Ácidos e Bases: Definições e Teorias

Capítulo IV – Ácidos e Bases


4.1. Natureza dos Ácidos e das Bases

4.1.1. Ácidos e Bases

• Ácidos:

Têm um gosto azedo. O vinagre deve o seu gosto ao ácido acético. Os citrinos
contêm o ácido cítrico;
Reagem com certos metais produzindo hidrogênio;
Reagem com carbonatos e bicarbonatos produzindo dióxido de carbono;

• Bases:

Têm um sabor amargo;
Escorregadios. Muitos sabões contêm bases;

4.1.2. Ácidos e Bases de Arrhenius

Segundo Arrhenius, uma substância é classificada como ácido ou base de acordo
com as espécies iônicas liberadas em solução aquosa.

• Um ácido de Arrhenius é uma substância que produz, exclusivamente, o cátion
+ +
hidrônio (H3O ou H ) quando dissolvido em água.

+ −
HCl(aq) + H2O(l) H3O(aq) + Cl(aq)

• Uma base de Arrhenius é uma substância que produz exclusivamente, o ânion
−
hidróxido (HO ) quando dissolvido em água.

+ −
NaOH(aq) + H2O(l) Na(aq) + HO(aq)

Quando os químicos perceberam que as reações de muitas substâncias têm
características comuns, eles formularam uma definição simples que engloba todas essas
substâncias. As reações de ácidos e bases são uma excelente ilustração desta abordagem.
Tais informações foram inicialmente identificadas nos estudos de soluções de ácidos e
bases em água, que levaram às definições de Arrhenius de ácidos e bases. Entretanto, os
químicos descobriram, posteriormente, que as reações de ácidos e bases também ocorrem
em outros solventes e, até mesmo, na ausência de solvente. A definição original teve de
ser substituída por uma definição mais ampla que contemplasse este novo conhecimento.
Começaremos por ver como essas novas definições podem enriquecer nosso
conhecimento das propriedades da matéria e, depois, como expressá-lo
quantitativamente.

170


4.1.3. Ácidos e Bases de Brønsted-Lowry

Em, 1923, o químico dinamarquês Johannes Brønsted propôs as seguintes
definições:
• Um ácido de Brønsted-Lowry é um doador de prótons.

+ −
HBr(aq) + H2O(l) H3O(aq) + Br(aq)

• Uma base de Brønsted-Lowry é um receptor de prótons.

+ −
NH3(aq) + H2O(l) NH4(aq) + HO(aq)

+
O termo próton nestas definições refere-se ao íon hidrogênio, H . um ácido é uma
espécie que contém um átomo de hidrogênio ácido, isto é, um átomo de hidrogênio que
pode ser transferido na forma do núcleo, o próton, a outra, que age como base. As
mesmas definições foram propostas independentemente pelo químico inglês Thomas
Lowry, e a teoria nelas baseada é chamada de teoria de Brønsted-Lowry de ácidos e bases.

Enquanto as definições de Arrhenius se limitam a soluções em água, as definições
de Brønsted-Lowry de ácidos e bases são mais gerais e se aplicam, também, às espécies
em solventes que não a água e mesmo á fase gás. Por exemplo, quando o ácido acético
puro é adicionado a amônia líquida, ocorre transferência de prótons e o seguinte
equilíbrio é atingido:

− +
CH3COOH(l) + NH3(l) CH3CO2(am) + NH4(am)

(o símbolo am indica que a espécie está dissolvida em amônia líquida). Um exemplo de
transferência de próton em fase gás é a reação entre os gases cloreto de hidrogênio e
amônia. Eles produzem um pó fino de cloreto de amônio, que é freqüentemente
encontrado cobrindo superfícies em laboratórios de química:

NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s)

Um ácido é um doador de prótons e uma base é um aceitador de prótons. A base conjugada
de um ácido é uma base formada quando o ácido doou o próton. O ácido conjugado de uma
base é o ácido que se formou quando a base aceitou o próton.
+
aceita H
Ácido base conjugada
+
aceita H
Base ácido conjugada

4.1.4. Ácidos e bases de Lewis

A teoria de Brønsted-Lowry focaliza a transferência de um próton entre duas
espécies. Entretanto, os conceitos de ácido e base são mais amplos do que a simples

171


transferência de prótons. Muitas outras substâncias podem ser classificadas como ácidos
ou bases pela definição desenvolvida por G. N. Lewis:
• Um ácido de Lewis é um aceitador de par de elétrons.
• Uma base de Lewis é um doador de par de elétrons.

Quando uma base de Lewis doa um par de elétrons a um ácido de Lewis, forma-se
uma ligação covalente coordenada, isto é, uma ligação em que os elétrons provêm de um
dos átomos.
+
Um próton (H ) é um aceitador de par de elétrons e, portanto, um ácido de Lewis,
porque ele pode unir-se a um par de elétrons isolados de uma base de Lewis. Em outras
palavras, um ácido de Brønsted é um fornecedor de um ácido de Lewis particular, o
próton. Da mesma forma, uma base de Brønsted é um tipo especial de base de Lewis, uma
substância que pode utilizar um par de elétrons isolados para formar uma ligação
covalente com o próton.

O íon óxido é um a base de Lewis. Ele forma uma ligação covalente coordenada
com o próton, um ácido de Lewis, fornecendo o par de elétrons da ligação:
nn
nn 2-
n
n O n
n H
n
n O H
nn
nn

n
n O H
+ nn

nn
n
n O H
nn

(As setas curvas mostram a direção do fluxo imaginário de elétrons). De forma
semelhante, quando a amônia, NH3, uma base de Lewis, é dissolvida pela água, algumas
moléculas aceitam prótons das moléculas de água:

H H +

H N n
n H H N H
nn

H n
n O H
nn
H n
n O H
nn

As bases de Lewis são também bases de Brønsted. Entretanto, os ácidos de Lewis
não são necessariamente ácidos de Brønsted, porque um ácido de Lewis não precisa ter
um átomo de hidrogênio.
Os óxidos de metal solúveis são bases fortes, porém, muitos óxidos de ametais são
ácidos de Lewis que reagem com água para dar ácidos de Brønsted. Um exemplo é a
reação de CO2 com água:
Transferência de prótons
H
O H O
C n
n O H
nn
C O
O O H
Partilhamento de próton
Nesta reação, o átomo de C do CO2, o ácido de Lewis, aceita um par de elétrons do átomo
O de uma molécula de água, a base de Lewis, e um próton migra de um átomo de

172


oxigênio de H2O para um átomo de oxigênio de CO2. O produto, a molécula H2CO3, é um
ácido de Brønsted.

Um ácido de Lewis é um aceitador de par de elétrons. Uma base de Lewis é um doador de
par de elétrons. Um próton é um ácido de Lewis que se liga a um par isolado de elétrons
fornecido por uma base de Lewis.

4.1.5. Óxidos Ácidos, Básicos e Anfóteros

Acabamos de ver que alguns óxidos podem reagir com água como ácidos ou bases
de Lewis. Um óxido ácido é um óxido que reage com água para formar um ácido de
Brønsted. Um óxido básico é um óxido que reage com água para formar uma base de
Brønsted. Os óxidos ácidos são compostos moleculares, como CO2, que reagem com bases
para dar um sal e água. Ao contrario, os óxidos básicos são compostos iônicos, como CaO,
que reagem com ácidos para dar um sal e água . Por exemplo, o óxido de magnésio, é um
óxido básico, reage com ácido clorídrico:

MgO(s) + 2 HCl(aq) MgCl2(aq) + H2O(l)

2-
Nesta reação, a base O aceita dois prótons dos íons hidrônio da solução de ácido
−
clorídrico. O dióxido de carbono, um óxido ácido, reage com a base de Lewis, OH ,
presente em uma solução de hidróxido de sódio em água:

2 NaOH(aq) + CO2(g) Na2CO3(aq) + H2O(l)

A crosta branca que se vê, com freqüência, nas lentilhas de hidróxido de sódio é
uma mistura de carbonato de sódio formado dessa maneira e de hidrogenocarbonato de
sódio em uma reação semelhante:

NaOH(aq) + CO2(g) NaHCO3(aq)

Os metais formam , tipicamente, óxidos básicos e os ametais formam óxidos
ácidos, mas o que acontece com os elementos que ficam na fronteira diagonal entre os
metais e ametais? Nesta região, do berílio ao polônio, o caráter de metal funde-se com o
caratê de ametal e os óxidos desses elementos têm caráter ácido e caráter básico (Fig.1).
Substâncias que reagem com ácidos e com bases são chamadas de anfóteras, da palavra
grega para “ambos”. O óxido de alumínio, Al2O3, por exemplo, é anfótero. Ele reage com
ácidos:

Al2O3(s) + 6 HCl(aq) 2 AlCl3(aq)+ H2O(l)

Porém, também reagem com bases:

2 NaOH(aq) + Al2O3(s) + H2O(l) 2 Na[Al(OH)4](aq)

173


O produto da segunda reação é o aluminato de sódio, que contém o íon aluminato,
−
Al(OH)4. A Fig. 4.1 mostra outros elementos do grupo principal que formam óxidos
anfóteros. O caráter ácido, anfótero ou básico dos óxidos dos metais do bloco-d dependem
de seu estado de oxidação (Fig. 4.2).

Os metais formam óxidos básicos e os ametais formam óxidos ácidos. Os elementos da linha
diagonal, do berílio ao polônio, e vários metais do bloco-d formam óxidos anfóteros.
2 13/III 14/IV 15/V 16/VI

BeO B

… Al2O3 Si

… Ga2O3 GeO2 As2O3

SnO
… In2O3 Sb2O3 Te
SnO2

… Al2O3
l Bi2O3 Po

Figura 4.1. Os elementos da linha diagonal dos metalóides e próximas a ela forma
tipicamente óxidos anfóteros (indicados pelas letras vermelhas).
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
+1 +4 +4 +4 +4 +4, +3 +3 +3 +2 +2

Figura 4.2. Certos elementos do bloco d formam óxidos anfotéricos, particularmente em
estados de oxidação intermediários (como mostramos aqui para a primeira série).

4.1.6 Troca de Prótons entre Moléculas de Água

Uma importante conseqüência das definições de Brønsted de ácidos e bases é que
a mesma substância pode funcionar como ácido e como base. Vimos, por exemplo, que
uma molécula de água aceita um próton de uma molécula de ácido (como HCl ou HCN)
+
para formar um íon H3O . Logo, a água é uma base. Entretanto, uma molécula de água pode
2- −
doar um próton a uma base (como O ou NH3) e torna-se um íon OH . Assim, a água é,
também, um ácido. Dizemos, então, que a água é anfiprótica, isto é, que ela pode agir
como doadora e como aceitadora de prótons.
Como a água é anfiprótica – porque ela funciona como ácido e como base – ocorre
tr5ansferência de prótons entre moléculas de água até mesmo em água pura. A reação é
muito rápida e o equilíbrio

+ −
2 H2O(l) H3O(aq) + OH(aq) (A)

Está sempre presente na água e em soluções. Em cada corpo de água, prótons dos átomos
de hidrogênio migram incessantemente de uma molécula para outra. Esse tipo de reação,

174


em que uma molécula transfere um próton para outra igual, é chamada de autoprotólise
(Fig.4). Como as ligações O—H são fortes, podemos esperar que a fração de prótons
transferida seja muito pequena.
A constante de equilíbrio para a reação A é
a H O + a OH −
K=
(a )
3
2
(1a)
H2O

Em soluções diluídas em água (as únicas que usaremos neste capitulo), o solvente está
quase puro, logo, sua atividade pode ser igual a 1. A expressão resultante é chamada de
constante de autoprotólise da água e é escrita Kw:
K w = a H O + a OH − (1b)*
3

A atividade de um soluto J em uma solução diluída é aproximadamente igual a
molaridade relativa a molaridade padrão, [J]/c°, logo uma forma prática dessa expressão
é
K w = [H 3 O + ] [OH − ]
em que, simplificamos a expressão pela substituição de [J]/c° por [J], o valor numérico da
molaridade.
+ −
Em água pura a 25°C, as concentrações molares de H3O e OH são iguais e têm o
valor experimental 1,0×10-7 mol⋅L–1. Assim,

K w = (1,0 × 10 −7 ) × (1,0 × 10 −7 ) = 1,0 × 10 −14

+ −
As concentrações de H3O e OH são muito pequenas em água pura, o que explica por
que a água pura é tão má condutora de eletricidade. Para imaginar o grau extremamente
baixo da autoprotólise, imagine cada letra deste livro como uma molécula de água.
Precisaríamos procurar em mais de 50 exemplares para encontrar uma molécula de água
ionizada. A reação de autoprotólise é endotérmica (∆H° = +56 kJ⋅mol –1) e, por isso,
r
podemos esperar que Kw aumente de acordo com a temperatura. Todos os cálculos deste
capitulo, entretanto, serão feitos para 25°C.
Chegamos, agora, a um ponto muito importante, que será à base de boa parte
deste e do próximo capitulo. Como Kw é uma constante de equilíbrio, o produto das
+ −
concentrações dos íons H3O e OH é sempre igual a Kw. Podemos aumentar a
+ −
concentração de íons H3O por adição de ácido, porém, a concentração de íons OH
decresce para manter o valor de Kw. Alternativamente, podemos aumentar a concentração
− +
de íons OH por adição de base, mas, então, a concentração de íons H3O diminui. O
+ −
equilíbrio de autoprotólise interliga as concentrações de H3O e OH como uma gangorra;
quando uma sobe, a outra desce (Fig. 4.3)

175


Figura 4.3. O produto das concentrações dos íons hidrônio e hidróxido em água (água
pura e solução em água) é constante. Se a concentração de um tipo de íon cresce, a do
outro deve decrescer, para manter constante o produto das concentrações.

+ −
Nas soluções em água, as concentrações dos íons H3O e OH estão relacionadas pelo
equilíbrio de autoprotólise. Se uma concentração aumenta, a outra diminui para manter o
valor de Kw.

4.1.7. Escala de pH

Até agora, vimos, qualitativamente, que os íons hidrônio estão presentes na água e que,
+
em soluções de ácidos ou bases em água, a concentração de íons H3O depende da
concentração do soluto. Devemos, agora, expressar quantitativamente essa concentração e
ver como ela depende da concentração do acido ou da base na solução. Uma pequena
+
dificuldade é que a molaridade dos íons H3O pode varia em muitas ordens de grandeza:
em algumas soluções pode ser maior do que 1 mol⋅L-1 e, em outras, menor que 10-14
mol⋅L-1. Os químicos evitam a dificuldade de lidar com essa faixa extensa de valores
usando logaritmos. Eles indicam a molaridade do íon hidrônio em termos do pH da
solução, isto é, o logaritmo negativo (na base 10) da atividade do íon hidrônio:

pH = −log a H O + (2a)
3

em que (para soluções suficientemente diluídas pra serem tratadas como ideais)
+
( aH + = [H 3 O + ] / c ° ). Simplificamos a expressão fazendo [H3O ] igual ao valor
3O

+
numérico da molaridade dos íons H3O .

pH = − log [H 3 O + ] (2b)*

176


+
Assim, o pH da água pura, em que a molaridade dos íons H3O é 1,0×10-7 mol⋅L-1, em
25°C, é

pH = − log (1,0 × 10 −7 ) = 7 ,00

Note que o número de dígitos que segue a vírgula do valor numérico de pH é igual ao
número de algarismos significativos da molaridade corresponde, porque os dígitos que
precedem a vírgula correspondem à simplesmente à potência 10 dos dados (como em log
105 = 5). A maior parte das soluções usadas em química tem pH no intervalo de 0 a 14,
mas valores fora dessa faixa são possíveis.
O sinal negativo na definição do pH significa que, quanto maior for a concentração molar
+
de H3O , menor será o pH:
• O pH da água pura é 7.
• O pH de uma solução ácida é menor do que 7.
• O pH de uma solução básica é maior do que 7.

A escala de pH foi introduzida pelo químico dinamarquês Søren Sorensen, em 1909, em
seu trabalho de controle de qualidade da fabricação de cervejas, e é agora usada na
ciência, medicina e engenharia. O valor negativo do logaritmo é usado pra permitir que a
maioria parte dos valores de pH seja números positivos.

Note que quando a concentração do ácido aumenta, o pH diminui. Como o pH é um
logaritmo comum, na base 10, a mudança de uma unidade de pH significativa que a
+
molaridade do íon H3O mudou por um fator igual a 10. Por exemplo, quando a
+
molaridade do íon H3O cresce por um fator de 10, de 10-5 mol⋅L-1 para 10-4 mol⋅L-1, o pH
diminui de 5 para 4.

Podemos estimar rapidamente o pH de uma solução em água usando um papel indicador
universal, que muda de cor em diferentes calores de pH. Medidas mais precisas são feitas
com medidor de pH. Este instrumento é um voltímetro ligado a dois eletrodos que
mergulhem na solução. A diferença de potencial elétrico nos eletrodos é proporcional ao
pH. Logo, quando a escala do medidor está calibrada, o pH pode ser lido diretamente.
Nos Estados Unidos, a Agência de Proteção Ambiental (EPA) define o rejeito como
“corrosivo” se o pH for menor que 3,0 (muito ácido) ou maior do que 12,5 (muito básico).
O suco de limão, cujo pH é cerca de 2,5, seria considerado corrosivo. O mesmo aconteceria
em soluções com soluções 1 м de NaOH(aq), em que é 14.
+
Para converter o pH em molaridade de H3O , inverteremos o sinal e tomamos seu
antilogaritmo:

[H O ] = 10
3
+ − pH
mol ⋅ L−1 (3)

+ +
A escala de pH é usada par indicar a molaridade dos íons H3O : pH = - log [H3O ]. Um
pH alto indica que a solução é básica, e um pH baixo indica que ela é ácida. Uma solução
neutra tem pH = 7.

177


4.1.8 pOH de Soluções

Muitas expressões quantitativas que envolvem ácidos e bases são extremamente
simplificadas e mais facilmente lembradas quando usamos logaritmos. A quantidade pX é
uma generalização de pH:

pX = −log X (4)

Pó exemplo, pOH é definido como
pOH = − log a OH − (5a)

que, pela mesma razão do pH, é simplificada como

pOH = − log [OH − ] (5b)*

−
O pOH é conveniente para expressar as molaridades dos íons OH em solução. Por
−
exemplo, na água pura, em que a molaridade dos íons OH é 1,0×10-7 mol⋅L-1, o pOH é
7,00. Do mesmo modo, entendemos por pKw, que

pK w = − log K w = − log (1,0 × 10 −14 ) = 14 ,00

Os valores de pH e pOH estão relacionados. Para encontrar a relação, começamos com a
+ −
expressão da constante de autoprotólise da água, Kw = [H3O ][OH ]. Então, tomamos de
ambos os lados e usamos log ab = log a + log b. Obtemos

log [H 3 O + ] + log [OH − ] = log K w

Multiplicando os dois lados da equação por (– 1), temos

[ ] [ ]
− log H 3 O + − log OH − = −log K w

que é mesmo que

pH + pOH = pK w (6a)

Como pKw = 14,00, em 25°C, nesta temperatura

pH + pOH = 14 ,00 (6b)*

A Equação 6 mostra que o pH e o pOH de uma solução têm valores complementares: se
um aumenta, o outro diminui, para que a soma permaneça constante (Figura 4.4).

178


Figura 4.4. Os números no topo do retângulo são valores de pH de várias soluções, e os da
parte de baixo são os valores de pOH das mesmas soluções, Note que a soma dos valores
de pH e pOH é sempre 14. A maior parte dos valores de pH fica no intervalo de 1 a 14,
mas os valores de pH e pOH podem ficar fora desse intervalo.

O pH e o pOH de uma solução estão relacionados pela expressão pH + pOH = pKw.

4.2. Ácidos e Bases Fracos

Soluções de ácidos diferentes com a mesma concentração podem não ter o mesmo
pH. Exemplo, o pH de 0,10 м CH3COOH(aq) é próximo de 3. Já o pH 0,10 м HCl(aq) é
+
próximo de 1. Conclui-se que a molaridade de H3O em 0,10 м CH3COOH(aq) é menor do
-
que em 0,10 м HCl(aq) . Do mesmo modo, a molaridade de OH é menor em 0,10 м NH3(aq)
do que em 0,10 м NaOH3 (aq) . A explicação é que, em água, CH3COOH não está
completamente desprotonado e NH3 do não está completamente protonado. Em outras
palavras, o ácido acético e a amônia são, respectivamente, um ácido fraco e uma base
fraca. A desprotonação imcompleta de CH3COOH explica por que soluções de HCl e
CH3COOH com a mesma molaridade reagem com metais em velocidades diferentes.
A maior parte tanto dos ácidos quanto das bases que existem na natureza são fracos. Por
exemplo, a acidez natural das águas dos rios é geralmente devida à presença do ácido
2-
carbônico (H2CO3, vindo do CO2 dissolvido), íons hidrogenofosfato, HPO4 e di-
−
hidrogenofosfato, H2PO4 (da degradação dos fertilizantes), ou ácidos carboxílicos
provenientes da degradação dos tecidos de plantas. De forma semelhante, a maior parte
de bases de ocorrência são fracas. Elas vêm, com freqüência, da decomposição, na
ausência de ar, de compostos que contêm nitrogênio. Por exemplo, o odor de peixe morto
é devido a aminas, que são bases fracas.
Nesta parte do capitulo, desenvolveremos uma medida quantitativa das forças dos ácidos
e bases fracos. Depois, usaremos essa informação para ver como a força dos ácidos se
relaciona com a estrutura molecular.

4.2.1 Constantes de Acidez e Basicidade

Quando pensamos na composição molecular de uma solução de um ácido fraco em água,
imaginamos uma solução que contém

• moléculas ou íons ácidos,
+
• pequenas concentrações de íons H3O e da base conjugada do ácido formados por
transferência de prótons para as moléculas de água, e
−
• uma concentração extremamente pequena de íons OH , que mantém o equilíbrio
de autoprotólise.

179


Todas essas espécies estão em um equilíbrio dinâmico incessante. Do mesmo modo, no
caso de uma solução de base fraca, imaginamos
• as moléculas ou íons básicos,
−
• pequenas concentrações de íons OH e do ácido conjugado da base, formados por
transferência de prótons das moléculas da água, e
+
• uma concentração extremamente pequena de íons H3O , que mantém o equilíbrio
de autoprotólise.

Como os ácidos e bases conjugados estão em equilíbrio em solução, podemos expressar a
força de um ácido ou de uma base em termos da constante de equilíbrio da transferência
de prótons entre o soluto e o solvente. Por exemplo, para o ácido acético em água,

+ −
CH3COOH(aq) + H2O(l) H3O (aq) + CH3CO2(aq) (B)

A constante de equilíbrio é

a H O + a CH CO −
K= 3 3 2

a CH 3 COOH a H 2 O

Como as soluções que estamos examinando são diluídas e a água é quase pura, a
atividade de H2O pode ser como sendo igual a 1. A expressão resultante é chamada de
constante de acidez, Ka. Se fizermos a aproximação de substituir as atividades das
espécies de soluto pelos valores numéricos das molaridades, podemos expressar a
constante de acidez do ácido acético como

Ka =
[H O ] [CH CO ]
3
+
3
−
2
(7)
[CH 3 COOH]
O valor experimental de Ka, para o ácido acético, em 25°C, é 1,8×10-5. Esse valor pequeno
indica que só uma pequena na parte das moléculas de CH3COOH doa seus prótons
quando dissolve em água. Dependendo da concentração, cerca de 99 em 100 moléculas de
CH3COOH permanecem intactas. Esse valor é típico dos ácidos fracos em água (Fig.
10.13). Em geral, a constante de acidez de um ácido HA é

HA(aq) + H2O(l)
+
H3O (aq) +
−
A(aq) Ka =
[H O ] [A ]
3
+ −
(8)*
[HA ]
A tabela 4.1 lista as constantes de acidez de alguns outros ácidos fracos.

180


Tabela 4.1 Constantes de acidez em 25°C*
Ácido Ka pKa Ácido Ka pKa
ácido tricloro-acético, CCl3COOH 3,0×10-1 0,52 ácido fórmico, HCOOH 1,8×10-4 3,75
ácido benzenossulfônico, C6H5SO 3H 2,0×10-1 0,70 ácido benzóico, C6H5COOH 3,0×10-5 4,19
ácido iódico, HIO3 1,7×10-1 0,77 ácido acético, CH3COOH 3,0×10-5 4,75
ácido sulfuroso, H2SO3 1,5×10-2 1,81 ácido carbônico, H2CO3 3,0×10-7 6,37
ácido cloroso, HClO2 1,0×10-2 2,00 ácido hipocloroso, HClO 3,0×10-8 7,53
ácido fosfórico, H3PO4 7,6×10-3 2,12 ácido hipobromoso, HBrO 3,0×10-9 8,69
ácido cloro-acético, CH2ClCOOH 1,4×10-3 2,85 ácido bórico, B(OH)3 3,0×10-10 9,14
ácido láctico, CH3CH(OH)COOH 8,4×10-4 3,08 ácido cianídrico, HCN 3,0×10-10 9,31
ácido nitroso, HNO2 4,3×10-4 3,37 fenol, C6H5OH 3,0×10-10 9,89
ácido fluorídrico, HF 3,5×10-4 3,45 ácido hipoiodoso, HIO 3,0×10-11 10,64
* Os valores de Ka listados foram calculados a partir de valores de pKa com mais algarismos significativos do que os
mostrados, de forma a minimizar os erros de arredondamento. Os valores dos ácidos polipróticos – aqueles capazes de doar
mais de um próton – referem-se à primeira desprotonação.
+ -
O equilíbrio de transferência de prótons é B(OH)3(aq) + H2O(l) H3O(aq) + B(OH)4(aq) .

Podemos também escreve uma constante de equilíbrio para o equilíbrio de transferência
de prótons de uma base em água. No caso da amônia em água, por exemplo,

+ −
NH3 (aq) + H2O(l) NH4(aq) + OH(aq) (C)

a constante de equilíbrio é

a NH + a OH −
K= 4

a H 2 O a NH 3

Em soluções diluídas, a água é quase pura e sua atividade pode ser considerada como
sendo igual a 1. Com essa aproximação, obtemos a constante de basicidade, Kb. Se
fizermos a aproximação de substituir as atividades das espécies do soluto pelos valores
numéricos das molaridades, podemos expressar a constante de basicidade da amônia
como

Kb =
[NH ] [OH ]
+
4
−

[NH 3 ]
Para a amônia em água, em 25°C, o valor experimental de Kb é 1,8×10-5. Este valor
pequeno indica que só uma pequena fração das moléculas de NH3 está presente como
+
NH4 . Cálculos de equilíbrio mostram que somente 1 em cada 100 moléculas está
protonada em uma solução (Fig. 10.14). Em geral, a constante de basicidade de uma base
B em água é

B(aq) + H2O(l)
+
HB (aq) +
−
OH(aq) K a =
[HB ] [OH ]
+ −
(9)*
[B]

181


A Tabela 3.2 lista as concentrações de basicidade de algumas bases fracas em água.
As constantes de acidez e basicidade são comumente registradas na forma de seus
logaritmos negativos. Por definição,

pK a = −log K a pK b = −log K b (10)*

Quanto menor for o valor de Ka, maior será o valor de pKa. Em outras palavras, quanto
maior for o valor de pKa, mais fraco é o ácido. Por exemplo, o pKa do ácido triclo-acético é
0,5, enquanto que a do ácido acético, um ácido muito mais fraco, é próximo de 5. O
mesmo se aplica às bases: quanto maior for o valor de pKb, mais fraca é a base. Os valores
de pKa e pKb estão incluídos nas Tabelas 4.1 e 4.2.

A capacidade de doação de prótons de um ácido é medida por sua constante de acidez. A
capacidade de prótons de uma base é medida por sua constante de basicidade. Quanto maior
for a constante, maior a respectiva capacidade. Quanto maior for o valor de pK, mais fraco
será o ácido ou a base.

Tabela 4.2 Constantes de Basicidade em 25°C*
Base Kb PKb Base Kb PKb
uréia, CO(NH2)2 1,3×10-14 13,90 amônia, NH3 1,8×10-5 4,75
anilina, C6H5NH2 4,3×10-10 9,37 trimetilamina, (CH3)3N 6,5×10-5 4,19
piridina, C6H5N 1,8×10-9 8,75 metilamina, CH3NH2 3,6×10-4 3,44
hidroxilamina, NH2OH 1,1×10-8 7,97 dimetilamina, (CH3)2NH 5,4×10-4 3,27
nicotina, C10H14N2 1,0×10-6 5,98 etilamina, C2H5NH2 6,5×10-4 3,19
morfina, C17H19O3N 1,6×10-6 5,79 trietilamina, (C2H5)2N 1,0×10-3 2,99
hidrazina, NH2NH2 1,7×10-6 5,77
* Os valores de Kb listados foram calculados a partir de valores de pKb com mais algarismos significativos do que os
mostrados, de modo a evitar os erros de arredondamento.

4.2.2. Gangorra da Conjugação

O ácido clorídrico é classificado como ácido forte, porque está totalmente desprotonado
−
em água. Como, resultado sua base conjugada, Cl , deve ser aceitadora de prótons
extremamente fraca (mais fraca do que a água, na verdade). Reciprocamente, o ácido
−
acético é um ácido fraco. Sua base conjugada, o íon acetato, CH3CO2 , deve ser um
aceitador de prótons relativamente bom, porque ele forma facilmente moléculas
CH3COOH em água. Note igualmente que, como a metilamina, CH3NH2, é uma base mais
forte do que a amônia (veja a Tabela 3.2), o ácido conjugado da metilamina – o íon
+
metilamônio, CH3NH4 – deve ser um doador de prótons mais fraco (em conseqüência, um
+
ácido mais fraco) do que CH3NH4 . Em geral,

• quanto mais forte for o ácido, mais fraca será sua base conjugada; e
• quanto mais forte for a base, mais fraco será seu ácido conjugado.

Para expressar as forças relativas de um ácido e sua base conjugada (um “par ácido-base
conjugados”), examinaremos o caso especial do equilíbrio de transferência de prótons da

182


amônia, a reação C, para qual a constante de basicidade já foi dada (Kb =
+ −
[NH4 ][OH ]/[NH3]). Vejamos, agora, o equilíbrio de transferência de prótons do ácido
+
conjugado da amônia, NH4 , em água:

+
NH4(aq) + OH(aq)
−
H2O(l) + NH3 (aq) Kb =
[NH ] [OH ]
+
4
−

[NH 3 ]
A multiplicação das duas constantes de equilíbrio dá

Ka × Kb =
[H O ] [NH ] = [NH ] [OH ] = [H O ] [OH ]
3
+
3
+
4
−
+ −

[NH ] +
4 [NH ] 3
3

Do lado direito, reconhecemos Kw e podemos escrever

Ka × Kb = Kw (11a)*

Nessa expressão, Ka é a constante de acidez de um ácido fraco e Kb é a constante de
basicidade da base conjugada desse ácido, um par ácido-base conjugada (como
− +
CH3COOH/CH3CO2 ou NH4 /NH3). Podemos expressar a Eq. 11a de outra maneira,
tomando os logaritmo de ambos os lados da equação:

log K a + log K b = log K w

A multiplicação de todos os termos da equação por –1 dá

pK a + pK b = pK w (11b)*

A Equação 11, em qualquer de suas formas, confirma a relação de “gangorra” entre as
forças dos ácidos e se suas bases conjugadas. Se um ácido tem Ka alto, a base conjugada
deve ter Kb baixo. Do mesmo modo, se uma base tem Kb alto, então seu ácido conjugado
tem Ka baixo. Essa relação recíproca está resumida na Tabela 4.3. Por exemplo, como o pKa
+
da amônia em água é 4,75, o pKa de NH4 é

pK a = pK w − pK b = 14 ,00 − 4 ,75 = 9 ,25

Tabela 4.3 Pares Ácido-Base Conjugados na Ordem da Força
Nome do ácido Fórmula do ácido Fórmula da base Nome da base
Ácido forte Base muito fraca
−
ácido iódico HI I íon iodeto
−
ácido perclórico HClO4 HClO4 íon perclorato
−
ácido bromídrico HBr Br íon cloreto
−
ácido sulfúrico H2SO4 HSO4 íon hidrogenossulfato

183


−
ácido clórico HClO3 HClO3 íon clorato
−
ácido nítrico HNO3 HNO3 íon nitrato
+
íon hidrônio H3O H2O água
− 2-
íon hidrogenossulfato HSO4 SO4 íon sulfato
−
ácido fluorídrico HF F íon fluoreto
−
ácido nitroso HNO2 NO2 íon nitrito
−
ácido acético CH3COOH CH3CO2 íon acetato
−
ácido carbônico H2CO3 HCO3 íon hidrogenocarbonato
−
ácido sulfídrico H2S HS íon hidrogenossulfeto
+
íon amônio NH4 NH3 amônia
−
ácido cianídrico HCN CN íon cianeto
− 2-
íon hidrogenocarbonato HCO3 CO3 íon carbonato
+
íon metilamônio CH3NH3 CH3NH2 metilamina
−
água H2O OH íon hidróxido
−
amônia NH3 NH2 íon amida
-
hidrogênio H2 H íon hidreto
−
metano CH4 CH3 íon metila
− −
íon hidróxido OH O2 íon óxido
Ácido muito fraco Base forte

+
Esse valor mostra que NH4 é um ácido mais fraco do que o ácido bórico (pKa =
9,14) porém, mais forte do que o ácido cianídrico (HCN, pKa =9,31).
A base conjugada de um ácido forte deve ser uma base mais fraca do que a água. embora
a transferência de próton em uma solução de um ácido muito forte seja um equilíbrio, a
+
capacidade de doar prótons do ácido forte, HA, é tão mais forte do que a de H3O que a
transferência de prótons para a água é total. Como resultado, a solução contém somente
+ −
íons H3O e íons A . Não existem, praticamente, moléculas HA na solução. Em outras
palavras, a única espécie ácida presente em uma solução de um ácido forte em água, além
+
das moléculas H2O, é o íon H3O . Como todos os ácidos fortes comportam-se como se
+
fossem soluções do ácido H3O , dizemos que os ácidos fortes estão nivelados à força do
+
ácido H3O em água.

Quanto mais forte for o ácido, mais fraca será sua base conjugada. Quanto mais forte for a
base, mais fraco será seu ácido conjugado.

184


4.2.3. Estrutura Molecular e Força dos Ácidos

Os químicos comumente interpretam as tendências das propriedades dos
compostos em termos da estrutura de suas moléculas. Entretanto, as forças relativas dos
ácidos e bases são difíceis de prever por duas razões. Primeiro, Ka e Kb são constantes de
equilíbrio e, portanto, estão relacionadas à energia livre da reação de transferência de
prótons. Segundo, o solvente desempenha um papel importante nas reações de
transferência de prótons, logo, não podemos esperar valores absolutos sejam difíceis de
predizer, podemos procurar tendências em series de compostos com estruturas
semelhantes. Como a força dos ácidos depende da quebra da ligação H―A e da formação
+
de uma ligação H― OH2 , podemos suspeitar que um fator determinante da força dos
ácidos é a facilidade com que essas ligações são quebradas e formadas.
Como vimos na Seção 10.1, os íons hidrônio são gerados quando um próton ácido forma
inicialmente uma ligação hidrogênio com uma molécula de água e depois migra
completamente para ela. Quanto mais forte for a ligação hidrogênio que HA forma com o
átomo O da molécula de H2O, mais provavelmente o próton será transferido. Sabemos
que quanto mais polar for a ligação H―A, maior será a carga positiva parcial sobre o
átomo H e, portanto, mais forte será a ligação hidrogênio H2OLH―A e mais facilmente
HA perde seu próton. Como a polaridade da ligação H―A cresce com a
eletronegatividade de A, podemos prever que quanto maior for a eletronegatividade de A,
mais forte será o ácido HA. Por exemplo, a diferença de eletronegatividade é 0,8 na ligação
N―H e 1,8 em H―F. Portanto, a ligação H―F é acentuadamente mais polar do que a
ligação N―H. este fato é coerente com a observação de que HF é um ácido em água, o que
não acontece com NH3. Em geral, a polaridade da ligação domina a tendência da força dos
ácidos binários de elementos do mesmo período.
Quando comparamos as forças relativas dos ácidos binários do mesmo grupo,
encontramos uma tendência diferente. Assim, embora a polaridade das ligações dos
halogênios de hidrogênio decresça para baixo no grupo, a acidez aumenta para baixo do
grupo: HF<HCl<HBr<HI. Outro fator deve estar afetando a acidez. Neste caso, a ordem
das forças dos ácidos é coerente com enfraquecimento da ligação H―A de cima para baixo
no grupo. Quanto mais fraca for a ligação H―A, mais fácil é para o próton sair e mais forte
é o ácido HÁ. A mesma tendência é encontrada nos ácidos do Grupo 16/VI em água: a
força dos ácidos esta na ordem H2O<H2S< H2Se< H2Te. Como a força da ligação diminui e
a acidez aumenta para baixo do grupo, aparentemente a força da ligação domina a
tendência na força dos ácidos nesses dois conjuntos de ácidos binários.

Quanto mais polar ou mais fraca a ligação H―A, mais forte será o ácido.

4.2.4. Força dos Oxoácidos

Podemos aprender mais com os oxoácidos sobre o efeito da estrutura sobre a
acidez. Estes ácidos formam famílias estruturalmente relacionadas, o que permite
examinar o efeito de átomos centrais diferentes com o mesmo numero de átomos O (como
em HClO3 e HBrO3). Podemos, também, estudar a influência de números diferentes de
átomos O ligados ao mesmo átomo central (como em HClO3 e HBrO3).

185


Tabela 4.4 Correlação entre Acidez e Eletronegatividade
Ácido,HXO Estrutura* Eletronegatividade do átomo X pKa

ácido hipocloroso, HClO Cl 3,2 7,53
O H

ácido hipobromoso, HBrO 3,0 8,69
Br O H

ácido hipoiodoso, HIO 2,7 10,64
I O H
* As setas indicam a direção do deslocamento da densidade dos elétrons afastando-se da ligação O―H.

Tabela 4.5 Correlação entre Acidez e Número de Oxidação
Ácido Estrutura* Número de oxidação do átomo de cloro pKa
nn nn

ácido hipocloroso, HClO n
n Cl O H +1 7,53
nn nn

n
n O n
n

ácido hipobromoso, HClO2 nn +3 2,00
n
n Cl O H
nn nn

n
n O n
n

nn

ácido hipoiodoso, HClO3 n
n Cl O H +5 forte
nn

n
n O n
n

n
n O n
n

nn nn

ácido perclórico, HClO4 O Cl
nn
O H +7 forte
nn

n
n O n
n

* As setas indicam a direção do deslocamento da densidade de elétrons a partir da ligação O―H. As estruturas de Lewis
mostradas são as que têm as cargas formais mais favoráveis, porém é pouco provável que as ordens de ligação sejam tão
elevadas como estas estruturas sugerem.

A alta polaridade da ligação O―H é uma das razões pelas quais o próton de um
grupo ―OH em uma molécula oxoácido é ácido. Por exemplo, o ácido fosforoso, H3PO3,
tem a estrutura (HO)2PHO (1). Ele pode doar prótons dos dois grupos ―OH, mas não o
que está ligado diretamente ao átomo de fósforo. A diferença de comportamento pode ser
atribuída à eletronegatividade muito mais baixa do fósforo comparada à do oxigênio. Em
quase todos os oxoácidos inorgânicos comuns, entretanto, todos os átomos de hidrogênio
estão ligados a átomos de oxigênio.
Vamos examinar uma família de oxoácidos na qual o número de átomos O é constante,
como nos ácidos hipo-halogenosos HClO, HBrO e HIO. Observando na Tabela 4.4, vemos
que quanto maior é a eletronegatividade do halogênio, mais forte é o oxoácido. Uma explicação
parcial dessa tendência é que os elétrons são ligeiramente deslocados na ligação O―H
quando a eletronegatividade do halogênio aumenta. À medida que esses elétrons de
ligação movem-se na direção do átomo central, a ligação O―H fica mais polar, e a
molécula torna-se um ácido mais forte. Um halogênio que tem alta eletronegatividade
também enfraquece a base conjugada, porque torna os elétrons da molécula menos
acessíveis ao ataque de um próton.
Vamos, agora, examinar a família de oxoácidos em que o número de átomos de
oxigênio varia, como nos oxiácidos de cloro, HClO, HClO2, HClO3 e HClO4, ou os

186


oxoácidos de enxofre, H2SO3 e H2SO4. Se observarmos a Tabela 4.5, veremos que quanto
maior é o número de átomos de oxigênio ligados ao átomo central, mais forte é o ácido. Como o
número de oxidação do átomo central aumenta quando o número de átomos O aumenta,
podemos também concluir que quanto maior é o número de oxidação do átomo central, mais
forte é ácido.
O efeito do número de átomos de O na força dos ácidos orgânicos é semelhante.
Por exemplo, os álcoois são compostos orgânicos nos quais um grupo ―OH está ligado a
um átomo de carbono, como o etanol (2). Os ácidos carboxílicos, por outro lado, têm dois
átomos de O ligados ao mesmo átomo de carbono: um é um átomo O terminal em ligação
dupla e o outro é o átomo O de um grupo ―OH, como no ácido acético (3). Embora os
ácidos carboxílicos sejam fracos, eles são ácidos muito mais fortes do que os álcoois, em
parte como resultado do poder de retirar elétrons do segundo átomo de O. Na verdade, os
álcoois têm um poder de doação de prótons tão pequeno que eles não são considerados
oxoácidos.
A força de um ácido carboxílico é também aumentada em relação à de um álcool
pela deslocalização eletrônica ma base conjugada. O segundo átomo O do grupo carboxila
fornece mais um átomo eletronegativo sobre o qual a carga negativa da base conjugada
pode ser espalhada. Essa deslocalização eletrônica estabiliza o ânion (4). Além disso, como
a carga está distribuída sobre muitos átomos, ela é menos efetiva na atração de prótons.
Um íon carboxilato é, portanto uma base muito fraca do que a base conjugada de um
−
álcool (por exemplo, íon etóxido, CH3CH2O ).
A força de ácidos carboxílicos também varia de acordo com a capacidade total de
atrair elétrons dos átomos ligados ao grupo carboxila. Como o hidrogênio é menos
eletronegativo do que o cloro, o grupo ―CH3 ligado a ―COOH no ácido acético atrai
menos os elétrons do que o grupo ―CCl3 do ácido tricloro-acético. Portanto, espera-se que
CCl3COOH seja um ácido mais forte do que CH3COOH. Em concordância com essa
previsão, o pKa do acido acético é 4,75 e o ácido tricloro-acético é 0,52.

Quanto maior for o número de átomos de oxigênio e maior a eletronegatividade dos átomos
da molécula, mais forte será. A Tabela 3.6 resume essas tendências.

Tabela 4.6 Correlação entre Estrutura Molecular e Acidez
Tipo de ácido Tendência
Binário 1 Quanto mais polar é a ligação H―A, mias forte é o ácido.
Esse efeito é dominante para ácidos do mesmo período.
2 Quanto mais fraca é a ligação H―A, mais forte é o ácido.
Esse efeito é dominante para ácidos do mesmo grupo.
Oxoácido 1 Quanto maior é o número de átomos de O ligados ao átomo central (maior é o
número de oxidação do átomo central), mais forte é o ácido.
2 Para o mesmo número de átomos de O ligados ao átomo central, quanto maior
é a eletronegatividade do átomo central, mais forte é o ácido
Carboxílico 1 Quanto maior é a eletronegatividade dos grupos carboxila, mais forte é o ácido.

4.3. pH de soluções de ácidos e bases fracos

O uso das constantes de equilíbrio para calcular a composição de equilíbrio de
soluções de ácidos, base e sais. Veremos como predizer o pH de soluções de ácidos e bases
fracos e como calcular a extensão da desprotonação de um ácido fraco e de protonação de

187


uma base fraca. Veremos, também, como calcular o pH de uma solução em que um cátion
ou o ânion de um sal são também um ácido ou base fracos.

4.3.1. Soluções de Ácidos Fracos

Nossa primeira tarefa é calcular o pH de uma solução de um ácido fraco, como o
ácido acético em água. A concentração inicial do ácido é a concentração em que ele foi
preparado, como se as moléculas ácidas não tivessem doado prótons. No caso de =um
+
ácido forte , a concentração de H3O em solução é igual à concentração inicial do ácido
forte, porque todas as moléculas do ácido estão desprotonadas. Entretanto, para encontrar
+
a molaridade de H3O na soluções de ácidos fracos, temos que levar em conta o equilíbrio
-
entre ácido HA e sua base conjugada A (Eq. 8). Espera-se que o pH esteja entre 7, um
valor que indica nenhuma desprotonação, e o valor que obteríamos para um ácido forte,
totalmente desprotonado. A técnica, baseada no uso de tabelas de equilíbrio é
desenvolvida na Caixa de Ferramentas 4.1.
O cálculo resumido na Caixa de Ferramenta 4.1 também permite predizer a percentagem
de desprotonação, isto é, a percentagem de moléculas de HA que estão desprotonadas em
+
solução. Para calcular a porcentagem de desprotonação, usaremos a igualdade [H3O ] =
− − +
[A ], que vem da relação estequiométrica 1 mol A 1 mol H3O para reação de
desprotonação da Eq. 8:

Percentagem de
=
molaridade de A −
× 100% =
[H 3 O + ] × 100% (12)*
desprotonação molaridade inicial de HA [HA ]inicial
CAIXA DE FERRAMENTAS 4.1
COMO CALCULAR O pH DE UMA SOLUÇÃO DE UM ÁCIDO FRACO

BASE CONCEITUAL

Como o equilíbrio de transferência de prótons se estabelece assim que o ácido fraco se dissolve na
água, as concentrações do ácido, do íon hidrônio e da base conjugada devem sempre satisfazer a
constante de acidez do ácido. Pode-se calcular essas quantidades construindo uma tabela de
equilíbrio.

PROCEDIMENTO

Etapa 1 Escrever a equação química e Ka do equilíbrio de transferência de prótons. Construa uma
+ -
tabela com as colunas denominadas ácido, HA, H3O e base conjugada do ácido, A . Na primeira
linha, coloque as molaridades iniciais das espécies.

Nesta etapa, imagine que não houve desprotonação das moléculas do ácido.

Etapa 2 Escreva, na segunda linha , as mudanças de molaridade necessárias para que a reação
atinja o equilíbrio.

Como o número de moléculas de ácido desprotonado é desconhecido, imagine que a molaridade
do ácido diminui de x mol⋅L-1 como resultado da desprotonação. A reação estequiométrica dá as

188


demais mudanças em termos de x.

Etapa 3 Escreva, na terceira linha, as molaridades de equilíbrio, adicionando a mudança de
molaridade (etapa 2) aos valores iniciais de cada substância (etapa 1)

+ −
Ácido, HA H3O Base conjugada, A
Etapa 1 Molaridade inicial [HA]inicial 0 0
Etapa 2 Mudança de molaridade –x +x +x
Etapa 3 Molaridade de equilíbrio [HA]inicial – x x x

Embora uma mudança de concentração possa ser positiva (acréscimo) ou negativa (decréscimo), o
valor da concentração deve ser sempre positivo.

Etapa 4 Use o valor de Ka para calcular o valor de x.

O cálculo de x pode ser feito freqüentemente simplificado, desprezando-se as mudanças inferiores
a 5% da molaridade inicial do ácido. Entretanto, no final do cálculo, é preciso verificar se x é
consistente com a aproximação, calculando a percentagem de ácido desprotonado. Se essa
percentagem for inferior a 5%, então a expressão exata para Ka deverá ser resolvida para x. o
cálculo envolve, com freqüência, a resolução de equações de segundo grau. Embora posamos
calcular o pH com o número de algarismos apropriados aos dados iniciais, as respostas são, em
geral, consideravelmente menos confiáveis do que isso. Uma das razões é que estamos ignorando
as interações entre os íons em solução, quando usamos concentrações em vez de atividades.

Este procedimento está ilustrado nos exemplos 4.1 e 4.1

Uma pequena percentagem de moléculas desprotonadas indica que o soluto contém
+
principalmente o ácido HA. A concentração de íons H3O e dos íons da base conjugada
deve, então, ser muito pequena.
A autoprótolise da água contribui significativamente par o pH, quando o ácido está tão
+
diluído ou tão fraco que o cálculo indica molaridades de H3O próximas de 10-7 mol⋅L-1.
Nestes casos, deve-s usar o procedimento descrito nas seções 3.5.1 e 3.5.2. Só se pode
+
ignorara a contribuição da autoprótolise da água quando a molaridade calculada de H3O
é substancialmente (cerca de 10 vezes) maior do que 10-7 mol⋅L-1, que corresponde a um
pH 6 ou menor.

EXEMPLO 4.1 Calcular o pH e a percentagem de desprotonação de um ácido fraco

Calcule o pH e a percentagem de desprotonação de 0,10 м CH3COOH(aq) sabendo que a
constante Ka do ácido acético é 1,8 × 10-5.

SOLUÇÃO Siga o procedimento da Caixa de Ferramenta 10.1 e escreva o equilíbrio de
transferência de prótons,

+ −
CH3COOH(aq) + H2O(l) H3O (aq) + CH3CO2(aq)

189


Ka =
[H O ] [CH CO ]
3
+
3
−
2

[CH 3 COOH]
e a tabela de equilíbrio, com as molaridades em mols por litro:

Espécies
+ −
CH3COOH H 3O CH3CO2
Etapa 1 Molaridade inicial 0,10 0 0
Etapa 3 Molaridade de equilíbrio 0,10 – x x x

Etapa 4 Substitua as molaridades de equilíbrio na expressão da constante de acidez:
x×x
K a = 1,8 × 10 − 5 =
0 ,10 − x

Imagine que x << 0,10 e escreva uma aproximação
−5 x2
1,8 × 10 ≈
0 ,10
Resolva para x.
x≈ (0 ,10 ) × (1,8 × 10 − 5 ) = 1,3 × 10 − 3
+ +
Calcule o pH a partir de pH = – log [H3O ]; [H3O ] = x.
pH ≈ −log (1,3 × 10 −3 ) = 2 ,89

Da Eq. 12, com [HA]inicial = 0,10
1,3 × 10 −3
Percentagem de desprotonação = × 100% = 1,3%
0 ,10

Vê-se que x é menor que 5% de 0,10 e a aproximação é válida.
Como o pH< 6, a hipótese de que a autoprotólise da água pode ser ignorada é válida.

EXEMPLO 4.2 Cálculo da constante Ka de um ácido fraco a partir do pH

O pH de uma solução 0,010 м do anti-séptico ácido mandélico, em água, é 2,95. Qual é a
constante de acidez Ka do ácido mandélico?

ESTRATÉGIA: Podemos calcular a concentração do íon hidrônio a partir do pH e, então
calcular o valor de Ka a partir da concentração inicial do ácido e da concentração do íon
hidrônio.

SOLUÇÃO
Etapa 1: A partir de

[H O ] = 10
3
+ − pH
, [H O ] = 10
3
+ −2 , 95
mol ⋅ L−1 = 0 ,0011 mol ⋅ L−1

190


Etapa 2: Anote as relações entre as concentrações de equilíbrio

[H O ] = [A ]
3
+ −
e [HA] = [HA ]inicial − [H 3 O + ]

Etapa 3: Escreva a expressão de Ka:

=
[H O ] [A ] =
3
+ −
[H O ]3
+ 2
⇒ Ka =
(0 ,0011)2
= 1,4 × 10 − 4
− [H O ]
Ka
[HA ] [HA ] inicial 3
+
0 ,010 − 0 ,0011

Para calcular o pH e a percentagem de desprotonação de uma solução de ácido fraco,
+
construa uma tabela de equilíbrio e determine a molaridade de H3O usando a constante de
acidez.

4.3.2. Soluções de Bases Fracas

No tratamento dos ácidos fracos, estávamos interessados na percentagem de
desprotonação. Da mesma forma, quando descrevemos as forças de bases fracas é
importante conhecer a percentagem de protonação, isto é, a percentagem de moléculas de
base que foram protonadas:

Percentagem
=
molaridade de HB +
× 100% =
[HB ] × 100%
+
(13)*
de protonação molaridade inicial de B [B]inicial
Aqui, [B]inicial é a concentração molar inicial da base, isto é, sua molaridade, imaginando-se
que não ocorreu protonação.

CAIXA DE FERRAMENTA 4.2
COMO CALCULAR O pH DE UMA SOLUÇÃO DE BASE FRACA

BASE CONCEITUAL

Como o equilíbrio de transferência de prótons se estabelece assim que a base fraca se dissolve na
água, logo, pode-se calcular a concentração do íon hidróxido a partir da concentração inicial da
base e do valor da constante de basicidade. Como os íons hidróxido estão em equilíbrio com os
íons hidrônio, pode-se usar pOH e pKw para calcular o pH.

PROCEDIMENTO

Etapa 1 Escreva o equilíbrio de transferência de próton e construa uma tabela com as colunas
+ −
intituladas base B, ácido conjugado BH e OH . Na primeira linha, coloque as molaridades iniciais
de cada espécie.

Para os valores inicias, imagine que não houve protonação das moléculas da base.

Etapa 2 Escreva as mudanças de molaridade necessárias para que a reação atinja o equilíbrio.

Imagine que a molaridade da base diminui de x mol⋅L-1 como conseqüência da protonação. Use a
estequiométrica da reação para escrever as demais mudanças em termos de x.

191


Etapa 3 Escreva as molaridades de equilíbrio, adicionando a mudança de molaridade (etapa 2) aos
valores iniciais de cada substância (etapa 1)

+ −
Base, B Ácido conjugado BH OH
Etapa 1 Molaridade inicial [B]inicial 0 0
Etapa 3 Molaridade de equilíbrio [B]inicial – x x x

Embora uma mudança de concentração possa ser positiva (acréscimo) ou negativa (decréscimo), o
valor da concentração deve ser sempre positivo.

Etapa 4 Use o valor de Kb para calcular o valor de x.

O cálculo de x pode ser freqüentemente simplificado, como vimos na Caixa de Ferramentas 3.1.
−
Ignore as contribuições da autoprotólise da água para a concentração de íons OH se essa for
superior a 10-6 mol⋅L-1.

Etapa 5 Determine pOH da solução e calcule o pH a partir a partir do pOH usando a Eq. 6b.

Este procedimento está ilustrado nos exemplos 10.9.

Como na Caixa de Ferramentas 10.1, embora nós calculemos o pH até o número de casas decimais
apropriadas para os dados, as respostas são freqüentemente menos confiáveis dos que o obtido.

Calculamos o pH das soluções de bases fracas de mesma forma que calculamos o pH das
soluções de ácidos fracos – usando a técnica de equilíbrio. O equilíbrio de protonação é
dado pela Eq. 9. para calcular o pH da solução, primeiro é preciso determinar a
−
molaridade dos íons OH no equilíbrio, expressar essa molaridade como pOH, e, então,
calcular o pH a partir da relação pH + pOH = 14 em 25°C. para bases muito diluídas ou
muito fracas, a autoprotólise de água tem de ser levada em conta.

EXEMPLO 4.3 Cálculo do pH e da porcentagem de protonação de uma base fraca

Calcule o pH e a porcentagem de protonação de uma solução 0,20 м de metilamina,
CH3NH2, em água. a constante Kb de CH3NH2 é 3,6 × 10-4.

SOLUÇÃO Siga o procedimento de Caixa de Ferramenta 4.2 e escreva o equilíbrio de
transferência de prótons:

+ + −
H2O(l) + CH3NH2(aq) CH3NH3 (aq) + OH(aq)

Kb =
[CH NH ] [OH ]
3
+
3
−

[CH 3 NH 2 ]
A tabela de equilíbrio, com todas as concentrações em mols por litro, é

192


Espécies
+ −
CH3NH2 CH3NH3 OH

Etapa 4 Substitua as molaridades de equilíbrio na expressão da constante de basicidade.

x×x
K b = 3 ,6 × 10 − 4 =
0 ,20 − x
Imagine que x << 0,20 e escreva uma aproximação
x2
3 ,6 × 10 − 4 ≈
0 ,20

Resolva para x.
x≈ (0 ,20 ) × (3,6 × 10 − 4 ) = 8,5 × 10 − 3

Verifique se x << 0,20.
8,5 × 10-3 << 0,20; logo, a aproximação é válida.

− −
Encontre o pOH a partir de pOH = – log [OH ]; [OH ] = x.

pOH ≈ − log (8 ,5 × 10 −3 ) = 2 ,10

Etapa 5 A partir de pH = pKw – pOH.

pH ≈ 14 ,00 − 2 ,10 = 11,90

+
Temos da Eq. 13, com [HB ] = x e [B]inicial = 0,20

8 ,5 × 10 −3
Percentagem de protonação = × 100% = 4 ,2%
0 ,20

+
Isto é, 4,2% de metilamina está presente na forma protonada, CH3NH3 .
Como o pH é maior que 8, a hipótese de o equilíbrio domina o pH e a autoprotólise da
água pode ser ignorada é válida.

Para calcular o pH de uma solução de base fraca, construa a tabela de equilíbrio e calcule o
pOH, a partir do valor de Kb. Converta pOH em pH usando a relação pH + pOH = 14,00.

193


Tabela 4.7 Caráter Ácido e Valores de Ka de Cátions Comuns, em Água*
Caráter Exemplos Ka pKa
Ácido
+ -5
ácidos conjugados de bases fracas íon anilínio, C6H5NH3 2,3 × 10 4,64
+ -6
íon piridínio, C6H5NH 5,6 × 10 5,24
+ -10
íon amônio, NH4 5,6 × 10 9,25
+ -11
íon metilamônio, CH3NH3 2,8 × 10 10,56
3+ 3+ -3
cátions de metais, pequenos e com carga elevada Fe como Fe(H2O)6 3,5 × 10 2,64
3+ 3+ -4
Cr como Cr(H2O)6 1,3 × 10 3,89
3+ 3+ -5
Al como Al(H2O)6 1,4 × 10 4,85
2+ 2+ -6
Fe como Fe(H2O)6 1,3 × 10 5,89
2+ 2+ -8
Cu como Cu(H2O)6 3,2 × 10 7,49
3+ 2+ -10
Ni como Ni(H2O)6 9,3 × 10 9,03
Neutro
+ + + 2+ 2+
Cátions dos grupos 1 e 2 Li , Na , K , Mg , Ca
+
cátions de metal com carga +1 Ag
Básico nenhum
* Como na Tabela 10.1, os valores experimentais de pKa têm mais algarismos significativos do que os dados aqui, e os
valores de Ka foram calculados a partir destes de melhor qualidade.

4.3.3. O pH de Soluções de Sais

Sabemos, que um sal é produzido na neutralização de um ácido com uma base.
Entretanto, quando se mede o pH de uma solução de sal, normalmente não se encontra
“neutro” (pH = 7). Por exemplo, se neutralizarmos 0,3 м CH3COOH(aq) com 0,3 м NaOH, a
solução de acetato de sódio resultante terá pH = 9,0. Como isso pode ocorrer? A teoria de
Brønsted-Lowry fornece uma explicação. O íon acetato, por exemplo, é uma base e o íon
amônio é um ácido. O pH de uma solução de um sal depende da acidez e da basicidade
relativas de seus íons.
A Tabela 4.7 lista alguns cátions que são ácidos em água. eles caem em quatro categorias:
• Todos os cátions que são ácidos conjugados de bases fracas produzem soluções
ácidas.
+
Os ácidos conjugados de bases fracas, como NH4 , agem como doadores de prótons, logo
espera-se que eles formem soluções ácidas.
• Cátions de metais, com carga elevada e volume pequeno, podem agir como ácidos
3+ 3+
de Lewis em água, como, por exemplo, Fe e Al , que produzem soluções ácidas,
mesmo os cátions não tenham íons hidrogênio para doar.
Os prótons vêm das moléculas de água que hidratam esses cátions de metais em solução.
As moléculas de água agem como bases de Lewis e compartilham elétrons com o cátion
de metal. Essa perda parcial de elétrons enfraquece as ligações O―H e permite que um o
mais íons hidrogênio sejam eliminados das moléculas de água. Cátions pequenos e com
carga elevada exercem maior atração sobre os elétrons e formam as soluções mais ácidas.

194


• Os cátions dos metais do grupo 1 e 2, e os de carga +1 de outros grupos, são
ácidos de Lewis tão fracos que os íons hidratados não agem como ácidos.
Esses cátions de metal são muito grandes e têm carga baixa para ter efeito polarizante
apreciável sobre as moléculas de água de hidratação que os rodeiam, logo, as moléculas
de água não perdem facilmente seus prótons. Esses cátions, às vezes, chamados de
“cátions neutros”, porque eles têm efeito muito pequeno sobre o pH.
• Pouquíssimos ânions que têm hidrogênio produzem soluções ácidas.

Tabela 4.8 Caráter Ácido e Básico de Ânions Comuns em Água
Caráter Exemplos
Ácidos
raros − −
H2PO4 , HSO4
Neutros
bases conjugadas de ácidos fortes − − − − −
Cl , Br , I , NO3 , ClO4
Básicos
bases conjugadas de ácidos fracas − 2− − 2− − − 2− 3− − −
F , O , OH , S , HS , CN , CO3 , PO4 , NO2 , CH3CO2 ,
outros íons carboxilato

É difícil para um próton, com sua carga positiva, deixa um ânion, com sua carga negativa.
− −
As exceções incluem H2PO4 e HSO4 .
A tabela 4.8 resume os tipos de íons que agem como bases em solução. Os cátions podem
aceitar prótons facilmente, porque as cargas positivas dos cátions repelem as cargas
positivas dos prótons que se aproxima.
• Todos os ânions que são bases conjugadas de ácidos fracos produzem soluções
básicas.
Por exemplo, o ácido fórmico, HCOOH, o ácido do veneno das formigas, é um ácido
fraco, logo, o íon formato age como uma base em água:
− −
H2O(l) + HCO2 (aq) HCOOH(aq) + OH(aq)

Os íons acetato e os outros íons listados na Tabela 4.8 agem como bases em água.

− − − − −
• Os ânions de ácidos fortes – que incluem Cl , Br , I , NO3 e ClO4 – são bases tão
fracas que não têm efeito significativo sobre o pH da solução.

Para determinar se uma solução de um sal é ácida, básica ou neutra, deve-se levar em
conta o cátion e o ânion. Primeiramente, examina-se o ânion para ver se ele é a base
conjugada de um ácido fraco. Se o ânion não é ácido ou básico, então, examina-se o cátion
para ver se ele é um íon de metal com caráter ácido ou se é o ácido conjugado de uma
base fraca. Se um íon é um ácido e o outro é uma base, como em NH4F, então o pH é
afetado pelas razões dos dois íons em água e ambos os equilíbrios devem ser levados em
conta..
Para calcular o pH de uma solução de sal, pode-se usar o procedimento das tabelas de
equilíbrio, descrito nas Caixas de Ferramentas 4.1 e 4.2 – um cátion ácido é tratado como
um ácido fraco, e um ânion básico é tratado como uma base fraca. Os exemplos 4.4 e 4.5
ilustram o procedimento.

195


EXEMPLO 4.4 Cálculo o pH de uma solução de um sal com um cátion ácido

Estime o pH de uma solução 0,15 м NH4Cl(aq).

+ −
ESTRATÉGIA: Como NH4 é ácido e Cl é neutro, espera-se pH<7. Trata a solução como a
de um ácido fraco e use a tabela de equilíbrio descrita no procedimento da Caixa de
Ferramentas 4.1 para calcular a composição e o pH. Primeiro, escreva a equação química
de transferência de próton para a água e a expressão de Ka. Se o valor de Ka não estiver
disponível, obtenha-o a partir do Kb da base conjugada, usando Ka = Kw/Kb (Eq. 11a). A
molaridade inicial do cátion ácido é igual à molaridade do cátion que o sal produziria se
estivesse completamente dissociado e o cátion retivesse todos os seus prótons. As
+
molaridades iniciais de sua base conjugada e de H3O são tidas como zero.

SOLUÇÃO O equilíbrio relevante é

+ +
NH3(aq) K a =
[H O ] [NH ]
3
+
3

[NH ]
NH4 (aq) + H2O(l) H3O(aq) + +
4

Na Tabela 4.2, encontramos Kb = 1,8 × 10-5 para NH3. Use a seguinte tabela de equilíbrio,
com todas as concentrações em mols por litro:

Espécies
+ +
NH4 H 3O NH3

Etapa 4 De Ka = Kw/Kb,

1,0 × 10 −14
Ka = −5
= 5 ,6 × 10 − 10
1,8 × 10

Substitua as molaridades de equilíbrio na expressão da constante de acidez.
x×x
5 ,6 × 10 − 5 =
0 ,15 − x

Suponha que x << 0,15 e simplifique a expressão
x2
5 ,6 × 10 − 5 ≈
0 ,15
Resolva para x.

x≈ (0 ,15 ) × (5,6 × 10 − 5 ) = 9 ,2 × 10 − 6
+ +
Calcule o pH a partir de pH = – log [H3O ]; [H3O ] = x.

196


pH ≈ − log (9 ,2 × 10 −6 ) = 5 ,04.

A aproximação de que x é menor do que 5% de 0,15 é válida. Além disso, a molaridade de
+
H3O (9,2 × 10-6 mol⋅L-1) é muito maior do que a gerada pela autoprotólise da água (1,0 ×
10-7 mol⋅L-1) e, por isso, desprezar sua contribuição é válido.

EXEMPLO 4.5 Cálculo do pH de uma solução de um sal com um ânion básico

Estime o pH de 0,15 м Ca(CH3CO2)2(aq).

ESTRATÉGIA O equilíbrio de transferência de prótons é

− − [CH 3 COOH] [OH − ]
OH(aq) K b =
[CH CO ]
H2O(l) + CH3CO2 (aq) CH3COOH(aq) + −
3 2

−
O íon CH3CO2 é a base conjugada de um ácido fraco, logo, a solução será básica e espera-
se pH>7. Use o procedimento da Caixa de Ferramentas 3.2, obtendo a concentração inicial
da base a partir da concentração do sal adicionado. É preciso obter a constante Kb do
ânion básico, que teremos de calcular a partir da constante Ka do ácido conjugado. A
tabela de equilíbrio leva a um valor de pOH que deve ser convertido em pH usando pH +
pOH = 14,00.

−
SOLUÇÃO A molaridade inicial de CH3CO2 é 2 × 0,15 mol⋅L-1 = 0,30 mol⋅L-1, porque cada
−
fórmula unitária do sal fornece dois íons CH3CO2 . A Tabela 3.1 dá a constante Ka de
CH3COOH como sendo 1,8 × 10-5.

Espécies
− −
CH3CO2 CH3COOH OH

−
Etapa 4 Encontre Kb do íon CH3CO2 a partir de Kb = Kw/Ka,

1,0 × 10 −14
Ka = = 5 ,6 × 10 − 10
1,8 × 10 − 5

Substitua as molaridades de equilíbrio na expressão Ka.
x×x
5 ,6 × 10 − 5 =
0 ,30 − x

Imagine que x é menor do que 5% de 0,30 (isto é < 0,15).

197


x2
5 ,6 × 10 − 5 ≈
0 ,30
Resolva para x.

x≈ (0 ,30 ) × (5,6 × 10 − 5 ) = 1,3 × 10 − 5

Verifique a hipótese x < 0,015.
1,3 × 10-3 << 0,015

− −
Encontre o pOH a partir de pOH = – log [OH ]; [OH ] = x.

pOH ≈ − log (1,3 × 10 −5 ) = 4 ,89

Calcule o pH a partir de pH = pKw – pOH.

pH ≈ 14 ,00 − 4 ,89 = 9 ,11

−
A molaridade de OH produzida no equilíbrio de transferência de prótons (1,3 × 10-5
mol⋅L-1) é muito maior do que da autoprotólise da água (1,0 × 10-7 mol⋅L-1); assim,
desprezar a autoprotólise é válido.

Os sais que contêm ácidos conjugados de bases fracas produzem soluções ácidas em água. O
mesmo fazem os sais que contêm cátions de metal pequenos e com carga elevada. Os sais
que contêm bases conjugadas de ácidos fracos produzem soluções básicas em água.

4.4. Ácidos e Bases Polipróticos

Um ácido poliprótico é um composto que pode doar mais de um próton. Muitos
ácidos comuns são polipróticos, entre eles o sulfúrico, H2SO4, é o ácido carbônico, H2CO3,
que pode doar dois prótons, e o ácido fosfórico, H3PO4, que pode doar três prótons. Os
ácidos polipróticos têm papel importante em sistemas biológicos, porque muitas enzimas
podem ser consideradas como ácidos polipróticos que desempenham suas funções vitais
doando um próton após o outro. Uma base poliprótica é uma espécie que pode aceitar
2- 2-
mais de um próton. Exemplos incluem os ânions CO3 e SO3 , que podem aceitar dois
3-
prótons, e o ânion PO4 , que pode aceitar três ânions.
A principal diferença entre ácidos polipróticos e monopróticos é que os primeiros doam
os prótons em etapas sucessivas de desprotonação. Por exemplo, o ácido carbônico pode
−
perder um próton para formar HCO3 , que, por sua vez, pode doar o próton remanescente
2-
para formar CO3 . Precisamos saber quando e como levar em conta as desprotonações
sucessivas ao estimar o pH de uma solução de ácido poliprótico ou de um de seus sais.
3-
Além disso, veremos como as concentrações relativas de íons em solução, como PO4 ,
2- −
HPO4 , H2PO4 , dependem do pH da solução.

198


4.4.1. O pH de Soluções de Ácidos Polipróticos

O ácido carbônico é um componente natural importante do meio ambiente, que se forma
toda vez que o dióxido de carbono se dissolve na água de lagos ou do mar. Os oceanos
fornecem um dos mecanismos críticos na manutenção da concentração constante do
dióxido de carbono na atmosfera. O ácido carbônico participa de dois equilíbrios
sucessivos de transferência de prótons:
+ −
H2CO3(aq) + H2O(l) H3O(aq) + HCO3 (aq) Ka1 = 4,3 × 10-7

− + 2-
HCO3 (aq) + H2O(l) H3O(aq) + CO3(aq) Ka2 = 5,6 × 10-11

−
A base conjugada de H2CO3 no primeiro equilíbrio, HCO3 , age como um ácido no
2-
segundo equilíbrio. Este íon, por sua vez, produz sua própria base conjugada, CO3 .
Os prótons são doados sucessivamente pelos ácidos polipróticos e, a constante de acidez
decresce significativamente, em geral por um fator de cerca de 103, em cada perda de
próton (veja a Tabela 4.9)

Ka1 >> Ka2 >> Ka3 L

TABELA 4.9 Constantes de Acidez de Ácidos Polipróticos
Ácido Ka1 pKa1 Ka2 pKa2 Ka3 pKa3
ácido sulfúrico, H2SO4 forte 1,2 × 10-2 1,92
ácido oxálico, (COOH)2 5,9 × 10-2 1,23 6,5 × 10-5 4,19
ácido sulfuroso, H2SO3 1,5 × 10-2 1,81 1,2 × 10-7 6,91
ácido fosforoso, H3PO3 1,0 × 10-2 2,00 2,6 × 10-7 6,59
ácido fosfórico, H3PO4 7,6 × 10-3 2,12 6,2 × 10-8 7,21 2,1 × 10-13 12,68
ácido tartárico, C4H4O2(COOH)2 6,0 × 10-4 3,22 1,5 × 10-5 4,82
ácido carbônico, H2CO3 4,3 × 10-7 6,37 5,6 × 10-11 10,25
ácido sulfídrico, H2S 1,3 × 10-7 6,89 7,1 × 10-15 14,15

Essa diminuição é razoável, porque é mais difícil para um íon de carga negativa (como
−
HCO3 ) perder um próton, que tem carga positiva, do que a molécula neutra original. O
ácido sulfúrico, por exemplo, é um ácido forte e H2SO4 perde seu primeiro próton para
−
dar uma base conjugada, o íon hidrogenossulfato, HSO4 . Este íon, entretanto é um ácido
fraco.
O ácido sulfúrico é o único ácido poliprótico comum para o qual a primeira
desprotonação é completa. A segunda desprotonação aumenta ligeiramente a molaridade
+
de H3O , logo, o pH será ligeiramente menor do que o desvio somente à primeira
desprotonação. Por exemplo, em 0,010 м H2SO4(aq) a primeira desprotonação é completa:

+ −
H2SO4(aq) + H2O(l) H3O(aq) + HSO4 (aq)

199

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