Concentrações de ácidos e bases

Um ácido de Arrhenius é uma substância que produz íons de hidrogênio quando se dissolve em água, enquanto uma base produz íons de hidróxido. Os íons de hidrogênio reagem imediatamente com a água para formar íons de hidrônio, mas, para simplificar, continuaremos pensando neles como íons de hidrogênio. Dependendo da quantidade de íons de hidrogênio ou íons hidróxido na solução, é considerado ácido ou básico.

Medimos a quantidade de acidez ou basicidade usando o pH, que é calculado como o log negativo da concentração de íons de hidrogênio. Portanto, os valores de pH abaixo de 7 são ácidos e os valores de pH acima de 7 são básicos. O pH 7 é neutro.

Ácidos e bases também são comparados com base em sua força, que é diferente de seu pH. A força de um ácido está relacionada à facilidade com que o íon hidrogênio se dissocia do ânion, chamado de base conjugada. A mesma ideia segue para uma base em referência ao íon hidróxido e seu ácido conjugado. Podemos atribuir um valor a essa força usando a constante de dissociação ácida, ou K_a.

K_a é definido usando as concentrações do ácido não dissociado e dos íons de hidrogênio dissociados e base conjugada. Muitas vezes você pode ver essa relação representada como pK_a, que é simplesmente o log negativo do K_a. Quanto menor o pK_a, mais forte é o ácido.

Alguns ácidos, como o ácido clorídrico, são monopróticos, o que significa que podem dissociar apenas um íon de hidrogênio. Os ácidos polipróticos, como o ácido fosfórico, podem dissociar vários íons de hidrogênio. Cada dissociação tem seu próprio pK_a.

Então, como podemos determinar pK_a? Uma maneira é realizar uma titulação ácido-base. A titulação é realizada adicionando lentamente uma solução de concentração conhecida a uma solução de concentração desconhecida enquanto observa a reação entre elas. Nesse caso, o ácido reage com a base em uma reação de neutralização para formar um sal e água.

Portanto, se quisermos medir a concentração de íons de hidrogênio em um ácido, podemos simplesmente titular com uma base forte com uma concentração conhecida de íons hidróxido até que o ácido seja neutralizado. Para realizar uma titulação com precisão, a base precisa ser padronizada - o que significa que você sabe a concentração exata de íons hidróxido. Isso nem sempre é simples.

Por exemplo, o NaOH, que você usará em seu experimento, é muito higroscópico, o que significa que absorve água da atmosfera. Isso acontece com o NaOH tanto como sólido quanto em solução. Portanto, a verdadeira concentração de uma solução de NaOH pode ser menor do que você esperaria.

Para determinar a concentração exata de NaOH, devemos primeiro realizar uma titulação ácido-base. Para fazer isso, você deve usar a base para titular um ácido com uma concentração conhecida. O hidrogenoftalato de potássio, KHP, é um ácido não higroscópico, portanto, podemos calcular com precisão sua concentração a partir de sua massa.

Podemos ver quando a titulação está completa - o que significa que o ácido é neutralizado - usando um indicador de pH como a fenolftaleína. A fenolftaleína é neutra e incolor entre cerca de pH 0 e pH 8.

À medida que o pH aumenta, dois íons de hidrogênio se dissociam. Esta forma aniônica é rosa. Então, quando começamos a titulação, a solução de KHP é ácida e a fenolftaleína é incolor. À medida que adicionamos NaOH e os íons de hidrogênio são neutralizados, o pH aumenta.

Nesta reação, a solução é neutra quando quantidades iguais de ácido e base foram misturadas. Depois disso, a adição de um pouco mais de NaOH torna o pH básico e a solução fica rosada. Isso é chamado de endpoint. Se soubermos os moles de KHP e o volume de NaOH usado para neutralizá-lo, podemos calcular a concentração exata da base.

Uma vez que tenhamos uma base padronizada, podemos determinar o pK_a de um ácido titulando uma concentração conhecida do ácido com nossa base padronizada enquanto monitoramos o pH. O gráfico de pH versus o volume de base adicionado é chamado de curva de titulação. A curva geralmente segue uma forma S ou sigmoidal, onde o ponto de inflexão da parte mais íngreme da curva denota um ponto de equivalência.

Aqui, os moles de íons hidróxido e íons de hidrogênio dissociados são iguais. Como pK_a, veremos um ponto de equivalência para cada íon de hidrogênio dissociado. Assim, um ácido monoprótico tem apenas um ponto de equivalência e um ácido triprótico tem três.

Quando realizarmos a titulação, saberemos que passamos do ponto de equivalência quando o indicador de pH mal muda de incolor para rosa. Isso é chamado de ponto final de titulação. Como quando padronizamos a base, é quando a solução tem um pequeno excesso de íons hidróxido e, portanto, é um pouco básica.

Outro ponto de inflexão no gráfico ocorre a meio caminho do ponto de equivalência. Aqui, as concentrações dos ácidos dissociados e não dissociados são iguais. Assim, o pH neste ponto é igual ao pK_a. Então, se realizarmos uma titulação e determinarmos o volume do ponto de equivalência, podemos calcular pK_a como o pH na metade desse volume.

Neste laboratório, você primeiro padronizará sua base e, em seguida, realizará uma titulação usando essa base padronizada para determinar dois pK_a de um ácido poliprótico.