Compreender o comportamento ácido-básico das espécies químicas em solução aquosa é de fundamental importância não somente para o entendimento do que ocorre em laboratórios, mas também diariamente ao nosso redor. Apenas como um dos exemplos tem-se o que ocorre no interior da boca e aparelho digestivo, onde essas espécies afetam o sabor, a qualidade e a digestão de nossa comida.
Abaixo são apresentados valores de constantes de ionização ácida (Ka) de espécies químicas em água, a 25^{\circ} \mathrm{C}.
Espécie química \mathbf{K}_{\mathbf{a}}
Ácido fluorídrico 7,0 \cdot 10^{-4}
Ácido etanoico 1,8 \cdot 10^{-5}
Fenol 1,3 \cdot 10^{-10}
Ácido carbônico 4,3 \cdot 10^{-7}
Metilamina 2,8 \cdot 10^{-11}
Ion amônio 5,6 \cdot 10^{-10}
Considerando os valores de constantes de ionização ácida das referidas espécies químicas, avalie as afirmativas como verdadeiras (V) ou falsas (F).
( ) O ácido etanoico apresenta o menor caráter ácido entre as espécies químicas listadas na tabela.
( ) O fenol apresenta caráter básico mais acentuado dentre as espécies químicas listadas na tabela.
( ) Uma solução de fenol em água apresenta maior caráter ácido do que uma solução de metilamina em água.
( ) O ácido fluorídrico é a espécie que apresenta maior caráter ácido entre as espécies listadas na tabela.
( ) Em relação ao comportamento básico, podemos afirmar que o íon amônio apresenta maior caráter que o ácido fluorídrico e menor do que a metilamina.
Assinale a alternativa que apresenta a ordem correta de cima para baixo.
a) F, V, F, V, V
b) F, V, F, V, F
c) F, F, V, F, V
d) V, F, V, F, V
e) F, F, V, V, V

Passo 1

O enunciado dá as constantes de ionização ácida ( K_a) das espécies, todas a 25^\circ\mathrm{C}. Vou listar os dados (exatos como fornecidos):
  • Ácido fluorídrico: K_a = 7{,}0\times10^{-4}.
  • Ácido etanoico: K_a = 1{,}8\times10^{-5}.
  • Fenol: K_a = 1{,}3\times10^{-10}.
  • Ácido carbônico: K_a = 4{,}3\times10^{-7}.
  • Metilamina: K_a = 2{,}8\times10^{-11}.
  • Íon amônio: K_a = 5{,}6\times10^{-10}.
O que é pedido: avaliar cada uma das cinco afirmativas como verdadeira (V) ou falsa (F), na ordem apresentada:
  1. O ácido etanoico apresenta o menor caráter ácido entre as espécies listadas.
  2. O fenol apresenta caráter básico mais acentuado dentre as espécies listadas.
  3. Uma solução de fenol em água apresenta maior caráter ácido do que uma solução de metilamina em água.
  4. O ácido fluorídrico é a espécie que apresenta maior caráter ácido entre as espécies listadas.
  5. Em relação ao comportamento básico, o íon amônio apresenta maior caráter que o ácido fluorídrico e menor do que a metilamina.

Passo 2

Noções essenciais (explicação didática e fórmulas que vamos usar).
  • Definição de constante de ionização ácida: para um ácido genérico \mathrm{HA} em água, a ionização é \mathrm{HA} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{A^-} e a constante é
K_a=\dfrac{[\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}.
Aqui, K_a quantifica a tendência do composto em doar um próton: quanto maior K_a, mais forte o ácido (mais se ioniza).
  • Relação entre força ácida e força básica: se duas espécies são conjugadas, a força da base conjugada está inversamente relacionada à força do ácido conjugado. Em termos de constantes,
K_a(\text{ácido})\cdot K_b(\text{base conjugada})=K_w,á
onde K_w é o produto iônico da água. A 25^\circ\mathrm{C}, K_w = 10^{-14}.
  • Consequência prática: entre espécies listadas, para avaliar “força ácida” comparo diretamente os valores de K_a. Para avaliar “caráter básico” de uma espécie (ou de sua forma que age como base), posso comparar K_b das bases conjugadas; mas é suficiente observar que quanto menor for K_a de uma espécie, menos ela age como ácido e, portanto, mais básico (ou mais propensa a atuar como base) ela é em relação às outras. Em resumo:
    • Maior K_a \Rightarrow mais ácido.
    • Menor K_a \Rightarrow menos ácido, portanto relativamente mais básico (quando comparável).
Vou usar essas ideias passo a passo para comparar as espécies.

Passo 3

Ordenando as espécies por força ácida (comparando diretamente os K_a; maior K_a = mais ácido).
Listo os K_a com notação uniforme:
  • \mathrm{HF}:\\ K_a = 7{,}0\times10^{-4}.
  • \mathrm{CH_3COOH}:\\ K_a = 1{,}8\times10^{-5}.
  • \mathrm{H_2CO_3}:\\ K_a = 4{,}3\times10^{-7}.
  • \mathrm{NH_4^+}:\\ K_a = 5{,}6\times10^{-10}.
  • Fenol: K_a = 1{,}3\times10^{-10}.
  • Metilamina: K_a = 2{,}8\times10^{-11}.
Agora comparo numericamente (do maior para o menor):
  1. \mathrm{HF} ( 7{,}0\times10^{-4} ) — o maior K_a.
  2. \mathrm{CH_3COOH} ( 1{,}8\times10^{-5} ).
  3. \mathrm{H_2CO_3} ( 4{,}3\times10^{-7} ).
  4. \mathrm{NH_4^+} ( 5{,}6\times10^{-10} ).
  5. Fenol ( 1{,}3\times10^{-10} ).
  6. Metilamina ( 2{,}8\times10^{-11} ) — o menor K_a.
Conclusões diretas dessa ordenação:
  • O maior caráter ácido é de \mathrm{HF}.
  • O menor caráter ácido (mais fraco como ácido) é a metilamina, porque tem o menor K_a.
  • Para caráter básico: espécies com K_a menores são menos ácidas e, portanto, mais básicas (ou têm base conjugada mais forte). Assim, metilamina (menor K_a) é a mais básica entre as listadas; fenol é bem menos básico que metilamina porque seu K_a é maior.

Passo 4

Se for útil, uma verificação numérica rápida usando K_b = K_w/K_a para comparar forças básicas (explico as contas de cabeça para prova sem calculadora):
  • Para a metilamina (a espécie listada com K_a = 2{,}8\times10^{-11}), a constante básica correspondente seria
K_b(\text{metilamina})=\dfrac{10^{-14}}{2{,}8\times10^{-11}}\approx 3{,}6\times10^{-4},
um valor tipicamente grande para uma base fraca (ou seja, metilamina é uma base relativamente forte entre as fracas).
  • Para o íon amônio ( K_a=5{,}6\times10^{-10}):
K_b(\text{espécie conjugada})=\dfrac{10^{-14}}{5{,}6\times10^{-10}}\approx 1{,}8\times10^{-5},é
bem menor que o K_b da metilamina, o que confirma que metilamina é mais básica que o íon amônio.
  • Para o fluoreto (base conjugada de HF), K_b\approx \dfrac{10^{-14}}{7{,}0\times10^{-4}}\approx 1{,}4\times10^{-11}, muito pequeno — ou seja, HF é um ácido relativamente forte entre estes, e sua base conjugada é muito fraca.
Essas contas reforçam a ordem de basicidade deduzida antes: metilamina > íon amônio > fenol (considerando suas formas que atuam como bases / comparando a partir dos K_a).

Passo 5

Avaliação das afirmativas uma a uma, com justificativa curta e direta.
  1. “O ácido etanoico apresenta o menor caráter ácido entre as espécies químicas listadas na tabela.”
    Justificativa: K_a(\text{etanoico})=1{,}8\times10^{-5}, porém existem espécies com K_a menores (por exemplo metilamina 2{,}8\times10^{-11}, fenol 1{,}3\times10^{-10} etc.). Portanto a afirmação é falsa. (Resposta: F)
  2. “O fenol apresenta caráter básico mais acentuado dentre as espécies químicas listadas na tabela.”
    Justificativa: fenol tem K_a=1{,}3\times10^{-10}, mas metilamina tem K_a=2{,}8\times10^{-11} (menor), o que indica que a metilamina é mais básica que o fenol. Logo a afirmação é falsa. (Resposta: F)
  3. “Uma solução de fenol em água apresenta maior caráter ácido do que uma solução de metilamina em água.”
    Justificativa: comparar K_a: fenol 1{,}3\times10^{-10} é maior que metilamina 2{,}8\times10^{-11}, logo fenol é mais ácido que metilamina. Afirmativa verdadeira. (Resposta: V)
  4. “O ácido fluorídrico é a espécie que apresenta maior caráter ácido entre as espécies listadas na tabela.”
    Justificativa: o maior K_a da lista é 7{,}0\times10^{-4} (HF). Logo é verdadeiro. (Resposta: V)
  5. “Em relação ao comportamento básico, podemos afirmar que o íon amônio apresenta maior caráter que o ácido fluorídrico e menor do que a metilamina.”
    Justificativa: em termos de basicidade, quanto menor K_a mais básico. Temos K_a(\mathrm{NH_4^+})=5{,}6\times10^{-10}, K_a(\mathrm{HF})=7{,}0\times10^{-4} e K_a(\text{metilamina})=2{,}8\times10^{-11}. Assim, \mathrm{NH_4^+} é muito menos ácido que HF (portanto mais básico que HF) e é mais ácido (menos básico) que a metilamina. Logo a afirmação é verdadeira. (Resposta: V)

Passo 6

Colocando as respostas na ordem de cima para baixo das afirmativas:
1 → F
2 → F
3 → V
4 → V
5 → V
Isso corresponde à alternativa correta.

Resposta

e) F, F, V, V, V

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