Vogel: Análise Química Quantitativa

J Mendham · Capítulo 24 de 495

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Vogel: Análise Química Quantitativa

2.6 Dissociação eletrolítica

A Tabela 2.1 mostra a variação de Kw com a temperatura.

 

Tabela 2.1 Produto iônico da água em várias temperaturas

 

Temp. (°C) K –14 –14 /10 Temp. (°C) /10 w K w

 

0 0,12 35 2,09

 

5 0,19 40 2,92

 

10 0,29 45 4,02

 

15 0,45 50 5,47

 

20 0,68 55 7,30

 

25 1,01 60 9,61

 

30 1,47

 

2.6 Dissociação eletrolítica

 

2.6.1 Introdução

 

As soluções de muitos dos sais de “ácidos fortes” (ácidos clorídrico, nítrico

e sulfúrico) e “bases fortes” (hidróxido de sódio e hidróxido de potássio)

em água são boas condutoras de eletricidade, ao contrário da água pura que

é má condutora. Esses solutos são chamados de eletrólitos. Outros solutos,

como o etano-1,2-diol (etilenoglicol), substância usada como anticongelante, produzem soluções que, como a água, são más condutoras.

Esses solutos são chamados de não-eletrólitos. A maior parte das reações da

química analítica ocorre em soluções que envolvem eletrólitos em água e,

por isso, é necessário considerá-las mais cuidadosamente.

 

Sais

 

As estruturas cristalinas de numerosos sais têm sido estudadas por raios-X e

outros métodos. Esses sais são compostos por átomos ou grupos de átomos

com carga, que são mantidos juntos em uma rede cristalina e são chamados

de compostos iônicos. Quando essas substâncias são dissolvidas em um

solvente de alta constante dielétrica, como a água, ou são aquecidos até a

fusão, as forças que atuam no cristal se enfraquecem e as substâncias se

dissociam, liberando as partículas com carga, ou íons, preexistentes. Isso

faz com que as soluções resultantes sejam boas condutoras de eletricidade.

Esses sais em solução são chamados de eletrólitos fortes. Outros sais,

como os cianetos, os tiocianatos, os halogenetos de mercúrio e de cádmio, e

o acetato de chumbo, dão soluções que têm condutância elétrica

significativa, mas muito menor do que a condutância observada no caso dos

eletrólitos fortes nas mesmas concentrações. Solutos que têm este

comportamento são chamados de eletrólitos fracos. Eles são, geralmente,

compostos covalentes que se ionizam parcialmente em água:

 

BA + – B + A

 

Ácidos e bases

 

Um ácido pode ser definido como uma substância que, dissolvida em água,

se dissocia com produção de íons hidrogênio:

 

HCl → H + – + Cl

Na verdade, em água, o íon hidrogênio (ou próton), H+, não existe livre em

solução. Cada íon hidrogênio combina-se com uma molécula de água para

formar o íon hidrônio, H + O. O íon hidrônio é um próton hidratado, e as

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reações são escritas mais acuradamente como

 

HCl + H + – O → H O + Cl

2 3

 

A ionização pode ser atribuída à grande tendência que tem o íon hidrogênio,

H +, em se combinar com moléculas de água para formar íons hidrônio. O

ácido clorídrico e o ácido nítrico se dissociam quase completamente em

água, de acordo com estas equações. Isso pode ser demonstrado por

medidas do ponto de cristalização e por outros métodos.

 

Ácidos polipróticos

 

Os ácidos polipróticos ionizam-se em etapas. No caso do ácido sulfúrico,

um átomo de hidrogênio se ioniza quase completamente:

 

O segundo átomo de hidrogênio só se ioniza parcialmente, exceto em

soluções muito diluídas:

 

O ácido fosfórico(V) também se ioniza em etapas:

 

Os estágios sucessivos de ionização são conhecidos pelos nomes de

ionização primária, ionização secundária e ionização terciária. Eles não ocorrem na mesma extensão. A ionização primária é sempre mais

importante do que a secundária e esta, muito mais importante do que a

terciária.

Ácidos como o ácido acético (CH3COOH) em água provocam uma

depressão quase normal no ponto de congelamento da solução. Isso

significa que a dissociação é pequena. É usual, portanto, distinguir os

ácidos que são completa ou quase completamente ionizados dos ácidos

pouco ionizados. Os primeiros são chamados de ácidos fortes (por

exemplo, os ácidos clorídrico, bromídrico, iodídrico, iódico(V), nítrico e

perclórico [clórico(VII)], bem como a primeira ionização do ácido

sulfúrico) e os outros são chamados de ácidos fracos (por exemplo, os

ácidos nitroso, acético, carbônico, bórico, fosforoso [fosfórico(III)],

fosfórico(V), cianídrico e sulfídrico). Não existe, porém, uma divisão clara

entre as duas classes.

As bases foram originalmente definidas como substâncias que,

dissolvidas em água, dissociam-se com formação de íons hidróxido OH –.

Assim, o hidróxido de sódio, o hidróxido de potássio e os hidróxidos de

certos metais divalentes estão completamente dissociados em água:

 

NaOH → Na+ – + OH

Ba(OH) 2+ – → Ba + 2OH

2

 

Estas são bases fortes. Uma solução de amônia em água, porém, é uma base

fraca. No caso das bases fracas, apenas uma pequena fração de íons

hidróxido é produzida em solução.

 

2.6.2 A teoria de Brønsted-Lowry para ácidos e bases

 

Os conceitos simples dados nos parágrafos precedentes são suficientes para

muitas das exigências da análise quantitativa inorgânica em água. É preciso,

entretanto, conhecer um pouco da teoria geral dos ácidos e bases, proposta

independentemente por J. N. Brønsted e T. M. Lowry em 1923, porque ela se aplica a todos os solventes. De acordo com essa teoria, os ácidos são

espécies que têm tendência a perder um próton e as bases são espécies que

têm tendência a receber um próton. Estes conceitos podem ser

representados por:

 

Deve-se enfatizar que o símbolo H+ representa o próton isolado e não o “íon

hidrogênio”, de natureza diversa, que existe em solventes diferentes (

etc.) e que, portanto, a definição de

ácido é independente do solvente. A reação [2.1] corresponde a um

esquema hipotético para a definição de A e B, não uma reação que possa

eventualmente ocorrer. Os ácidos não precisam ser necessariamente

moléculas neutras (como HCl, H 2SO4, CH3CO2H). Eles podem ser também ânions (como ) ou cátions (como

). O mesmo vale para as bases, sendo as três

classes representadas por (NH3, C6H5NH2, H2O), (

) e Fe(H 2+ O) (OH). Como o próton livre

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não pode existir em solução em concentrações razoáveis, a reação não

ocorre a não ser que se adicione uma base que aceite o próton. Combinando

as equações A + + = B + H e B + H = A , temos

1 1 2 2

 

A 1–B1 e A2–B2 são chamados de “pares de ácido e base conjugados”. Esta é a expressão mais importante para as reações que envolvem ácidos e bases

porque ela representa a transferência de um próton de A1 para B2 ou de A2

para B1. Quanto mais forte for o ácido A1 e mais fraco o ácido A2, mais completa será a reação [2.2]. O ácido mais forte perde seu próton mais

rapidamente do que um ácido fraco. A base mais forte aceita um próton

mais prontamente do que uma base fraca. É evidente, portanto, que a base

(ou ácido) conjugada(o) com um ácido (ou base) forte é sempre fraca(o), enquanto a base (ou ácido) conjugada(o) com um ácido (ou base) fraco(a) é

sempre forte.

Em água, um ácido de Brønsted-Lowry, A,

 

A + H + 0 H 0 + B

2 3

 

será forte se o equilíbrio aqui demonstrado estiver virtualmente completo

para a direita, isto é, [A] é praticamente zero. Uma base forte será aquela

em que [B], a concentração no equilíbrio de uma base que não seja o íon

hidróxido, é quase zero.

Os ácidos podem então ser dispostos em séries, de acordo com sua

tendência relativa de combinação com uma base. Nos casos de interesse da

química analítica quantitativa, as soluções são geralmente feitas com água,

que é a base de referência:

 

Esse processo é essencialmente completo para todos os ácidos “fortes”

típicos (isto é, os ácidos altamente ionizados), tais como HCl, HBr, HI,

HNO3 e HClO4. Ao contrário, no caso dos ácidos “fracos” típicos (isto é, os ácidos fracamente ionizados), tais como o ácido acético ou o ácido

propanóico, a reação se desloca pouco para a direita na equação:

 

Em água, o ácido forte típico é o próton hidratado H + O, e o papel da base

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conjugada é pouco importante se ela é suficientemente fraca, como no caso

de . As bases conjugadas têm forças que variam

inversamente às forças dos ácidos respectivos. Pode-se mostrar facilmente

que a constante de ionização básica da base conjugada KB, conj. é igual a

Kw/KA, conj, em que Kw é o produto iônico da água.

A reação [2.2] inclui reações antigamente descritas por uma variedade de

nomes, como dissociação, neutralização, hidrólise e tamponamento (veja a seguir). Um par ácido–base pode envolver o solvente (em água, H + O–H O

3 2

ou H – + – O–OH ), o que mostra que íons como H O e OH são apenas

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exemplos particulares de uma extensa classe de ácidos e bases, ainda que

eles ocupem um lugar particularmente importante. Isso significa que as

propriedades de um ácido ou de uma base são influenciadas fortemente pela

natureza do solvente utilizado.

Uma outra definição de ácidos e bases foi dada por G. N. Lewis (1938).

Sob o ponto de vista experimental, segundo Lewis, todas as substâncias que

exibem comportamento “típico” de um par ácido–base (isto é,

neutralização, substituição, efeito sobre indicadores, catálise),

independentemente de sua natureza química e modo de ação, são ácidos ou

bases. Lewis relacionou as propriedades de ácidos com a aceitação de pares

de elétrons e as propriedades de bases com a doação de pares de elétrons,

com formação de ligações covalentes, mesmo quando prótons não estão

envolvidos. A definição de Lewis relaciona uma grande variedade de

fenómenos qualitativos. Assim, soluções de BF3, BCl3, AlCl3 ou SO2 em um solvente inerte provocam alterações de cor em indicadores que são

semelhantes às produzidas por ácido clorídrico. Estas alterações podem ser

revertidas pelo uso de bases, o que permite fazer titulações. Compostos

semelhantes a BF 3 são usualmente denominados ácidos de Lewis ou aceptores de elétrons. As bases de Lewis (amônia, piridina) são

virtualmente idênticas às bases de Brønsted-Lowry. A grande desvantagem

da definição de Lewis é que, ao contrário do que ocorre com as reações de

transferência de prótons, um tratamento quantitativo geral não é possível.

As implicações da teoria da dissociação completa de eletrólitos fortes em

água foram examinadas por Debye, Hückel e Onsager. Eles conseguiram

explicar quantitativamente o aumento da condutividade molar dos

eletrólitos fortes que produzem íons de carga unitária com a diminuição da

concentração de soluto na faixa de concentração entre 0 e 0,002 M. Para

mais detalhes, consulte um livro de físico-química.[1]

É importante perceber que, embora ocorra dissociação completa no caso

de eletrólitos fortes dissolvidos em água, isso não significa que as

concentrações efetivas dos íons sejam iguais a suas concentrações molares em uma solução do eletrólito. Se isso acontecesse, não poderíamos explicar