A dinâmica dos fluidos é um ramo da física que estuda o comportamento de fluidos., Manuais, Projetos, Pesquisas de Física

Baixe A dinâmica dos fluidos é um ramo da física que estuda o comportamento de fluidos. e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Física, somente na Docsity! 1 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. Unidade temática: 4 EQUILÍBRIO QUÍMICO PARTE II 4.3. Equilíbrio em solução aquosa 4.3.1. Propriedade ácido-base da água A água é um solvente único. Umas das suas propriedades especiais é a sua capacidade de actuar quer como ácido, quer como base. A água actua como base em reacções com ácidos, com HCl e CH3COOH, e actua como ácido em reacções com bases, como NH3. A água é um electrólito muito fraco e, portanto, um fraco condutor de electricidade, mas sofre ionização embora em menor grau: Esta reacção algumas vezes é chamada de autoionização da água. Para descrever as propriedades de autoionização da água na estrutura de Brosnted, exprimimos a sua autoionização como segue: Os pares ácido-base conjugados são (1) H2O (ácido) e OH- (base) e (2) H3O + (ácido) e H2O (base). 4.3.2. Produto iónico da água No estudo das reacções ácido-base, a concentração do ião hidrogénio é fundamental; o seu valor indica a acidez ou basicidade de uma solução. Uma vez que apenas uma pequena fracção de moléculas de água está ionizada, a concentração da água, [H2O], permanece praticamente inalterada. Portanto, a constante de equilíbrio para a autoionização da água, é: Uma vez que usamos H+ (aq) e H3O + (aq) indistintamente para representar o protão hidratado, a constante de equilíbrio também pode ser expressa como: 2 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. Para indicar que a constante de equilíbrio se refere à autoionização da água, substituímos Kc por Kw Onde Kw é a constante do produto iónico, que é o produto das concentrações molares dos iões H+ e OH- a uma dada temperatura. Em água pura a 25oC, as concentrações de H+ e OH- são iguais e têm os valores: [H+]= 1,0×10-7 M e [OH-]+]= 1,0×10-7 M. Assim Kw a 25oC é: Quer se trate de água pura ou de uma solução aquosa de uma espécie dissolvida, observa-se sempre a seguinte relação, a 25oC: Sempre que [H+]=[OH-], diz-se que a solução é neutra. Em uma solução ácida, há excesso de iões H+ e [H+] > [OH-]. Em uma solução básica, há excesso de iões hidroxilo, portanto, [H+] < [OH-]. Na prática, podemos mudar a concentração tanto dos iões H+ como de OH- em solução, mas não podemos mudar ambos independentemente. Se ajustarmos a solução de modo que [H+] = 1x10-6 M, a concentração de OH- tem de mudar para: 5 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. 6 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. 4.3.4. Força de ácidos e bases Ácidos fortes são electrólitos fortes que, para efeitos práticos, se consideram completamente ionizados em água. A maioria dos ácidos fortes são ácidos inorgânicos: ácido clorídrico (HCl), ácido nítrico (HNO3), ácido perclórico (HClO4) e ácido sulfúrico (H2SO4): Nota: O ácido sulfúrico (H2SO4) é um ácido diprótico; mostrou-se aqui apenas o primeiro passo da ionização. No equilíbrio, soluções de ácidos fortes não contêm moléculas de ácido não ionizadas. A maior parte dos ácidos são ácidos fracos que, em solução aquosa, estão parcialmente ionizados. No equilíbrio, as soluções aquosas de ácidos fracos contêm uma mistura de moléculas do ácido não ionizadas, H3O + e a base conjugada. Tal como os ácidos fortes, as bases fortes são electrólitos fortes que se ionizam completamente em água. Hidróxidos de metais alcalinos e de certos metais alcalino-terrosos são bases fortes. [Todos os hidróxidos de metais alcalinos são solúveis. Dos hidróxidos de metais alcalino-terrosos, Be(OH)2 e Mg(OH)2 são insolúveis; Ca(OH)2 e Sr(OH)2 são ligeiramente solúveis; e Ba(OH)2 é solúvel.] Alguns exemplos de bases fortes são: Estritamente, os hidróxidos destes metais não são bases de Bronsted porque não podem aceitar um protão. Contudo, o ião hidróxido (OH-) formado quando eles se ionizam é uma base de Bronsted porque pode aceitar um protão: 7 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. Assim, quando dizemos que NaOH ou qualquer outro hidróxido é uma base, estamos realmente nos referindo à espécie OH- derivada do hidróxido. As bases fracas, como os ácidos fracos, são electrólitos fracos. A amónia é uma base fraca que ioniza-se muito pouco em água: Repare que, ao contrário dos ácidos, NH3 não doa um protão à água. Em vez disso, NH3 comporta- se como uma base ao aceitar o protão da água para formar iões NH4 + e OH-. A tabela 15.2 apresenta uma lista de alguns pares ácido-base conjugados importantes por ordens das suas forças relativas. Os pares ácido-base conjugados têm as seguintes propriedades: 10 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. Onde Ka, a constante de ionização ácida, é a constante de equilíbrio para a ionização de um ácido. A uma dada temperatura, a força do ácido HA é medida quantitativamente pelo valor de Ka. Quanto maior for o valor de Ka, mais forte é o ácido – isto é, maior a concentração dos iões H+ no equilíbrio devido à sua ionização. Só aos ácidos fracos se associam valores de Ka. A tabela 15.3 apresenta uma lista de ácidos fracos e valores de Ka correspondentes a 25oC em ordem decrescente de força ácida. Embora todos estes ácidos sejam fracos, há uma grande variação de força ácida dentro do grupo. Por exemplo, o Ka do HF (7,1x10-4) é cerca de 1,5 milhão de vezes superior ao do HCN (4,9x10-10). Geralmente, podemos calcular a concentração do ião hidrogénio ou o pH de uma solução ácida em equilíbrio pela concentração inicial do ácido e pelo seu valor de Ka. Alternativamente, se soubermos o valor de pH de uma solução de um ácido fraco e a sua concentração inicial, conseguimos determinar o seu Ka. A abordagem básica para resolver estes problemas, que tratam de concentrações de equilíbrio. Contudo, uma vez que a ionização ácida representa uma das principais formas de equilíbrio em solução aquosa, vamos desenvolver um processo sistemático para resolver este tipo de problema que também nos ajudará a entender a química envolvida. Suponha que você tenha de calcular o pH de uma solução de HF 0,50 M a 25oC. A ionização de HF é dada por: O primeiro passo consiste em identificar todas as espécies presentes em solução que podem afectar o seu pH. Uma vez que os ácidos fracos se ionizam pouco, as espécies presentes em equilíbrio em maior quantidade são HF não ionizado e alguns H+ e F-. Outra espécie predominante é H2O, mas o valor muito baixo de Kw (1,0x10-14) significa que a água não constitui significativamente para a 11 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. concentração do ião H+. Portanto, a não ser que seja explicitamente dito, ignoraremos sempre os iões H+ produzidos pela autoionização da água. Note que não precisamos nos preocupar com iões OH- que também estão presentes em solução. A concentração de OH- pode ser determinada pela equação abaixo, depois de calcularmos [H+]. Resumimos as variações nas concentrações de HF, H+ e F-: As concentrações de HF, H+ e F- no equilíbrio, expressas em termos da incógnita x, são substituídas na expressão da constante de ionização para dar: Em resumo, as principais etapas para resolver problemas de ionização de ácidos fracos são: 12 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. 15 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. 4.3.6. Percentagem de ionização Vimos que o valor de Ka indica a força de um ácido. Outra medida da força de um ácido é a percentagem de ionização, definida como: Quando mais forte o ácido, maior a percentagem de ionização. Para um ácido monoprótico HA, a concentração do ácido que sofre ionização é igual à concentração de iões H+ ou à concentração de iões A- no equilíbrio. Portanto, escrevemos a percentagem de ionização como: 16 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. 4.3.7. Bases fracas e constante de ionização básica A ionização de bases fracas é tratada da mesma maneira que a ionização de ácidos fracos. Quando se dissolve amónia em água, ocorre a reacção: 17 Disciplina de Química Geral – 2023 Curso de Engenharia de Energias Renováveis Prof. Dr. Baltazar Sitoe MSc. Naresse Inguane, Eng. A constante de equilíbrio é dada por: Comparando com a concentração total de água, vemos que poucas moléculas de água são consumidas nesta reacção, portanto, podemos considerar [H2O] uma constante. Assim, escrevemos a constantes de ionização básica (Kb), que é a constante de equilíbrio para a reacção de ionização, como: A tabela 15.4 apresenta algumas bases fracas comuns e as suas constantes de ionização. Note que a basicidade de todos estes compostos é atribuída ao par de electrões isolados do átomo de nitrogénio. A capacidade deste para isolado aceitar o ião H+ torna estas substâncias bases de Bronsted. Exemplo: