Explique por que o
é, apesar de sua fórmula molecular, um ácido somente monoprótico.
Passo 1
O enunciado pede que eu explique por que o composto
é, apesar de ter três hidrogênios na fórmula, um ácido somente monoprótico.
Informações relevantes dadas ou implícitas:
Informações relevantes dadas ou implícitas:
- A fórmula molecular é
. - Em química condensada costuma-se escrever essa molécula como
. - A pergunta quer entender o mecanismo/razão química — não só um número — de por que só sai um próton equivalente em água.
Passo 2
Definições básicas e conceito que vamos usar (explicado devagar como numa aulinha):
- Um ácido, no sentido de Brønsted–Lowry, é uma espécie que doa um próton (
). - Um ácido de Lewis é uma espécie que aceita um par de elétrons.
Nem todo ácido que tem hidrogênios doa esses hidrogênios diretamente; às vezes a acidez aparece por outro mecanismo. Vou mostrar que isso acontece com.
Passo 3
Estrutura eletrônica e geométrica de
(passo crux):
- A fórmula escrita como
mostra que há três grupos hidroxila ligados ao boro. - O boro tem apenas três elétrons de valência e, na molécula, fica em geometria trigonal plana (sp2) com um orbital p vazio. Em notação curta: o átomo de B é deficiente em elétrons e tem um orbital vazio capaz de aceitar um par eletrônico.
- Consequência prática: o boro é um aceitador de pares (característica de ácido de Lewis) mais do que um doador direto de prótons.
Passo 4
Reação que explica a acidez observada em água (a equação essencial):
Explicação passo a passo desse equilíbrio:
- Uma molécula de água doa um par de elétrons ao boro (isto é, o oxigênio da água coordena-se ao B), formando o íon tetraédrico
. - Quando a água doa o par, a transformação deixa a água com menor estabilidade eletrônica em um dos seus hidrogênios, que é liberado como
. Assim o próton produzido não sai diretamente de uma das hidroxilas do borato original; ele é “liberado” porque a água atuou no processo. - Em termos de ácido/ base:
age como ácido de Lewis (aceita um par de elétrons), e a geração de é consequência dessa coordenação.
Passo 5
Por que só sai um próton por molécula (ou seja, por que é monoprótico):
- A equação acima mostra que cada molécula de
pode se transformar em exatamente um íon , liberando um próton. Isso dá, na prática, uma equivalência ácida de 1 (monoprótico). - Depois que
é formado, o boro já está saturado (tetracoordenado) e a espécie resultante tem carga negativa distribuída; desprotonar adicionalmente uma hidroxila nessa espécie exigiria formar cargas adicionais muito desfavoráveis e quebrar a estabilidade do tetraedro. Portanto desprotonações sucessivas são termodinamicamente desfavorecidas nas condições comuns. - Em outras palavras: existe apenas um processo favorável energeticamente que produz
por molécula de .
Passo 6
Comparação útil para fixar a ideia (analogia didática):
- Compare com
(ácido fosfórico), que é triprótico porque o fósforo tem ligações P=O que estabilizam as cargas em desprotonações sucessivas e cada OH ligado ao P pode ceder em etapas distintas. - Em
não há essa estabilização por dupla ligação e, além disso, o que determina a acidez é a capacidade do boro de aceitar um par e formar , processo que fornece apenas um próton equivalente por molécula.
Passo 7
Dados quantitativos e confirmação prática:
- O valor de
de é aproximadamente , indicando que é um ácido fraco e que o equilíbrio mostrado no passo 4 é deslocado para a esquerda em água neutra. - Não se observam etapas bem definidas de segunda e terceira desprotonação como em ácidos polipróticos clássicos; experimentalmente, a principal transformação é a formação de
.
Passo 8
Resumo conceitual (para você lembrar na prova):
- Apesar de ter três hidrogênios na fórmula, esses hidrogênios fazem parte de grupos
ligados a um boro que é um aceitador de par eletrônico. A acidez observada vem da capacidade do boro de ligar um grupo (ou aceitar um par de uma molécula de água) e não da doação direta de cada um dos três hidrogênios. O processo forma e libera apenas um próton por molécula, logo o ácido se comporta como monoprótico.
Resposta
Porque
(escrito como
) não doa diretamente três prótons; ele age como ácido de Lewis: coordena uma molécula de água formando
e, como consequência desse equilíbrio
libera apenas um próton por molécula, daí ser efetivamente monoprótico.