Explique por que o \mathrm{H}_{3} \mathrm{BO}_{3} é, apesar de sua fórmula molecular, um ácido somente monoprótico.

Passo 1

O enunciado pede que eu explique por que o composto \mathrm{H_{3}BO_{3}} é, apesar de ter três hidrogênios na fórmula, um ácido somente monoprótico.
Informações relevantes dadas ou implícitas:
  • A fórmula molecular é \mathrm{H_{3}BO_{3}}.
  • Em química condensada costuma-se escrever essa molécula como \mathrm{B(OH)_{3}}.
  • 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 ( \mathrm{H^{+}}).
  • 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 \mathrm{B(OH)_{3}}.

Passo 3

Estrutura eletrônica e geométrica de \mathrm{B(OH)_{3}} (passo crux):
  • A fórmula escrita como \mathrm{B(OH)_{3}} 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):
\mathrm{B(OH)_{3} + H_{2}O \rightleftharpoons B(OH)_{4}^{-} + H^{+}}
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 \mathrm{B(OH)_{4}^{-}}.
  • Quando a água doa o par, a transformação deixa a água com menor estabilidade eletrônica em um dos seus hidrogênios, que é liberado como \mathrm{H^{+}}. 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: \mathrm{B(OH)_{3}} age como ácido de Lewis (aceita um par de elétrons), e a geração de \mathrm{H^{+}} 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 \mathrm{B(OH)_{3}} pode se transformar em exatamente um íon \mathrm{B(OH)_{4}^{-}}, liberando um próton. Isso dá, na prática, uma equivalência ácida de 1 (monoprótico).
  • Depois que \mathrm{B(OH)_{4}^{-}} 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 \mathrm{H^{+}} por molécula de \mathrm{B(OH)_{3}}.

Passo 6

Comparação útil para fixar a ideia (analogia didática):
  • Compare com \mathrm{H_{3}PO_{4}} (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 \mathrm{H^{+}} em etapas distintas.
  • Em \mathrm{B(OH)_{3}} não há essa estabilização por dupla ligação \mathrm{B=O} e, além disso, o que determina a acidez é a capacidade do boro de aceitar um par e formar \mathrm{B(OH)_{4}^{-}}, processo que fornece apenas um próton equivalente por molécula.

Passo 7

Dados quantitativos e confirmação prática:
  • O valor de \mathrm{p}K_\mathrm{a} de \mathrm{H_{3}BO_{3}} é aproximadamente \mathrm{p}K_\mathrm{a}\!\approx\!9{,}2, 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 \mathrm{B(OH)_{4}^{-}}.

Passo 8

Resumo conceitual (para você lembrar na prova):
  • Apesar de ter três hidrogênios na fórmula, esses hidrogênios fazem parte de grupos \mathrm{-OH} ligados a um boro que é um aceitador de par eletrônico. A acidez observada vem da capacidade do boro de ligar um grupo \mathrm{OH^{-}} (ou aceitar um par de uma molécula de água) e não da doação direta de cada um dos três hidrogênios. O processo forma \mathrm{B(OH)_{4}^{-}} e libera apenas um próton por molécula, logo o ácido se comporta como monoprótico.

Resposta

Porque \mathrm{H_{3}BO_{3}} (escrito como \mathrm{B(OH)_{3}}) não doa diretamente três prótons; ele age como ácido de Lewis: coordena uma molécula de água formando \mathrm{B(OH)_{4}^{-}} e, como consequência desse equilíbrio
\mathrm{B(OH)_{3} + H_{2}O \rightleftharpoons B(OH)_{4}^{-} + H^{+}},
libera apenas um próton por molécula, daí ser efetivamente monoprótico.

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