Considerando o ácido sulfúrico como solvente, explique porque o ácido acético é uma base e o ácido perclórico é um ácido.

Passo 1

Enunciado: Considerando o ácido sulfúrico como solvente, explicar por que o ácido acético é uma base e o ácido perclórico é um ácido.
Informações dadas (dados do enunciado):
  • O solvente é \mathrm{H_2SO_4} (ácido sulfúrico).
  • As espécies a analisar são \mathrm{CH_3COOH} (ácido acético) e \mathrm{HClO_4} (ácido perclórico).

Passo 2

Conceito-chave que vamos usar (explicação didática): definição de ácido e base dependente do solvente.
  • Em química de solventes não aquosos usamos a definição de Brønsted relativa ao solvente: uma substância é um ácido no dado solvente se ela doa um próton para o solvente; é uma base se ela aceita um próton do solvente. Vou ilustrar isso com a reação de autoprotólise do solvente porque é ela que fornece as espécies prótonantes e aceitadoras no meio.
  • Autoprotólise do ácido sulfúrico (reação que cria o doador e o aceitador de prótons no próprio solvente):
2\,\mathrm{H_2SO_4} \rightleftharpoons \mathrm{H_3SO_4^+} + \mathrm{HSO_4^-}.
Aqui \mathrm{H_3SO_4^+} é a espécie que funciona como "fonte de \mathrm{H^+}" no solvente e \mathrm{HSO_4^-} é a base conjugada do solvente.

Passo 3

Critério prático para classificar as substâncias no solvente:
  • Se uma substância X reage cedendo próton para \mathrm{H_2SO_4} (ou protonando \mathrm{H_2SO_4} formando \mathrm{H_3SO_4^+}), então X é um ácido no solvente.
  • Se X reage aceitando próton proveniente de \mathrm{H_2SO_4} (ou de \mathrm{H_3SO_4^+}), então X é uma base no solvente.
Em outras palavras, comparamos a força ácida relativa de X com a de \mathrm{H_2SO_4}: se X é mais ácido que \mathrm{H_2SO_4}, ele doa próton ao solvente (é ácido); se é menos ácido, tende a aceitar próton do solvente (é base).

Passo 4

Aplicando o critério ao ácido acético \mathrm{CH_3COOH}.
  • Informação útil: em água o \mathrm{p}K_a do ácido acético é aproximadamente
\mathrm{p}K_a(\mathrm{CH_3COOH}) \approx 4{,}76,
enquanto que o \mathrm{p}K_a da primeira dissociação do ácido sulfúrico é aproximadamente
\mathrm{p}K_a(\mathrm{H_2SO_4}) \approx -3.
Esses números mostram que \mathrm{H_2SO_4} é muito mais ácido que \mathrm{CH_3COOH}.
  • Consequência prática: no meio de \mathrm{H_2SO_4} o solvente é um doador de prótons muito mais forte do que o próprio \mathrm{CH_3COOH}. Logo \mathrm{CH_3COOH} tende a aceitar um próton do solvente em vez de doá-lo. A reação dominante é a protonação do oxigénio carbonílico do ácido acético:
\mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{H_2SO_4} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3COOH_2^+} + \mathrm{HSO_4^-}.
  • Explicação do porquê isso acontece (física-química simples): \mathrm{CH_3COOH} tem um par de elétrons no oxigénio carbonílico que pode coordenar um próton e formar a espécie protonada \mathrm{CH_3COOH_2^+}. Como \mathrm{H_2SO_4} é um ácido muito mais forte, a transferência de próton do solvente para \mathrm{CH_3COOH} é termodinamicamente favorável. Assim, no meio \mathrm{H_2SO_4}, \mathrm{CH_3COOH} se comporta como base (aceitadora de próton).

Passo 5

Aplicando o critério ao ácido perclórico \mathrm{HClO_4}.
  • Informação química importante: \mathrm{HClO_4} é um ácido extremamente forte; seu conjugado base \mathrm{ClO_4^-} é muito estável por delocalização de carga (ressonância sobre quatro oxigênios) e forte efeito indutivo do cloro altamente oxigenado. Em água o \mathrm{p}K_a efetivo de \mathrm{HClO_4} é muito negativo (muito mais ácido que \mathrm{H_2SO_4}) — a ordem de grandeza é algo como
\mathrm{p}K_a(\mathrm{HClO_4}) \ll \mathrm{p}K_a(\mathrm{H_2SO_4}).
  • Consequência prática: por ser mais ácido que o solvente, \mathrm{HClO_4} doa próton ao \mathrm{H_2SO_4} (ou protona o solvente), gerando o cátion protonado do solvente \mathrm{H_3SO_4^+} e o ânion \mathrm{ClO_4^-}:
\mathrm{HClO_4} + \mathrm{H_2SO_4} \rightleftharpoons \mathrm{ClO_4^-} + \mathrm{H_3SO_4^+}.
  • Explicação do porquê isso acontece: a capacidade de uma espécie ceder próton depende da estabilidade de sua base conjugada. Em \mathrm{HClO_4} a base conjugada \mathrm{ClO_4^-} é muito estabilizada (ressonância e efeito eletronegativo dos oxigênios), então ceder o próton é favorecido. Por isso \mathrm{HClO_4} atua como ácido mesmo quando dissolvido em \mathrm{H_2SO_4}.

Passo 6

Resumo didático e dica prática para a prova (forma simples de lembrar):
  • Regra curta: no solvente ácido sulfúrico compare qual molécula é mais ácida. A que for menos ácida que \mathrm{H_2SO_4} aceita próton e se comporta como base; a que for mais ácida doa próton e se comporta como ácido.
  • Aplicando: \mathrm{CH_3COOH} é muito menos ácido que \mathrm{H_2SO_4} → é protonada → age como base. \mathrm{HClO_4} é mais ácido que \mathrm{H_2SO_4} → doa próton ao solvente → age como ácido.

Resposta

\mathrm{CH_3COOH} é uma base em \mathrm{H_2SO_4} porque é muito menos ácido que o solvente e, portanto, é protonado pelo ácido sulfúrico formando \mathrm{CH_3COOH_2^+}.
\mathrm{HClO_4} é um ácido em \mathrm{H_2SO_4} porque é mais ácido que o solvente; ele doa próton ao \mathrm{H_2SO_4} (gerando \mathrm{H_3SO_4^+}) e forma o ânion estável \mathrm{ClO_4^-}.

Exercícios relacionados