Revisão: Força de ácido e base
Por que alguns ácidos podem comer através do vidro, mas podemos consumir outros com segurança? Por que você pode cozinhar com uma base como bicarbonato de sódio, mas deve ser extremamente cauteloso ao manusear uma base como um limpador de ralos?
A resposta está na capacidade de cada ácido ou base se quebrar ou se dissociar: ácidos e bases fortes se dissociam bem (ocorre aproximadamente 100% de dissociação); ácidos e bases fracos não se dissociam bem (a dissociação é muito, muito menos que 100%).
Vamos para o laboratório e ampliamos uma amostra de ácido clorídrico para ver o que está acontecendo no nível molecular. Dado que o ácido clorídrico é um ácido forte, você consegue adivinhar como será por dentro?
Não há moléculas de HCl a serem encontradas porque 100% das moléculas de HCl se dividiram em íons de hidrogênio e íons de cloreto. Na verdade, os íons hidrogênio se ligaram à água para formar íons hidrônio (H3O +). Escreveríamos a dissociação do ácido clorídrico como HCl + H2O -> H3O + + Cl-.
HCl é o ácido parental, H3O + é o ácido conjugado e Cl- é a base conjugada. O ácido conjugado e a base conjugada ocorrem na proporção de 1: 1. Caso não esteja fresco em sua mente, um ácido conjugado é o produto protonado em uma reação ou dissociação ácido-base. Uma base conjugada é a partícula carregada negativamente que permanece depois que um próton se dissocia de um ácido.
Se fôssemos ampliar nossa amostra de ácido fluorídrico, um ácido fraco, descobriríamos que muito poucas de nossas moléculas de HF se dissociaram. No entanto, ainda escreveríamos a dissociação da mesma forma: HF + H2O -> H3O + + F-. Na verdade, para todos os ácidos podemos usar uma expressão geral para dissociação usando o ácido genérico HA: HA + H2O -> H3O + + A-.
Para todas as bases, podemos usar uma equação geral usando a base genérica B: B + H2O -> BH + + OH-. B é a base-mãe, BH + é o ácido conjugado e OH- é a base conjugada. Ótimo! Nós sabemos o que está acontecendo quimicamente, mas e se não pudermos ampliar o nível molecular para ver a dissociação? Como a dissociação de ácido ou base é medida então?
Introdução a Ka e Kb
Usamos constantes de dissociação para medir o quão bem um ácido ou base se dissocia. Para ácidos, esses valores são representados por Ka; para bases, Kb. Essas constantes não têm unidades.
Todas as reações químicas prosseguem até atingirem o equilíbrio químico, ponto no qual as taxas da reação direta e da reação reversa são iguais. Usamos a constante de equilíbrio, Kc, para uma reação para demonstrar se a reação favorece ou não produtos (a reação direta é dominante) ou reagentes (a reação reversa é dominante). Valores altos de Kc significam que a reação é favorecida pelo produto, enquanto valores baixos de Kc significam que a reação é favorecida pelo reagente.
Para a dissociação de ácido e base, os mesmos conceitos se aplicam, exceto que usamos Ka ou Kb em vez de Kc. Valores elevados de Ka significam que o ácido se dissocia bem e que é um ácido forte. Valores baixos de Ka significam que o ácido não se dissocia bem e que é um ácido fraco. A mesma lógica se aplica às bases.
Existe uma relação entre a concentração de produtos e reagentes e a constante de dissociação (Ka ou Kb). Para ácidos, essa relação é mostrada pela expressão: Ka = [H3O +] [A-] / [HA].
Os produtos (conjugado ácido H3O + e conjugado base A-) da dissociação estão na parte superior, enquanto o ácido parental HA está na parte inferior. Observe que a água não está presente nesta expressão. Podemos ignorar a água porque ela é um líquido e não temos como expressar sua concentração.
Para as bases, essa relação é mostrada pela equação Kb = [BH +] [OH-] / [B]. Os produtos (ácido conjugado e base conjugada) estão na parte superior, enquanto a base-mãe está na parte inferior. Mais uma vez, a água não está presente.
As expressões Ka e Kb para a dissociação podem ser usadas para determinar uma incógnita, seja Ka ou o próprio Kb, a concentração de uma substância ou mesmo o pH.
Ka e Kb em ação
Vamos entrar em nosso laboratório de desenho animado e fazer ciência com ácidos!
Precisamos de um ácido fraco para uma reação química. Temos uma solução de ácido acético (HC2H3O2) de 0,9 M. Sua concentração de íons hidrônio é 4 * 10 ^ -3 M. Qual é o Ka para ácido acético? Este é um ácido forte ou fraco?
Para resolver esse problema, precisaremos de algumas coisas: a equação para dissociação de ácido, a expressão Ka e nossas habilidades de álgebra.
A equação é para a dissociação do ácido é HC2H3O2 + H2O <==> H3O + + C2H3O2-.
A expressão de Ka é Ka = [H3O +] [C2H3O2-] / [HC2H3O2].
O problema nos forneceu algumas informações: que a concentração de ácido acético é 0,9 M e sua concentração de íon hidrônio é 4 * 10 ^ -3 M.
Como a equação está em equilíbrio, a concentração de H3O + é igual à concentração de C2H3O2-. Colocamos as informações que conhecemos na expressão Ka e resolvemos Ka.
Ka = (4,0 * 10 ^ -3 M) (4,0 * 10 ^ -3 M) / 0,90 M
Ka = 1,8 * 10 ^ -5
Este valor Ka é muito pequeno, então este é um ácido fraco.
Em outro cenário de laboratório, nossas necessidades químicas mudaram. É absolutamente necessário saber a concentração do ácido conjugado para uma solução 15 M superconcentrada de NH3. Sabemos que o Kb de NH3 é 1,8 * 10 ^ -5. Como no problema anterior, vamos começar escrevendo a equação de dissociação e a expressão Kb para a base.
A equação é NH3 + H2O <==> NH4 + + OH-. NH4 + é nosso ácido conjugado.
Nossa expressão Kb é Kb = [NH4 +] [OH-] / [NH3].
Sabemos que Kb = 1,8 * 10 ^ -5 e [NH3] é 15 M. Podemos fazer a suposição de que [NH4 +] = [OH-] e deixar que ambos sejam iguais a x .
A equação então se torna Kb = ( x ) ( x ) / [NH3].
Colocamos nossas informações na expressão Kb: 1,8 * 10 ^ -5 = x ^ 2/15 M.
Resolvendo para x , x = 1,6 * 10 ^ -2. Uma vez que permitimos que x seja igual a [NH4 +], então a concentração de NH4 + = 1,6 * 10 ^ -2 M.
Encontrando pH Dado Ka
Aqui estamos nós no laboratório novamente, e nosso chefe está nos pedindo para determinar o pH de uma solução de ácido fraco, mas nossa sonda de pH está quebrada! O ácido é HF, a concentração é 0,010 M e o valor Ka para HF é 6,8 * 10 ^ -4.
Esta atribuição parece intimidante no início, mas devemos lembrar que o pH é apenas uma medida da concentração de íons hidrônio. Podemos encontrar o pH tomando o log negativo da concentração do íon hidrônio, usando a expressão pH = -log [H3O +].
Como no problema da prática anterior, podemos usar o que sabemos (valor Ka e concentração do ácido original) para descobrir a concentração do ácido conjugado (H3O +). Vamos começar escrevendo a equação de dissociação e a expressão Ka para o ácido.
HF + H2O <==> H3O + + F-
A expressão de Ka é Ka = [H3O +] [F-] / [HF].
As concentrações de H3O + e F- são as mesmas, então eu as substituo por x . Coloquei 6,8 * 10 ^ -4 para Ka e 0,010 M para HF, então resolvo para x .
6,8 * 10 ^ -4 = x ^ 2 / 0,010 M
x = 0,0026, então nossa concentração de íon hidrônio é igual a 0,0026 M. Para encontrar o pH, pego o logaritmo negativo disso.
pH = -log [0,0026]
pH = 2,6
Afinal, não precisávamos de uma sonda de pH.
Resumo da lição
Ácidos e bases fortes se dissociam bem (aproximadamente 100%) em soluções aquosas (ou à base de água). Ácidos e bases fracos não se dissociam bem (muito, muito menos que 100%) em soluções aquosas. A dissociação ácida geral em água é representada pela equação HA + H2O -> H3O + + A-. A dissociação geral de bases em água é representada pela equação B + H2O -> BH + + OH-.
Os valores Ka e Kb medem quão bem um ácido ou base se dissocia. Valores maiores de Ka ou Kb significam maior resistência. As expressões Ka gerais assumem a forma Ka = [H3O +] [A-] / [HA]. As expressões gerais de Kb assumem a forma Kb = [BH +] [OH-] / [B].
Ao usar expressões Ka ou Kb para resolver um desconhecido, certifique-se de escrever a equação de dissociação ou a expressão de dissociação primeiro. Use a expressão de dissociação para resolver o desconhecido, preenchendo a expressão com informações conhecidas.
Resultados de Aprendizagem
Após esta lição, você deve ser capaz de:
- Defina ácidos e bases fortes e fracos
- Explique o que medem os valores Ka e Kb
- Identifique as expressões gerais Ka e Kb
- Lembre-se de como usar expressões Ka e Kb para resolver um desconhecido