O caráter ácido-base das soluções de sais
A Leonor dissolveu uma colher de sal de cozinha num copo de água e mediu o pH: deu cerca de 7. Depois repetiu com bicarbonato de sódio, o pó que a avó usa para a azia, e o pH subiu acima de 8. Nos dois casos dissolveu um sal. Porque é que as soluções não têm o mesmo caráter? Vais perceber que a resposta está no que cada ião faz quando encontra a água.
Um sal dissolvido é um conjunto de iões
Um sal solúvel é um composto iónico. Ao dissolver-se em água, dissocia-se por completo nos seus iões, sempre em quantidades definidas pela fórmula:
$$\text{NH}_4\text{Cl (s)} \longrightarrow \text{NH}_4^+ \text{(aq)} + \text{Cl}^- \text{(aq)}$$Cada sal vem de um ácido e de uma base. O cloreto de amónio, por exemplo, vem do ácido clorídrico, HCl, e do amoníaco, $\text{NH}_3$. A pergunta a fazer é: o catião e o anião reagem com a água, ou ficam apenas rodeados por moléculas de água?
A resposta depende da força do ácido e da base de origem:
-
Um ácido forte ioniza-se totalmente. O seu anião (por exemplo $\text{Cl}^-$, $\text{NO}_3^-$) é uma base conjugada tão fraca que não reage com a água de forma apreciável.
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Uma base forte (hidróxido de sódio, de potássio, de cálcio…) fornece catiões ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$) que não reagem com a água de forma apreciável.
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Um ácido fraco dá um anião que é uma base conjugada com força apreciável: reage com a água.
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Uma base fraca dá um catião que é um ácido conjugado com força apreciável: reage com a água.
Nem todas as soluções de sais são neutras: o caráter da solução depende da força do ácido e da base que deram origem ao sal. a) Copia a tabela e preenche a última coluna…
Nem todas as soluções de sais são neutras: o caráter da solução depende da força do ácido e da base que deram origem ao sal.
- a) Copia a tabela e preenche a última coluna com o caráter previsto (ácido, básico ou neutro) de cada solução aquosa.
| Sal | Catião | Anião | Caráter da solução |
|---|---|---|---|
| Cloreto de sódio, $\text{NaCl}$ | $\text{Na}^+$ | $\text{Cl}^-$ | ? |
| Cloreto de amónio, $\text{NH}_4\text{Cl}$ | $\text{NH}_4^+$ | $\text{Cl}^-$ | ? |
| Etanoato de sódio, $\text{CH}_3\text{COONa}$ | $\text{Na}^+$ | $\text{CH}_3\text{COO}^-$ | ? |
| Nitrato de potássio, $\text{KNO}_3$ | $\text{K}^+$ | $\text{NO}_3^-$ | ? |
- b) Dos iões da tabela, indica quais reagem com a água (sofrem hidrólise) e justifica a tua escolha com base na força dos ácidos e das bases de que provêm.
Iões que reagem com a água: a hidrólise
Chama-se hidrólise à reação de um ião com a água que altera o equilíbrio de autoionização. Há dois casos.
Anião de um ácido fraco: comporta-se como base. Recebe um protão da água e liberta ião hidróxido. Exemplo com o ião etanoato, vindo do ácido etanoico:
$$\text{CH}_3\text{COO}^-\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O (l)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOH (aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)}$$A solução fica com excesso de $\text{OH}^-$: [$\text{OH}^-$] > [$\text{H}_3\text{O}^+$], logo é básica (pH > 7). A constante deste equilíbrio é a constante de basicidade do anião, $K_b$.
Catião de uma base fraca: comporta-se como ácido. Cede um protão à água e liberta ião hidrónio. Exemplo com o ião amónio:
$$\text{NH}_4^+\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O (l)} \rightleftharpoons \text{NH}_3\text{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)}$$A solução fica com excesso de $\text{H}_3\text{O}^+$, logo é ácida (pH < 7). A constante deste equilíbrio é a constante de acidez do catião, $K_a$.
O ião que provém de um ácido fraco reage com a água comportando-se como base, e o ião que provém de uma base fraca reage comportando-se como ácido; os iões que provêm de…
O ião que provém de um ácido fraco reage com a água comportando-se como base, e o ião que provém de uma base fraca reage comportando-se como ácido; os iões que provêm de ácidos ou de bases fortes praticamente não reagem com a água.
- a) Escreve a equação da reação do ião etanoato com a água e mostra que ela explica o caráter básico da solução de etanoato de sódio.
- b) Escreve a equação da reação do ião amónio com a água e mostra que ela explica o caráter ácido da solução de cloreto de amónio.
- c) O hidrogenocarbonato de sódio ($\text{NaHCO}_3$) é usado para combater a acidez estomacal. Relaciona esta utilização com o caráter da sua solução aquosa.
- d) Explica por que razão uma solução de cloreto de sódio é neutra, referindo o comportamento dos dois iões face à água.
Quão ácida ou básica? Ka, Kb e o pH
Para um par conjugado ácido-base em água, o produto das constantes é a constante do produto iónico da água:
$$K_a \times K_b = K_w = 1{,}0\cdot10^{-14} \quad (25\,^\circ\text{C})$$Assim, um ácido fraco muito pouco ionizado (Ka pequena) tem uma base conjugada com Kb relativamente maior, e vice-versa. Em soluções de sais, a hidrólise é sempre pequena, por isso o pH afasta-se pouco de 7.
Alguns valores a 25 °C:
| Ião | Reage como | Constante |
|---|---|---|
| $\text{CH}_3\text{COO}^-$ | base | $K_b = 5{,}6\cdot10^{-10}$ |
| $\text{NH}_4^+$ | ácido | $K_a = 5{,}6\cdot10^{-10}$ |
| $\text{F}^-$ | base | $K_b = 1{,}5\cdot10^{-11}$ |
Repara na escala: o $\text{NH}_4\text{Cl}$ dá pH ≈ 5,1 e o $\text{CH}_3\text{COONa}$ dá pH ≈ 8,9. A hidrólise tem a mesma extensão nos dois, mas um fica abaixo e o outro acima de 7.
Quando os dois iões reagem: o hidrogenocarbonato
Há iões que podem ser ao mesmo tempo ácido e base. É o caso do ião hidrogenocarbonato, $\text{HCO}_3^-$, do bicarbonato de sódio. Pode ceder um protão ou captar um protão:
$$\text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO}_3^{2-} + \text{H}_3\text{O}^+ \qquad K_a = 4{,}7\cdot10^{-11}$$ $$\text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^- \qquad K_b = 2{,}3\cdot10^{-8}$$O que prevalece é a reação com maior constante. Aqui $K_b > K_a$, logo a reação como base domina e a solução é básica. É por isso que o bicarbonato de sódio combate a acidez do estômago: o $\text{HCO}_3^-$ capta protões do ácido clorídrico do sumo gástrico.
A mesma lógica serve para um sal em que o catião e o anião reagem (por exemplo, etanoato de amónio): compara o $K_a$ do catião com o $K_b$ do anião. Se $K_a > K_b$ a solução é ácida; se $K_b > K_a$ é básica; se forem iguais, é neutra.
O ião que provém de um ácido fraco reage com a água comportando-se como base, e o ião que provém de uma base fraca reage comportando-se como ácido; os iões que provêm de…
O ião que provém de um ácido fraco reage com a água comportando-se como base, e o ião que provém de uma base fraca reage comportando-se como ácido; os iões que provêm de ácidos ou de bases fortes praticamente não reagem com a água.
- a) Escreve a equação da reação do ião etanoato com a água e mostra que ela explica o caráter básico da solução de etanoato de sódio.
- b) Escreve a equação da reação do ião amónio com a água e mostra que ela explica o caráter ácido da solução de cloreto de amónio.
- c) O hidrogenocarbonato de sódio ($\text{NaHCO}_3$) é usado para combater a acidez estomacal. Relaciona esta utilização com o caráter da sua solução aquosa.
- d) Explica por que razão uma solução de cloreto de sódio é neutra, referindo o comportamento dos dois iões face à água.
De volta ao início: o sal de cozinha ($\text{Na}^+$ e $\text{Cl}^-$, nenhum reage) dá solução neutra; o bicarbonato de sódio contém $\text{HCO}_3^-$, que age como base, e por isso a solução da Leonor ficou com pH acima de 8.