Reatividade 3.1 · Reações de transferência de prótons

Este material didático ensina Reatividade 3.1, Reações de transferência de prótons, para o curso avaliado pela primeira vez em 2025.

Pré-requisitos: quantidade de matéria e concentração de Estrutura 1.4, equilíbrio e $K$ de Reatividade 2.3, e logaritmos na base 10. Você usará valores $K_w$ e $K_a$ ou $\text{p}K_a$ do caderno de dados.

O que vinagre, ácido estomacal e amônia de limpeza têm em comum?

Vinagre e ácido estomacal viram o papel tornassol azul em vermelho, e solução de amônia vira o papel tornassol vermelho em azul. Uma única ideia explica tudo isso: em toda reação ácido-base, um próton, um íon $\text{H}^{+}$, se move de uma partícula para outra.

Ácidos doam, bases aceitam

• Um ácido de Brønsted–Lowry é um doador de prótons.
• Uma base de Brønsted–Lowry é um aceitador de prótons. Uma base deve ter um par de elétrons livres para aceitar o próton.

Na água, um próton nunca existe sozinho: ele se liga a uma molécula de água para formar o íon oxônio, $\text{H}_3\text{O}^{+}$. Escrever $\text{H}^{+}(\text{aq})$ é uma forma abreviada de $\text{H}_3\text{O}^{+}(\text{aq})$.

Pares ácido-base conjugados

Quando um ácido doa um próton, o que resta pode aceitar um próton novamente: é uma base. Um par conjugado ácido-base é duas espécies que diferem por um próton.

Aqui $\text{NH}_3$ (base) e $\text{NH}_4^{+}$ (seu ácido conjugado) formam um par; $\text{H}_2\text{O}$ (ácido) e $\text{OH}^{-}$ (sua base conjugada) formam o outro.

A água atua como base com HCl e como ácido com $\text{NH}_3$. Uma espécie que pode doar e aceitar prótons é anfiprótica. Outros exemplos são $\text{HCO}_3^{-}$, $\text{HSO}_4^{-}$ e $\text{H}_2\text{PO}_4^{-}$.

A escala de pH

A concentração de $\text{H}^{+}$ em soluções varia de aproximadamente $1$ a $10^{-14}\ \text{mol dm}^{-3}$. A escala de pH converte isso em números simples:

• Uma diminuição de uma unidade de pH significa que $[\text{H}^{+}]$ é dez vezes maior.
• O pH não tem unidades. Expresse-o com o mesmo número de casas decimais que os algarismos significativos em $[\text{H}^{+}]$.

Exemplo resolvido: $[\text{H}^{+}] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ resulta em $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$. Uma solução com pH 3.40 possui $[\text{H}^{+}] = 10^{-3.40} = 4.0 \times 10^{-4}\ \text{mol dm}^{-3}$.

A água ioniza-se levemente

A água pura contém uma quantidade mínima de íons:

O produto iônico da água, $K_w$, é

Na água pura $[\text{H}^{+}] = [\text{OH}^{-}] = 1.00 \times 10^{-7}$, logo o pH é 7.00. Uma solução é neutra quando $[\text{H}^{+}] = [\text{OH}^{-}]$, ácida quando $[\text{H}^{+}] > [\text{OH}^{-}]$ e alcalina quando $[\text{H}^{+}] < [\text{OH}^{-}]$.

A ionização da água é endotérmica, então $K_w$ aumenta com a temperatura. Em $50\ ^\circ\text{C}$, a água pura tem pH de aproximadamente 6.6, mas ainda é neutra, pois $[\text{H}^{+}]$ e $[\text{OH}^{-}]$ permanecem iguais.

pH de ácidos fortes e bases fortes

Um ácido forte ou uma base forte está totalmente ionizado, portanto a concentração de íons vem diretamente da concentração da solução.

• $0.020\ \text{mol dm}^{-3}$ HCl: $[\text{H}^{+}] = 0.020$, pH $= 1.70$.
• $0.010\ \text{mol dm}^{-3}$ NaOH: $[\text{OH}^{-}] = 0.010$, logo $[\text{H}^{+}] = K_w / 0.010 = 1.0 \times 10^{-12}$, pH $= 12.00$.

Ionização completa e parcial

• Um ácido forte ioniza-se completamente na água: HCl, $\text{HNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ (primeiro próton). Uma base forte ioniza ou dissocia-se completamente: hidróxidos do grupo 1 e $\text{Ba(OH)}_2$.
• Um ácido fraco ioniza-se apenas parcialmente; o equilíbrio favorece os reagentes: ácido etanoico e outros ácidos carboxílicos, ácido carbônico. Uma base fraca aceita prótons apenas parcialmente: amônia e aminas.

Em $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ ácido etanoico, apenas cerca de 1 molécula em 80 está ionizada a qualquer momento.

Não confunda forte com concentrado. A força refere-se ao grau de ionização do ácido; a concentração refere-se à quantidade de ácido dissolvida em cada $\text{dm}^3$. Uma solução diluída de um ácido forte pode ter pH maior que uma solução concentrada de um ácido fraco.

Quanto mais forte o ácido, mais fraca é sua base conjugada: $\text{Cl}^{-}$ tem quase nenhuma tendência a aceitar um próton, enquanto $\text{CH}_3\text{COO}^{-}$ o aceita facilmente.

Diferenciá-los

Compare soluções de mesma concentração à mesma temperatura:

O volume total de gás e a quantidade de base necessária para neutralizar cada solução são as mesmas: à medida que o ácido fraco reage, seu equilíbrio se desloca e mais moléculas se ionizam.

Neutralização

Um ácido e uma base reagem para formar um sal e água. Para qualquer ácido forte e base forte, a reação é a mesma:

Neutralização é exotérmica. Outras reações de ácidos:

• com carbonato ou bicarbonato metálico: sal, água e dióxido de carbono;
• com metal reativo: sal e hidrogênio;
• com óxido ou hidróxido metálico: sal e água.

Curva de pH de um ácido forte e uma base forte

Uma curva de pH mostra como o pH muda quando uma solução é adicionada à outra em uma titulação.

• O ponto de equivalência é onde as quantidades de ácido e base correspondem à equação. Para um ácido forte e uma base forte, está em pH 7.
• Próximo ao ponto de equivalência, uma gota de base altera o pH em várias unidades. Essa seção íngreme é a razão pela qual um indicador pode mostrar o ponto final com precisão.
• O pH inicial depende da concentração do ácido, e o pH final aproxima-se do pH da base.

1. Identifique os dois pares ácido-base conjugados em $\text{HNO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NO}_3^{-} + \text{H}_3\text{O}^{+}$.
2. Escreva equações para demonstrar que $\text{HCO}_3^{-}$ é anfiprótico.
3. Calcule o pH de: (a) $0.0025\ \text{mol dm}^{-3}$ HCl, (b) $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ KOH.
4. Uma solução tem pH 4.70. Calcule $[\text{H}^{+}]$ e $[\text{OH}^{-}]$.
5. Descreva dois experimentos que distinguam soluções $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ de um ácido forte e um ácido fraco, com os resultados esperados.
6. Explique por que a água pura a $60\ ^\circ\text{C}$ tem pH abaixo de 7 mas ainda é neutra.
7. Rascunhe a curva de pH quando $0.100\ \text{mol dm}^{-3}$ NaOH é adicionado a $20.0\ \text{cm}^3$ de $0.100\ \text{mol dm}^{-3}$ HCl, marcando o pH inicial e o ponto de equivalência.

Respostas.

1. $\text{HNO}_3$ (ácido) e $\text{NO}_3^{-}$ (base conjugada); $\text{H}_3\text{O}^{+}$ (ácido) e $\text{H}_2\text{O}$ (base conjugada).
2. Como ácido: $\text{HCO}_3^{-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO}_3^{2-} + \text{H}_3\text{O}^{+}$. Como base: $\text{HCO}_3^{-} + \text{H}_3\text{O}^{+} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}$.
3. (a) pH $= -\log(0.0025) = 2.60$. (b) $[\text{H}^{+}] = 1.00 \times 10^{-14} / 0.050 = 2.0 \times 10^{-13}$, pH $= 12.70$.
4. $[\text{H}^{+}] = 10^{-4.70} = 2.0 \times 10^{-5}\ \text{mol dm}^{-3}$; $[\text{OH}^{-}] = 1.00 \times 10^{-14} / 2.0 \times 10^{-5} = 5.0 \times 10^{-10}\ \text{mol dm}^{-3}$.
5. Quaisquer dois: medir o pH (forte cerca de 1, fraco cerca de 3); medir a condutividade (muito maior no forte); adicionar fita de magnésio ou carbonato de cálcio (bolhas mais rápidas no forte). Use a mesma concentração, volume e temperatura.
6. A ionização da água é endotérmica, então a temperatura mais alta desloca o equilíbrio para a direita e $[\text{H}^{+}]$ aumenta acima de $10^{-7}$, resultando em pH abaixo de 7. Mas $[\text{H}^{+}] = [\text{OH}^{-}]$ permanece, assim a água é neutra.
7. Comece em pH 1.0; subida lenta; salto vertical de cerca de pH 3 para 11 em $20.0\ \text{cm}^3$ com o ponto de equivalência em pH 7; depois estabilização próxima a pH 12–13.

• Defina ácidos e bases como doadores e aceitadores de prótons; uma base precisa de um par de elétrons não ligantes.
• Pares conjugados diferem por exatamente um $\text{H}^{+}$; sempre pare cada ácido com sua própria base conjugada.
• Forneça o pH com tantas casas decimais quantos os $[\text{H}^{+}]$ algarismos significativos tiver.
• Compare ácidos fortes e fracos na mesma concentração; nunca use "forte" para significar "concentrado".
• Neutro significa $[\text{H}^{+}] = [\text{OH}^{-}]$, que corresponde a pH 7 apenas em $298\ \text{K}$.