Ácido-base: objectivos principais Definição de ph e poh Definição e interpretação de K a, K b, K w Relação entre K a e K b de pares ácido-base conjugados (a 25ºC pk a pk b =14) Calcular o ph de uma solução de ácido forte, ou base forte em água. ácido fraco, ou base fraca em água. solução tampão. Explicar as características de solução tampão. Calcular as proporções de ácido e base conjugada para preparar solução tampão a um dado ph. Calcular a variação de ph quando se adiciona ácido ou base a uma solução tampão. Interpretar curvas de titulação. Calcular o ph em qq ponto de uma titulação de ácido-base (fraco-forte ou forte-forte). Explicar como funcionam os indicadores. Escolher um indicador apropriado para uma dada titulação.
Auto-dissociação da água H 2 O H 2 0 H 3 O OH - K w = [H 3 O [OH - = 10-14 (a 25 ºC) (produto iónico da água) Se soubermos [H 3 O podemos calcular [OH - e vice-versa: [H 3 O = 10-5 M [OH - = Kw / [H 3 O = 10-14 / 10-5 = 10-9 M
ph, poh, pk a e pk b ph = -log 10 [H 3 O poh = -log 10 [OH - pk a = -log 10 K a pk b = -log 10 K b Ex: K a = 1.8 10-5 pk a = 4.74 K w = [H 3 O [OH - = 10-14 (produto iónico da água) -log 10 K w = - log 10 [H 3 O - log 10 [OH - = -log 10 10-14 pk w = ph poh = 14
Cálculos de ph 1) Soluções de ácidos ou bases fortes ph de solução HCl 0.1 M? HCl H 2 0 H 3 O Cl - Consideramos HCl completamente dissociado: [HCl eq 0 [H 3 O = [HCl in = 0.1 M ph = -log [H 3 O = -log 0.1 = 1
Cálculos de ph ph de solução NaOH 0.1 M? NaOH Na OH - Consideramos NaOH completamente dissociado: [NaOH eq 0 [OH - = [NaOH in = 0.1 M poh = -log [OH - = -log 0.1 = 1 ph = 14 poh = 13
Cálculos de ph 2) Soluções de ácidos fracos ph de solução de ácido acético 0.1 M? AcH H 2 0 H 3 O Ac - K a = 1.8 10-5 = 3 K a [H O [Ac [HAc AcH H 2 0 H 3 O Ac - In.: 0.1 0 0 Eq.: 0.1-x x x ( 0.1) 1.8 10 5 = 2 x 0.1 x 2 = 1.8 10 6 x = 1.34 10 3 A aproximação era válida!
Cálculos de ph 3) Soluções de bases fracas ph de solução de NH 3 0.01 M? NH 3 H 2 0 NH 4 OH - K b = 1.8 10-5 K b = [OH [NH [NH 3 4 NH 3 H 2 0 NH 4 OH - In.: 0.01 0 0 Eq.: 0.01-x x x ( 0.01) 1.8 10 5 = 2 x 0.01 x 2 x = = 1.8 10 4.24 10 7 4 A aproximação era válida! poh = -log [OH - = 3.37 ph = 14 poh = 10.6
Aplicações de ácido clorídrico HCl 1) Remoção de incrustações de calcário em condutas de água Calcário é carbonato de cálcio CaCO 3 CaCO 3 (s) HCl(aq) Ca 2 (aq) HCO 3- (aq) Cl - (aq) HCO 3- (aq) HCl(aq) H 2 CO 3 (aq) H 2 CO 3 (aq) CO 2 (g) H 2 O Cl - (aq) CaCO 3 (s) 2HCl(aq) Ca 2 (aq) CO 2 (g) 2Cl - (aq) H 2 O 2) Dissolução de rochas para extracção de petróleo
Cálculos de ph 4) Soluções de sais de ácido forte e base fraca ph de solução de NH 4 Cl 0.2 M? NH 4 Cl NH 4 Cl - (composto iónico solúvel em água) NH 4 H 2 0 NH 3 H 3 O K [H O [NH 3 a = [NH4 3 NH 4 H 2 0 NH 3 H 3 O In.: 0.2 0 0 Eq.: 0.2-x x x ( 0.2) 2 x K a = x = 0.2 0.2 K a ph = - log x K a?? NH 3 H 2 0 NH 4 OH - K b = 1.8 10-5
Relação entre pk a de HA e pk b de A - NH 4 H 2 0 NH 3 H 3 O NH 3 H 2 0 NH 4 OH - K [H O [NH 3 a = [NH4 3 K b = [OH [NH [NH 3 4 [H3O [NH3 [OH [NH4 K a.kb = = [H3O [OH = [NH [NH 4 3 K w K a = K w / K b = 10-14 / 1.8 10-5 = 5.6 10-10 K w = pk a pk b HA A -
Cálculos de ph 5) Soluções tampão ph de solução de NH 4 Cl 0.05 M NH 3 0.01 M? NH 4 Cl NH 4 Cl - (composto iónico solúvel em água) NH 4 H 2 0 NH 3 H 3 O K [H O [NH 3 a = [NH4 3 NH 4 H 2 0 NH 3 H 3 O In.: 0.05 0.01 0 Eq.: 0.05-x 0.01x x ( 0.05) ( 0.01) 0.01x K 0.05-10 -9 a = x = 0.05 5.6 10 / 0.01= 2.8 10 ph = - log 2.8 10-9 = 8.6
Soluções tampão Concentrações comparáveis de HA e A - Concentrações de HA e A - elevadas Volume = 1L Copo 1 Copo 2 Copo 3 Concentração de tampão * 0 0.2 M ** 0.02 M ph antes da adição de HCl 7.0 4.7 4.7 ph após a adição de HCl 2.0 4.6 3.2 * Solução tampão de acetato de sódio e ácido acético ** 0.1 M em CH 3 CO 2 H e 0.1 M em CH 3 CO 2 -
Copo 1 Quantidade de HCl adicionada = c. V = 1 10 10-3 = = 0.01 mol Volume total = 1L [HCl in = 0.01 mol / 1 L = 0.01M Situação ácido forte em água. HCl H 2 0 H 3 O Cl - Consideramos HCl completamente dissociado: [HCl eq 0 [H 3 O = [HCl in = 0.01 M ph = -log [H 3 O = -log 0.01 = 2
Copo 2 Agora há AcH e Ac - em quantidades elevadas e semelhantes entre si! Situação solução tampão. AcH H 2 0 Ac - H 3 O In.: 0.1 0.1 0 Eq.: 0.1-x 0.1x x ( 0.1) ( 0.1) 1.85 10-5 = 0.1x / 0.1 = x ph = log 1.85 10-5 = 4.7 [HCl in = 0.01 mol / 1 L = 0.01M (como no copo 1) Ad. HCl: 0.11 0.09 1.85 10-5 Eq.: ~0.11 ~0.09 y 1.85 10-5 = 0.09y / 0.11 y = 2.26 10-5 ph = 4.6
y = 5.99 10-4 ph = -log (5.99 10-4 1.85 10-5 )= 3.2 Copo 3 Há AcH e Ac - em quantidades elevadas e semelhantes entre si como no copo 2. Situação solução tampão. AcH H 2 0 Ac - H 3 O In.: 0.01 0.01 0 Eq.: 0.01-x 0.01x x ( 0.01) ( 0.01) 1.85 10-5 = 0.01x / 0.01 = x ph = log 1.85 10-5 = 4.7 [HCl in = 0.01 mol / 1 L = 0.01M (como no copo 1 e 2) Ad. HCl: 0.02 0 1.85 10-5 Eq.: ~0.02 y y1.85 10-5 1.85 10-5 = y (y 1.85 10 0.02-5 ) y 2 1.85 10-5 y - 3.7 10-7 = 0
Indicadores ácido-base HInd H 2 0 H 3 O Ind - (ácido) (base) E se HInd e Ind - tiverem cores diferentes? Exemplo: p-nitrofenol OH O H 2 O H 3 O NO 2 incolor HInd NO 2 amarelo Ind - pk a = 7.21 K [H3O [Ind = [HInd - - [Ind [HInd a 3 ph=5 [Ind - /[HInd = 10-7.21 /10-5 = 0.0062 Ka = [H O
Indicadores ácido-base HInd H 2 0 H 3 O Ind - (ácido) (base) - [Ind [HInd = K a [H O 3 Indicador ph de viragem Ácido Base Alaranjado de metilo 3,1 a 4,6 Vermelho Amarelo alaranjado Verde de bromocresol 3,8 a 5,4 Amarelo Azul Vermelho de metilo 4,2 a 6,3 Vermelho Amarelo p-nitrofenol 5,0-7,0 Incolor Amarelo Azul de bromotimol 6,0 a 7,6 Amarelo Azul Vermelho de fenol Fenolftaleína 6,6 a 8,6 Amarelo Vermelho 8,0 a 9,8 Incolor Vermelho
Indicadores ácido-base HInd H 2 0 H 3 O Ind - (ácido) - [Ind [HInd = K a [H O 3 (base) Indicator ph Range pka Acid Form Base Form methyl violet 0.0-1.6 0.8 yellow blue thymol blue 1.2-2.8 1.6 red yellow methyl yellow 2.9-4.0 3.3 red yellow methyl orange 3.1-4.4 4.2 red yellow bromocresol green 3.8-5.4 4.7 yellow blue methyl red 4.2-6.2 5.0 red yellow chlorophenol red 4.8-6.4 6.0 yellow red bromothymol blue 6.0-7.6 7.1 yellow blue phenol red 6.4-8.0 7.1 yellow red cresol purple 7.4-9.0 8.3 yellow purple thymol blue 8.0-9.6 8.9 yellow blue phenolphthalein 8.0-9.8 9.7 colorless red thymolphthalein 9.3-10.5 9.9 colorless blue alizarin yellow R 10.1-12.0 11.0 yellow red indigo carmine 11.4-13.0 12.2 blue yellow
Neutralização Mistura de iguais quantidades de ácido (HA) e de base (B) HA forte fraco forte B forte forte fraca ph ~ 7 > 7 < 7
Titulação ácido forte base forte Adição de NaOH 0.1M a 10 ml de solução de HCl 0.1M Ponto de equivalência: nº de mol de base = nº de mol de ácido Curva de titulação de um ácido forte (HCl) com uma base forte (NaOH) Ponto de equivalência: ph=7
[H 3 O = n / V = 2 10-4 / (18 10-3 ) = 0.011 ph = 1.95 108 Titulação ácido forte base forte Titulação de 10 ml de HCl 0.1M com NaOH 0.1 M Cálculo de ph após adição de 8 ml de NaOH 0.1M? Início: n HCl = n H3 O = c. V = 0.1 10 10-3 = 10-3 mol Quantidade de NaOH adicionado: n NaOHl = c. V = 0.1 8 10-3 = 8 10-4 mol Ácido forte base forte todo o OH - reage com H 3 O Quantidade de H 3 O restante: n H3 O = 10-3 -8 10-4 = 2 10-4 mol
Titulação ácido forte base forte Titulação de 10 ml de HCl 0.1M com NaOH 0.1 M
Titulação ácido fraco base forte Adição de NaOH 0.1M a 10 ml de solução de ácido acético (CH 3 COOH) 0.1M Ponto de equivalência: nº de mol de base = nº de mol de ácido Curva de titulação de um ácido fraco (CH 3 COOH) com uma base forte (NaOH) Ponto de equivalência: ph > 7
Titulação ácido fraco base forte (ph no ponto de equivalência) Titulação de 10 ml de ácido acético 0.1M com NaOH 0.1M Cálculo de ph no ponto de equivalência (após adição de 10 ml de NaOH 0.1M)? AcH H 2 0 Ac - H 3 O Imaginamos que todo o AcH reagiu com NaOH e fazemos os cálculos como se partíssemos apenas de Ac - : n Ac - = c. V = 0.1 10 10-3 = 10-3 mol V = (10 10) 10-3 L = 2 10-2 L [Ac - = 10-3 / (2 10-2 ) = 0.05M Problema: ph de solução 0.05M de acetato de sódio
Titulação ácido fraco base forte (ph no ponto de equivalência) Titulação de 10 ml de ácido acético 0.1M com NaOH 0.1M Ac - H 2 0 AcH OH - In.: 0.05 0 0 Eq.: 0.05-x x x ( 0.05) K x 0.05 2 10 2 11 b = 5.4 10 = x = 2.7 10 x = 5.2 10-6 M poh = 5.3 ph = 8.7
Titulação base fraca ácido forte Titulação de 10 ml de uma base fraca com HCl 0.1M Ponto de equiv: ph<7
Titulações ácido base (Escolha do indicador) Critério geral de escolha de um indicador ph do ponto de equivalência contido na zona de viragem do indicador Escolher indicador com pk a o mais próximo possível do ph do ponto de equivalência (pk a, ind ± 1)
Problemas ácido-base 1. Pretende-se determinar no laboratório a concentração de uma solução X de ácido HClO. Para isso titularamse 25 ml dessa solução com hidróxido de sódio (NaOH) 0.050 M. O ponto de equivalência foi obtido após a adição de 30 ml de titulante. a. Qual a concentração inicial da solução X? b. Qual o ph no ponto de equivalência? c. Qual o ph da solução X inicial? d. Qual o ph após adição de 15 ml de NaOH? K a (HClO)=3.5 10-8 2. Calcule o ph da solução resultante da adição de 5.0 ml de NaOH 0.5 M a 40.0 ml de uma solução 0.17 M em ácido fluorídrico (HF). pk a (HF) = 3.45