pr um sl ásico [H [H Sustituindo w [ H [ H e rerrnjndo temos: [H + [H 2 ( w + C s )[H w = 0 Est equção é mesm equção usd pr um se monoácid frc. Tmém temos que considerr que nomemos concentrção nlític do sl como C s, ms poderímos tmém chmá-l de C. Est é um equção de o gru e s mesms simplificções relizds pr ses monoácids frcs podem ser feits. Exemplo 1 - Clculr o ph de um solução de cetto de sódio, CH CN, 0,10 mol L 1. = 5,6x10 10 [ H x [H = 7,45x10 6 mol L 1 ph = 5,1 C [H + = 1,4x10 9 mol L 1 ph = 8,87 Testndo s simplificções temos que o erro cometido o fzer 1ª simplificção é 0,02 % e 2ª é 0,07 %. Vmos testr esses erros? c. Sl ácido sl de reção ácid é origindo de um ânion de ácido forte com um cátion de se frc. Neste cso hidrólise ocorre com o cátion. Como exemplos temos o cloreto de mônio, NH 4 Cl e o cloridrto de piridin, C 5 H 5 NH + Cl. sl origin soluções de cráter ácido, pois su dissocição dá origem um ácido frco, que por su vez rege com águ lierndo íons hidrônio, H +. Por exemplo: 41

9 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG NH 4 Cl (s) H 2 NH Cl NH H 2 NH + H + 2 H 2 H + + H Desse modo, vimos que temos um solução contendo um ácido frco e que expressão pr o cálculo de ph é [ H C [ H [ H [ H [ H (1) Equção gerl pr um sl ácido Sustituindo [ H w [ H e rerrnjndo temos: [H + + [H + 2 ( w + C )[H + w = 0 Est equção é mesm equção usd pr um ácido monoprótico frco. Que tl demonstrr vercidde dess informção? Est é um equção de o gru e s mesms simplificções feits pr ácidos monopróticos frcos podem ser feits. Exemplo 1 Clculr o ph de um solução de cloreto de mônio, NH 4 Cl, 0,010 moll 1. = 5,6x [H + = ( C ) 1/2 [H + = 2,4x10 6 mol L 1 ph = 5,6 [H = 4,26x10 9 mol L 1 s erros triuídos 1ª e 2ª simplificção são, respectivmente, 0,2 % e 0,02 %, logo, menores que %, portnto, podemos usr equção simplificd. Vmos confirmr? d. Sis derivdos de ácidos monopróticos frcos e ses monoácids frcs Este sl contém em su fórmul o ânion derivdo de um ácido frco e o cátion derivdo de um se frc e ssim, tnto o cátion como o ânion regem com águ produzindo íons hidrônio e hidróxido. A reção predominnte será quel que tiver o mior vlor de. Se > solução será ácid, se > solução será ásic e se =, solução será neutr. 42

10 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG Citmos como exemplos o cetto de mônio, CH CNH 4, e o nitrito de mônio, NH 4 N 2 BHA H 2 BH + + A Hidrólise do cátion: BH + + H 2 B + H + Hidrólise do ânion: A + H 2 HA + H Cálculo do ph - Dissocição do sl, hidrólise dos íons mônio e cetto e ionizção d águ: CH CNH 4 (s) H 2 CH C + NH 4 + NH H 2 NH + H + ; CH C + H 2 CH CH + H ; [ NH [ H (1) [ NH 4 [ CH CH [ H (2) [ CH C 2 H 2 H + + H ; w = [H + [H () - Blnço de mss: C s = [NH [NH (4) C s = [CH CH + [CH C (5) - Blnço de crg: [H + + [NH + 4 = [CH C + [H (6) Pelo fto ds constntes ácids e ásics serem reltivmente pequens, quntidde de íons H + e H será muito pequen. Portnto, concentrção dos íons NH + 4 e CH C será prticmente igul concentrção nlític do sl. Se solução não for muito diluíd temos que: 4

11 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG [NH + 4 >> [H + e [CH C >> [H e ssim equção (6) pode ser simplificd pr [NH + 4 = [CH C (7) Sustituindo (1) em (4) e rerrnjndo, temos C s = [NH [H [NH 4 C s = [NH [NH + [H 4 = C [H s [H (8) Sustituindo (2) em (5) e rerrnjndo, temos C s = [CH C + - [CH C [H C s = [CH C 1 C [H s = [CH C [ H 1 [CH C = C s [H (9) Sustituindo (8) e (9) em (7) e rerrnjndo, temos C [H [H s = C s [H [H + 2 = Isto indic que o ph não depende d concentrção nlític do sl, desde que el não sej muito pequen. Exemplo 1 - Clculr o ph de um solução de NH 4 N 2 0,010 mol L 1. (HN 2 ) = 5,1x10 4 e (NH ) = 1,8x10 5. NH H 2 NH + H + ; [ NH [ H 10 5,6 x 10 [ NH 4 44

12 Fundmentos de Químic Anlític, Ione M F liveir, Mri José S F Silv e Simone F B Tófni, Curso de Licencitur em Químic, Modlidde Distânci, UFMG N 2 + H 2 HN 2 + H ; [ HN2 [ H 11 [ N 2 2,0 x 10 2 H 2 H + + H ; w = [H + [H [H + 2 = [H + 2 = 5,1 x 10 4 x 1,0 x 10 1,8 x [H + = 5,29x10 7 mol L 1 ph = 6,28 AUT AVALIAÇÃ 1. Clcule o ph de um solução 0,1 mol L -1 de piridin. 2. Clcule o ph de um solução 10-9 mol L -1 de piridin. Clcule o ph de um solução 0,1 mol L -1 de hidroxilmin. 45