Objetivos Definir os conceitos de ácido e base, entender o que ocorre quando estas substâncias são dissolvidas em água e rever o conceito de constante de equilíbrio de uma reação química. Pré-requisitos Para acompanhar bem esta aula, você vai precisar de alguns conteúdos explorados durante o Ensino Médio, tais como equilíbrio químico e constante de dissociação. Introdução Você, provavelmente, já viu uma propaganda de shampoo ou sabonete na qual o destaque para a qualidade do produto está no fato dele ser neutro. O que você acha que significa um sabonete ser neutro? Por que, sendo neutro, ele é melhor para sua pele? Agora vamos pensar em uma outra situação. Você já teve dor de estômago, comumente chamada de azia, ou conhece alguém que já teve? Geralmente, o que é aconselhado nessa situação? Provavelmente, você já ouviu falar que a dor de estômago pode estar relacionada à acidez, e que ela pode ser controlada quando se toma um antiácido. Esta informação pode ser lida no verso das embalagens dos antiácidos. Quando pensamos em questões relacionadas à ecologia e ao meio ambiente também lembramos dos ácidos. Você já deve ter ouvido falar na chuva ácida, não? A chuva ácida é causada pela emissão de gases contendo nitrogênio e enxofre na atmosfera, em decorrência da queima de combustíveis fósseis, tais como o carvão e o petróleo. Os ácidos, formados pela combinação de alguns destes gases com a água, se misturam à chuva, que se torna uma chuva ácida, cuja precipitação pode devastar florestas inteiras. Veja na Figura 5.1 os efeitos da chuva ácida sobre um monumento. Todos esses exemplos estão relacionados aos conceitos de ácido e base. Mas afinal, o que caracteriza uma substância como ácida ou básica? Figura 5.1: Destruição de um monumento devido à chuva ácida. 37 37
BIOQUÍMICA I 1. As definições de ácido e base Em 1887, Arrhenius, químico sueco considerado um dos fundadores da físico-química, definiu os ácidos como aquelas substâncias capazes de doar prótons (H + ), e as bases como substâncias capazes de doar íons hidróxido (OH - ). Esta definição logo se tornou limitada, pois observou-se que as moléculas que não possuem o grupo OH, como por exemplo a amônia (NH 3 ), exibiam propriedades típicas das bases. Svante Arrhenius (1859-1927) Além de desenvolver sua teoria revolucionária para a época a respeito dos ácidos e bases, ele aplicou os princípios físico-químicos nos estudos de Meteorologia, Cosmologia e Bioquímica. Ele previu o Efeito- Estufa. Ganhou o Prêmio Nobel em 1903. Uma definição mais geral foi formulada em 1923, independentemente, por Johannes Brønsted, na Dinamarca, e Thomas Lowry, na Inglaterra. Estes cientistas definiram como ácidos as substâncias capazes de doar prótons, exatamente como Arrhenius tinha proposto, mas consideraram bases todas as substâncias capazes de receber prótons. Conceitos de ácido e base, ainda mais gerais, foram propostos por Gilbert Lewis, também em 1923, que definiu como compostos ácidos as substâncias capazes de receber um par de elétrons, e como bases as substâncias capazes de doar um par de elétrons. Esta definição, entretanto, é muito ampla, não sendo necessária à compreensão dos fenômenos biológicos.! Vale a pena conferir a biografia de Brønsted, cheia de belas fotos antigas, no site: www.geocities.com/ bioelectrochemistry/ bronsted.htm Agora ficou claro que um ácido é uma substância capaz de doar prótons. Isso explica uma das propriedades mais conhecidas dos ácidos, o seu gosto azedo. Nossas papilas gustativas possuem algumas células capazes de detectar a presença de prótons através de receptores presentes na sua superfície. A ligação dos prótons, nesses receptores, transmite um sinal ao sistema nervoso gerando a sensação do gosto azedo, proporcionalmente à quantidade de prótons na solução ingerida. 2. Os ácidos em solução Tendo em mente a capacidade dos ácidos de doarem prótons, observe o que acontece quando um ácido hipotético HA é adicionado em água: HA H + + A - O próton se dissocia do ácido HA. 38 38
Na verdade, a equação acima é uma simplificação, pois os íons H + nunca são encontrados livres em solução. Eles rapidamente se associam a moléculas de água, formando o íon hidrônio (H 3 O + ). Logo, a equação para a reação de dissociação do ácido é a descrita a seguir: HA + H 2 O H 3 O + + A Veja agora um exemplo no qual usaremos o ácido acético (o ácido presente no vinagre que temos na nossa cozinha): CH 3 COOH H + + CH 3 COO Neste caso, o ácido acético (CH 3 COOH) perde um próton, gerando o íon acetato (CH 3 COO ), que é chamado de base conjugada. Da mesma forma, como foi mostrado no exemplo acima, todo ácido gera uma base conjugada quando o próton se dissocia. A base conjugada é gerada quando o próton de um ácido se dissocia. 3. Como quantificar se um ácido é forte ou fraco? Para compreendermos a importância da dissociação dos prótons dos ácidos, em diversos fenômenos biológicos, é necessário quantificarmos este processo. Para isso, precisaremos relembrar alguns conceitos já estudados durante o Ensino Médio, como veremos a seguir. Todas as reações químicas reversíveis atingem o equilíbrio, no qual a proporção entre as concentrações de reagentes e produtos é constante. O valor numérico desta relação é característico para cada reação e pode ser definido como a constante de equilíbrio da reação (K eq ). Veja o exemplo abaixo para uma reação hipotética: A + B C + D! Você aprendeu a calcular a concentração molar de uma solução contendo determinada substância nas suas aulas de Química durante o Ensino Médio. Caso tenha dúvidas a esse respeito, consulte um livro de Química. K eq = [C] [D] [A] [B] Os colchetes indicam que se trata da concentração molar da substância. A constante de equilíbrio é característica para cada reação química em uma determinada temperatura. Ela define a composição da mistura de reagentes e produtos no equilíbrio, independentemente de suas concentrações iniciais. Cada reação apresenta uma constante de equilíbrio específica. 39 39
BIOQUÍMICA I Quando calculamos a constante de equilíbrio de uma reação de dissociação do próton de um determinado ácido, estamos de fato quantificando o quão forte é o ácido em questão. Isto porque quanto mais o ácido se dissociar, liberando mais prótons na solução, maior será a constante de equilíbrio desta reação. Vamos voltar ao nosso exemplo hipotético: HA + H 2 O H 3 O + + A A constante de equilíbrio desta reação é definida como: K eq = [H 3 O + ] [A ] [HA] [H 2 O] Nesta equação, é possível substituir o termo [H 2 O] (concentração de água) por seu valor numérico, já que esta concentração é essencialmente constante. Então, vamos ao cálculo: em 1 litro de água, temos 1000 g de água; em 1 mol de água, temos 18 g de água. Logo: Cálculo da concentração da água (1000g / l) (18 g / mol) = 55,5 moles/l ou 55,5 M. Assim, podemos definir a constante de equilíbrio da reação de dissociação de um ácido em água, denominada K a, multiplicando-se a constante K eq pela concentração da água (55,5 M) que, por sua vez, é uma outra constante: Constante de dissociação de um ácido K a = K eq [H 2 O] = [H + ][A - ] [HA] Por essa equação, podemos concluir que quanto menor o valor de K a, menor a proporção entre a forma dissociada e a forma não dissociada, ou seja, mais fraco é o ácido. Já os ácidos fortes se dissociam quase que completamente quando adicionados em água. 40 40
Resumo Nesta aula, você aprendeu os conceitos de ácidos e bases e viu que essas moléculas podem se ionizar, perdendo ou ganhando prótons quando adicionadas em uma solução aquosa. Você aprendeu também como calcular a constante de equilíbrio de uma reação química reversível, e como isso pode ser utilizado para quantificar a força de um ácido. Exercícios 1. Para cada par abaixo, circule a base conjugada. RCOOH RCOO RNH 2 RNH 3 H 2 PO 4 H 3 PO 4 H 2 CO 3 HCO 3 2. Se a constante de equilíbrio de uma determinada reação é igual a 1, no equilíbrio: a) a concentração dos produtos é maior do que a concentração dos reagentes. b) a concentração dos produtos é igual à concentração dos reagentes. c) a concentração dos produtos é menor do que a concentração dos reagentes. d) nenhuma das respostas acima. Auto-avaliação As questões propostas nesta aula são bastante simples e visam apenas à fixação do conceito de constante de equilíbrio e à compreensão do equilíbrio ácidobase. Se você entendeu a aula, provavelmente não vai ter dificuldades em resolvê-las. Entretanto, tenha em mente que a compreensão desta aula é fundamental para prosseguirmos com sucesso. 41 41