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Chemistry for Non-Majors

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Objectivos de Aprendizagem

  • Definir um ácido forte.
  • Lista alguns ácidos fortes.
  • Definir um ácido fraco.
  • Lista alguns ácidos fracos.
  • Lista a expressão para a constante de ionização ácida.
  • Definir bases fortes e fracas.
  • Dar exemplos de bases fortes e fracas.
  • Escrever a expressão para a constante de ionização de base.
  • Realizar cálculos de constantes de ionização ácida e de base.

Ácidos fortes e fracos e constantes de ionização ácida (Ka)

Como é que gravam o vidro?

A gravação de vidro é um processo lento que pode produzir belas obras de arte. Tradicionalmente, o vidro tem sido tratado com ácido fluorídrico diluído que dissolve gradualmente o vidro sob ele. As partes da peça que não devem ser gravadas são cobertas com cera ou algum outro material não reactivo. Em tempos mais recentes, têm sido utilizados compostos como o bifluoreto de amónio. Qualquer que seja o produto químico utilizado, o artista deve ter muito cuidado para não obter nenhum na sua pele.

O vidro é gravado com ácido fluorídrico diluído

Ácidos fortes e fracos e ionização ácida Constante

Os ácidos são classificados como fortes ou fracos, com base na sua ionização na água. Um ácido forte é um ácido que é completamente ionizado numa solução aquosa. O cloreto de hidrogénio (HCl) ioniza completamente em iões de hidrogénio e iões de cloreto na água.

text{HCl}(g) rightarrow text{H}^+(aq) + text{Cl}^-(aq)

Um ácido fraco é um ácido que ioniza apenas ligeiramente numa solução aquosa. O ácido acético (encontrado no vinagre) é um ácido fraco muito comum. A sua ionização é mostrada abaixo.

text{CH}_3text{COOH}(aq) rightleftarrows text{H}^+(aq) + text{CH}_3text{COO}^-(aq)

A ionização do ácido acético é incompleta, e assim a equação é mostrada com uma seta dupla. A extensão da ionização dos ácidos fracos varia, mas é geralmente inferior a 10%. Uma solução de 0,10 M de ácido acético é apenas cerca de 1,3% ionizada, o que significa que o equilíbrio favorece fortemente os reagentes.

Ácidos fracos, como ácidos fortes, ionizam para produzir o H + ião e uma base conjugada. Como o HCl é um ácido forte, a sua base conjugada (Cl – ) é extremamente fraca. O ião cloreto é incapaz de aceitar o H + ião e de se tornar novamente HCl. Em geral, quanto mais forte é o ácido, mais fraca é a sua base conjugada. Do mesmo modo, quanto mais fraco o ácido, mais forte é a sua base conjugada.

Strengths Relative of Acids and their Conjugate Bases
Ácido Base Conjugada
Ácidos Fortes
HCl (ácido clorídrico) (mais forte) Cl – (ião cloreto) (mais fraco)
H 2 SO 4 (ácido sulfúrico) HSO 4 – (ião sulfato de hidrogénio)
HNO 3 (ácido nítrico) NO 3 – (ião nitrato)
Ácidos fracos
H 3 PO 4 (ácido fosfórico) H 2 PO 4 – (ião fosfato de dihidrogénio)
CH 3 COOH (ácido acético) CH 3 COO – (ião acetato)
H 2 CO 3 (ácido carbónico) HCO 3 – (ião carbonato de hidrogénio)
HCN (ácido cianídrico) (mais fraco) CN – (ião cianídrico) (strongest)

Ácidos fortes são 100% ionizados em solução. Os ácidos fracos são apenas ligeiramente ionizados. O ácido fosfórico é mais forte do que o ácido acético e por isso é ionizado em maior grau. O ácido acético é mais forte do que o ácido carbónico, e assim por diante.

A constante de ionização do ácido, Ka

A ionização de um ácido fraco geral, HA, pode ser escrita como se segue:

text{HA}(aq) rightarrow text{H}^+ (aq) + text{A}^-(aq)

Porque o ácido é fraco, uma expressão de equilíbrio pode ser escrita. Uma constante de ionização ácida (Ka) é a constante de equilíbrio para a ionização de um ácido.

K_a=frac{}{}{}

A ionização ácida representa a fracção do ácido original que foi ionizado em solução. Portanto, o valor numérico de Ka é um reflexo da força do ácido. Os ácidos fracos com valores Ka relativamente mais elevados são mais fortes do que os ácidos com valores Ka relativamente mais baixos. Como os ácidos fortes são essencialmente 100% ionizados, a concentração do ácido no denominador é quase zero e o valor de Ka aproxima-se do infinito. Por esta razão, os valores Ka são geralmente reportados apenas para ácidos fracos.

A tabela abaixo é uma lista de constantes de ionização ácida para vários ácidos. Note-se que os ácidos polipróticos têm uma constante de ionização distinta para cada etapa de ionização, sendo cada constante de ionização sucessiva mais pequena do que a anterior.

4.9 × 10-10

Constantes de ionização ácida a 25°C
Nome do ácido Equação de ionização Ka
Ácido sulfúrico

H2SO4 ⇌ H+ + HSO4-

HSO4- ⇌ H+ + SO42-

muito grande

1.3 × 10-2
Ácido oxálico

H2C2O4 ⇌ H+ + HC2O4-

HC2O4- ⇌ H+ + C2O42-

6,5 × 10-2

6.1 × 10-5
Ácido fosfórico

H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4-

H2PO4- ⇌ H+ + HPO42-

HPO42- ⇌ H+ + PO43-

7,5 × 10-3

6,2 × 10-8

4.8 × 10-13
Ácido fluorídrico HF ⇌ H+ + F- 7,1 × 10-4
Ácido nitroso HNO2 ⇌ H+ + NO2- 4.5 × 10-4
Ácido benzóico C6H5COOH ⇌ H+ + C6H5COO- 6.5 × 10-5
Ácido acético CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO- 1.8 × 10-5
Ácido carbónico

H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-

HCO3- ⇌ H+ + CO32-

4.2 × 10-7

4,8 × 10-11
Ácido Hidrociânico HCN ⇌ H+ + CN-

Bases Fortes e Fracas e Constante de Ionização Base (Kb)

Amoníaco para quê?

Amoníaco é uma base fraca com muitas aplicações

Todos os complexos aparelhos e aparelhos electrónicos de um vaivém espacial geram calor, tal como os astronautas. Os vaivéns têm uma disposição complexa de sistemas para dissipar esse calor para o espaço exterior. Um dos componentes deste sistema é uma série de bobinas cheias de amoníaco que se encontram no exterior do vaivém. O amoníaco absorve o calor e depois liberta-o para o espaço à medida que o gás circula através das bobinas. Esta abordagem é simultaneamente barata e eficaz.

Bases fortes e fracas e Constante de ionização de base, Kb

As com ácidos, as bases podem ser fortes ou fracas, dependendo da sua extensão de ionização. Uma base forte é uma base, que ioniza completamente numa solução aquosa. As bases fortes mais comuns são compostos solúveis de hidróxido de metal, tais como hidróxido de potássio. Alguns hidróxidos de metal não são tão fortes simplesmente porque não são tão solúveis. O hidróxido de cálcio é apenas ligeiramente solúvel em água, mas a porção que se dissolve também se dissocia em iões.

Uma base fraca é uma base que ioniza apenas ligeiramente numa solução aquosa. Recorde-se que uma base pode ser definida como uma substância, que aceita um ião de hidrogénio de outra substância. Quando uma base fraca como o amoníaco é dissolvida na água, aceita um ião H + ião da água, formando o ião hidróxido e o ácido conjugado da base, o ião amónio.

text{NH}_3(aq)+ text{H}_2text{O}(l) rightleftarrows text{NH}^+_4(aq) + text{OH}^-(aq)

O equilíbrio favorece muito os reagentes e a extensão da ionização da molécula de amoníaco é muito pequena.

Uma expressão de equilíbrio pode ser escrita para as reacções de bases fracas com água. Como a concentração de água é extremamente grande e virtualmente constante, a água não está incluída na expressão. Uma constante de ionização de base (Kb) é a constante de equilíbrio para a ionização de uma base. Para o amoníaco a expressão é:

K_b=frac{}{}{}

O valor numérico de Kb é um reflexo da força da base. As bases fracas com valores de Kb relativamente mais altos são mais fortes do que as bases com valores de Kb relativamente mais baixos. A tabela abaixo é uma lista de constantes de ionização de bases para várias bases fracas.

>Kb

Constantes de ionização de base a 25°C
Nome da Base Ionização Equação
Methylamine CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH- 5.6 × 10-4
Ammonia NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- 1.8 × 10-5
Piridina C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH- 1.7 × 10-9
Acetate ion CH3COOO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH- 5,6 × 10-10
Ião flúor F- + H2O ⇌ HF + OH- 1.4 × 10-11
Urea H2NCONH2 + H2O ⇌ H2CONH3+ + OH- 1.5 × 10-14

Nota que a base conjugada de um ácido fraco é também uma base forte. Por exemplo, o ião acetato tem uma pequena tendência para aceitar um ião de hidrogénio da água para formar ácido acético e o ião hidróxido.

Calculando Ka e Kb

Quem inventou o medidor de pH?

O medidor de pH foi inventado porque os produtores de laranja da Florida precisavam de uma forma de testar a acidez dos seus frutos. O primeiro medidor foi inventado por Arnold Beckman, que passou a formar a Beckman Instruments.

O negócio de Beckman foi muito bem sucedido e ele usou grande parte da sua fortuna para financiar a educação científica e a investigação. A família Beckman doou 40 milhões de dólares para construir o Instituto Beckman na Universidade de Illinois.

Calculando Ka e Kb

O valor numérico de Ka ou Kb pode ser determinado a partir de uma experiência. Uma solução de concentração conhecida é preparada e o seu pH é medido com um instrumento chamado medidor de pH .

Um medidor de pH pode ser utilizado para determinações rápidas e precisas de pHp>Figure 1. Um medidor de pH é um dispositivo de laboratório que fornece medições rápidas e precisas do pH das soluções.

Problema da amostra: Cálculo de uma Constante de Ionização Ácida

Prepara-se uma solução de 0,500 M de ácido fórmico e mede-se o seu pH para ser 2,04. Determinar o Ka para ácido fórmico.

Passo 1: Enumerar os valores conhecidos e planear o problema.

conhecido

  • inicial = 0,500 M
  • pH = 2,04

Desconhecido

  • Ka = ?

primeiro, o pH é utilizado para calcular o em equilíbrio. É criada uma tabela ICE a fim de determinar as concentrações de HCOOOH e HCOO – em equilíbrio. Todas as concentrações são então substituídas na expressão Ka e o valor Ka é calculado.

P>Passo 2: Resolver.

=10^{-text{pH}}=10^{-2.04}=9.12 vezes 10^{-3} text{M}

p>>Desde que cada molécula de ácido fórmico que produz um ião H + ião e um ião formado (HCOO – ), as concentrações de H + e HCOO – são iguais em equilíbrio. Assumimos que as concentrações iniciais de cada íon são zero, resultando na seguinte tabela ICE.

Equilíbrio

Concentrações
Initial 0.500 0 0
Change -9,12 × 10 -3 +9,12 × 10 -3 +9,12 × 10 -3
0.491 9,12 × 10 -3 9.12 × 10 -3

Agora substituindo na expressão Ka gives:

K_a=frac{}{}=frac{(9.12 vezes 10^{-3})(9,12 vezes 10^{-3})}{0,491}=1,7 vezes 10^{-4}

Passo 3: Pense no seu resultado .

p> O valor de Ka é consistente com o de um ácido fraco. Dois números significativos são apropriados para a resposta, uma vez que existem dois dígitos após o ponto decimal no pH.

passos simples podem ser dados para determinar o Kb de uma base. Por exemplo, uma solução 0,750 M da etilamina de base fraca (C2H5 NH2) tem um pH de 12,31.

text{C}_2text{H}_5text{NH}_2+ text{H}_2text{O} rightleftarrows text{C}_2text{H}_5text{NH}^+_3 + text{OH}^-

P>Desde que um dos produtos da reacção de ionização seja o ião hidróxido, precisamos primeiro de encontrar o em equilíbrio. O pOH é 14 – 12,31 = 1,69. O é então encontrado de 10 -1,69 = 2,04 × 10 -2 M. A tabela ICE é então estabelecida como mostrado abaixo.

Concentrações
Initial 0.750 0 0
Change -2.04 × 10 -2 +2.04 × 10 -2 +2.04 × 10 -2
Equilíbrio 0.730 2.04 × 10 -2 2.04 × 10 -2

Substituir na expressão Kb produz o Kb para etilamina.

K_b=frac{}{}=frac{(2,04 vezes 10^{-2})(2,04 vezes 10^{-2})}{0,730}=5.7 vezes 10^{-4}

Sumário

  • Ácidos fortes e fracos são definidos.
  • A constante de ionização ácida (Ka) é definida.
  • Bases fortes e fracas são definidas.
  • A constante de equilíbrio de bases é definida.

    • li>Cálculos de Ka e Kb são descritos.

Prática

Ácidos fortes e fracos e constante de ionização ácida (Ka)

Leia o material no link abaixo e responda às seguintes perguntas:

http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/acids.html

  1. Porque é que o factor não incluído na expressão para Ka ?
  2. Quando escrevemos H+, do que estamos realmente a falar?
  3. Qual é o ácido mais fraco: o ácido metanóico ou etanóico?

Bases Fortes e Fracas e Constante de Ionização Base (Kb)

Lê o material no link abaixo e responde às seguintes perguntas:

http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/bases.html

    1. Na presença de iões hidróxidos, de que forma muda o equilíbrio da equação mostrando a dissociação da água?
    2. Que percentagem de amoníaco em solução produz de facto iões hidróxidos?
    3. Como é que a posição de equilíbrio se relaciona com a força de uma base fraca?

    Calculando Ka e Kb

    Lê o material no link abaixo e responde às seguintes perguntas:

    http://www.ausetute.com.au/kb.html

      1. A que é que uma base Arrhenius se dissocia?
      2. O que é que uma base Brønsted-Lowry forma na água?
      3. Como é determinada a percentagem de ionização?

Review

Ácidos fortes e fracos e constante de ionização ácida (Ka)

  1. Por que é o ião cloreto a base conjugada mais fraca?
  2. Qual é a percentagem de ionização num 0.Solução 1 M de ácido acético?
  3. Qual é o ácido mais forte: HF ou ácido benzóico?

Bases fortes e fracas e Constante de ionização de base (Kb)

      li>Definir uma base forte.li>Definir uma base fraca.

    1. Qual é a base mais forte: piridina ou ureia?

    Calcular Ka e Kb

        Que abordagem é utilizada para o cálculo das constantes de ionização?

      1. Que hipóteses iniciais são feitas?
      2. Que pressupostos de equilíbrio são feitos?

      Glossary

  • constante de ionização ácida (K_a) : A constante de equilíbrio para a ionização de um ácido.
  • ácido forte: Um ácido que é completamente ionizado em solução aquosa.
  • ácido fraco: Um ácido que ioniza apenas ligeiramente em solução aquosa.
  • constante de ionização de base (K_b) : A constante de equilíbrio para a ionização de uma base.
  • base forte: Uma base que ioniza completamente em solução aquosa.
  • base fraca: Uma base que ioniza apenas ligeiramente em solução aquosa.
  • pH metros: Um dispositivo para a medição precisa do pH.
Mostrar Referências

  1. Dominic Alves. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_Grand_Spiegeltent_-_Ballet_Dancer.jpg .
  2. Cortesia Jack Pfaller, NASA.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Space_Shuttle_main_engine_visual_inspection.jpg .
  3. Usuário:Daderot/Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beckman_Institute_-_UIUC_-_DSC09175.JPG .
  4. Usuário:Datamax/Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PH_Meter.jpg .

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