Dadores e recetores de protões
Já reparaste que o limão «pica» e que o produto de limpeza com amoníaco «cheira forte» e é escorregadio ao toque? Dizemos que o sumo de limão é ácido e que o amoníaco é básico. Mas o que é que as espécies químicas têm em comum para se comportarem assim? E porque é que a água, que não é uma coisa nem outra, aparece em todas as equações? Neste apartado vais ver que tudo se resume a uma troca de protões.
Do modelo de Arrhenius ao de Brönsted-Lowry
No século XIX, Arrhenius definiu ácido como uma substância que, em água, liberta iões $\text{H}^+$, e base como uma substância que liberta iões $\text{OH}^-$. O modelo explica muitos casos, mas tem limites: o amoníaco, $\text{NH}_3$, não tem $\text{OH}^-$ na sua fórmula e, no entanto, as suas soluções são básicas. Além disso, só funciona em solução aquosa.
Em 1923, Brönsted e Lowry propuseram, de forma independente, uma definição mais geral, baseada numa transferência de protões. Um protão é um ião $\text{H}^+$ (um átomo de hidrogénio sem o seu eletrão).
Repara numa consequência importante: ninguém cede um protão se não houver quem o receba. Uma reação ácido-base é sempre uma transferência de protões entre um ácido e uma base. O ácido não é ácido «sozinho»: é ácido face a um parceiro que o recebe.
Um ácido a reagir com a água
Quando o cloreto de hidrogénio se dissolve em água, dá-se a reação
$$\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^-$$O $\text{HCl}$ cede um protão à molécula de água. A água, ao recebê-lo, transforma-se no ião hidrónio, $\text{H}_3\text{O}^+$. Assim, o $\text{HCl}$ comporta-se como ácido e a $\text{H}_2\text{O}$ como base. O ião $\text{H}^+$ livre não existe em água: está sempre ligado a uma molécula de água, e por isso escrevemos $\text{H}_3\text{O}^+$.
Segundo a teoria de Brönsted-Lowry, um ácido é uma espécie química que cede protões ($\text{H}^+$) e uma base é uma espécie que os recebe. a) Na reação…
Segundo a teoria de Brönsted-Lowry, um ácido é uma espécie química que cede protões ($\text{H}^+$) e uma base é uma espécie que os recebe.
- a) Na reação $\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^-$, indica qual das espécies dos reagentes se comporta como ácido e qual se comporta como base. Justifica a tua resposta com base na transferência de protões.
- b) O ião hidrónio, $\text{H}_3\text{O}^+$, forma-se quando uma molécula de água recebe um protão. Escreve a fórmula do ião que se forma quando, em vez disso, uma molécula de água cede um protão.
- c) O cloreto de hidrogénio é um gás muito solúvel em água. Explica por que razão a solução resultante conduz a corrente elétrica.
Uma base a reagir com a água
O amoníaco, usado em produtos de limpeza, dissolve-se em água segundo
$$\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$$Agora é a molécula de água que cede um protão ao $\text{NH}_3$, ficando $\text{OH}^-$ (ião hidróxido). Logo, o $\text{NH}_3$ é a base e a $\text{H}_2\text{O}$ é o ácido. O ião $\text{OH}^-$ formado é o responsável pelo carácter básico da solução: tem pH superior a 7 (a 25 °C).
Compara com a secção anterior: com o $\text{HCl}$, a água foi base; com o $\text{NH}_3$, a água foi ácido. Uma espécie que pode comportar-se como ácido ou como base, consoante o parceiro, diz-se anfotérica (ou anfiprótica).
O amoníaco é muito solúvel em água e a solução obtida é usada em produtos de limpeza. A dissolução processa-se segundo…
O amoníaco é muito solúvel em água e a solução obtida é usada em produtos de limpeza. A dissolução processa-se segundo $\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$.
- a) Indica qual das espécies dos reagentes é o ácido e qual é a base, segundo Brönsted-Lowry. Justifica.
- b) Face ao cloreto de hidrogénio, a água comporta-se como base; face ao amoníaco, comporta-se como ácido. Indica o nome que se dá a uma espécie com este comportamento duplo.
- c) Prevê, justificando, se uma solução de amoníaco tem pH superior ou inferior a 7.
Setas e identificação em várias reações
Nas equações anteriores usámos dois tipos de seta:
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$\rightarrow$ indica uma reação praticamente completa: os reagentes limitantes quase desaparecem. É o caso do $\text{HCl}$ e do $\text{HNO}_3$ em água (ácidos fortes).
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$\rightleftharpoons$ indica uma reação incompleta, que atinge um equilíbrio químico: reagentes e produtos coexistem, e as reações direta e inversa ocorrem em simultâneo. É o caso do ácido etanoico (ácido acético) e do amoníaco em água.
Ou seja, a seta diz-nos até que ponto a transferência de protões se dá: nos ácidos e bases fortes é praticamente total; nos fracos é parcial. Vais estudar isto com detalhe em FORCA-KAKB.
Considera as reações seguintes, todas em solução aquosa: 1. $\text{HNO}3 + \text{H}2\text{O} \rightarrow \text{H}3\text{O}^+ + \text{NO}3^-$ 2.…
Considera as reações seguintes, todas em solução aquosa:
-
$\text{HNO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{NO}_3^-$
-
$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^-$
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$\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$
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$\text{HCl} + \text{NH}_3 \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{Cl}^-$
- a) Identifica, em cada reação, o ácido e a base de Brönsted-Lowry entre os reagentes.
- b) Explica a diferença de significado entre as setas $\rightarrow$ e $\rightleftharpoons$ nestas equações, relacionando-a com a extensão em que cada reação ocorre.
- c) Na reação 4 não intervém a água. Mostra que, mesmo assim, há transferência de protões, identificando a espécie dadora e a espécie recetora.
De volta ao início: o limão «pica» porque tem espécies que cedem protões (ácidos), e o amoníaco é básico porque recebe protões da água, libertando $\text{OH}^-$. A água é anfotérica: faz de base com os ácidos e de ácido com as bases.
Pares conjugados ácido-base
Quando um ácido cede um protão, a espécie que fica pode voltar a recebê-lo: comporta-se como base. Quando uma base recebe um protão, a espécie que se forma pode voltar a cedê-lo: comporta-se como ácido.
Na reação $\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^-$ há dois pares: $\text{HCl}/\text{Cl}^-$ e $\text{H}_3\text{O}^+/\text{H}_2\text{O}$. Na reação $\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$ há os pares $\text{NH}_4^+/\text{NH}_3$ e $\text{H}_2\text{O}/\text{OH}^-$. Repara que a água aparece em pares diferentes, porque é anfotérica.
Em resumo
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Ácido (Brönsted-Lowry): espécie que cede protões. Base: espécie que recebe protões.
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Uma reação ácido-base é uma transferência de protões; precisa sempre de um ácido e de uma base.
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Em água, o protão fica ligado a uma molécula de água: forma-se o ião hidrónio, $\text{H}_3\text{O}^+$. Se a água ceder um protão, forma-se o ião hidróxido, $\text{OH}^-$.
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A água é anfotérica: é base perante ácidos e ácido perante bases.
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Seta $\rightarrow$: reação praticamente completa; seta $\rightleftharpoons$: reação incompleta, com equilíbrio.
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Para identificar o ácido e a base, vê o que acontece ao $\text{H}$ de cada reagente.