Questão 2) Uma estudante de QuiA14 dissolveu uma pequena quantidade de
(sulfato de cobre penta hidratado) em água. Em seguida, adicionou, lentamente e com agitação, solução diluída de amônia. A estudante observou que formou um sólido e transferiu parte do sólido para um tubo de ensaio e adicionou amônia concentrada até consumo de todo sólido. A solução inicial de
é azul clara. Com excesso de
uma solução azul escura é obtida. Com base nos fatos experimentais, responda.
a) Use o modelo de ligação mais adequado para explicar: A amônia é uma base de Lewis frente ao
.
b) Use o modelo de ligação mais adequado para explicar: frente à
, a amônia é uma base de Bronsted.
c) O que você pode concluir quanto às forças relativas da amônia e da água como bases de Lewis frente ao
? Por quê? (use dados termodinâmicos para fundamentar a resposta).
d) Use seus conhecimentos sobre a química da formação de complexos para escrever a formulação dos compostos formados, cuja cor da solução é azul clara e azul escura. O sólido formado, refere-se a uma substância aniônica, catiônica ou neutra?
a) Use o modelo de ligação mais adequado para explicar: A amônia é uma base de Lewis frente ao
b) Use o modelo de ligação mais adequado para explicar: frente à
c) O que você pode concluir quanto às forças relativas da amônia e da água como bases de Lewis frente ao
d) Use seus conhecimentos sobre a química da formação de complexos para escrever a formulação dos compostos formados, cuja cor da solução é azul clara e azul escura. O sólido formado, refere-se a uma substância aniônica, catiônica ou neutra?
Passo 1
Vou listar claramente o que o enunciado nos dá e o que é pedido (não vou resolver nada ainda, só organizar a informação).
- Dados experimentais (retirei do enunciado):
- A estudante dissolveu
em água; a solução inicial contém de cor azul clara. - Ao adicionar lentamente solução diluída de
com agitação formou-se um sólido (precipitado). - Parte desse sólido foi levada a um tubo e aí adicionou-se
concentrada até o sólido desaparecer e a solução ficar azul escura (cor característica de complexos amínicos de cobre).
- A estudante dissolveu
- Observações importantes extraídas do enunciado:
- Cor inicial (azul claro) → espécie aquo do
. - Formação de sólido ao adicionar
diluída → reação ácido–base (formação de e precipitação provável de hidróxido). - Em excesso de
o sólido se dissolve e surge uma solução azul escura → formação de um complexo amina–cobre solúvel.
- Cor inicial (azul claro) → espécie aquo do
- Perguntas que o enunciado faz (responderemos 1 a 1):
a) Explicar, usando o modelo de ligação adequado, por que a amônia é uma base de Lewis frente ao.
b) Explicar, usando o modelo de ligação adequado, por que frente àa amônia é uma base de Brønsted.
c) Concluir sobre as forças relativas dee como bases de Lewis frente ao , usando dados termodinâmicos para fundamentar.
d) Escrever as fórmulas das espécies responsáveis pela cor azul clara e azul escura; identificar se o sólido formado é aniônico, catiônico ou neutro.
Passo 2
Primeiro, entender quais espécies estão presentes ao dissolver o sal e por que a solução é azul clara (introdução conceitual e equações).
- Quando
é dissolvido em água forma-se essencialmente o íon hexaaqua:
- Explicação didática: o íon
em solução fica cercado por moléculas de água coordenadas (aqui tipicamente seis), formando o complexo de solvatação . A interação entre os elétrons d do cobre e os pares de elétrons das moléculas ligadas causa a absorção de certas faixas de luz e dá a cor azul clara típica. - Conclusão útil: a cor azul clara é associada ao íon aquo
em presença de como contraíon.
Passo 3
Parte (a) — explicar, pelo modelo de ligação apropriado, por que
é uma base de Lewis frente ao
.
- Definição que vamos usar (simples e prática): uma base de Lewis é uma espécie que doa um par de elétrons; um ácido de Lewis é uma espécie que aceita um par de elétrons.
- Por que
doa elétrons? A molécula de tem um par de elétrons não-ligantes no átomo de nitrogênio (o chamado lone pair). Esse par está disponível para ser doado a um centro que aceite elétrons. - Por que
aceita elétrons? é um cátion metálico com orbitais vazios (ou parcialmente vazios) que podem aceitar densidade eletrônica de ligantes. Em química de coordenação diz-se que o metal funciona como receptor de pares de elétrons (ácido de Lewis). - Montagem do modelo de ligação: quando
aproxima-se de , o par solitário do N é compartilhado com o metal formando uma ligação dativa (ou coordenada). Essa ligação é covalente na natureza do par de elétrons (o par originou-se no ligante) mas tem caráter de ligação de coordenação metal–ligante. - Representação de reação simples (modelo qualitativo):
e, em solução com várias aminas,
(obs.: na prática existe solvatação e possivelmente água ainda coordenada; uma formulação mais realista é
, mas a escrita acima serve para mostrar a doação de pares).
- Resumo didático:
é base de Lewis porque fornece um par de elétrons do N para preencher orbitais do , formando um complexo de coordenação.
Passo 4
Parte (b) — explicar, pelo modelo de ligação apropriado, por que perante
a amônia é uma base de Brønsted.
- Definição prática: uma base de Brønsted é uma espécie que aceita um próton (
). - Equilíbrio responsável:
- O que acontece experimentalmente: quando adiciona-se
aquosa (solução diluída), parte da retira um próton de alguma molécula de água, gerando (e ). Assim, neste sentido comporta-se como base de Brønsted. - Constante que descreve essa reação: a basicidade da
é dada por . O valor conhecido é
- Por que isso gera precipitado de cobre: o
formado reage com formando hidróxido de cobre(II) sólido:
- Uso de um dado termodinâmico importante (solubilidade): o produto de solubilidade do
é muito baixo; um valor representativo é
- Ilustração numérica rápida (para ver a ordem de grandeza): suponha uma solução com
. O valor de necessário para começar a precipitar é
Esse número é muito pequeno — portanto até quantidades muito pequenas de
(fornecidas pela
em equilíbrio com água) já são suficientes para provocar precipitação. Se, por exemplo,
inicial for
, uma estimativa simples do
gerado por basicidade dá
que é muito maior do que
. Logo, precipitação de
é esperada com adição de
diluída.
- Resumo didático:
age como base de Brønsted ao aceitar um próton de , gerando ; esses combinam com para formar .
Passo 5
Parte (c) — comparar forças relativas de
e
como bases de Lewis frente a
, fundamentando com dados termodinâmicos.
- O que significa “mais forte como base de Lewis” na prática: o ligante que formar um complexo mais estável com
(maior constante de formação) é o “mais forte” do ponto de vista de coordenação (aceita-se mais densidade eletrônica pelo metal e forma um complexo mais favorável termodinamicamente). - Constante de formação global (ordem de grandeza) para o complexo amínico: para o complexo amônia–cobre(II) a formação do tetracoordenado/tetraamínico tem uma constante global alta. Um valor representativo e amplamente citado para a constante global total (
) da reação
é da ordem de magnitude de
(ou seja,
na faixa de
a
). Essa alta constante indica formação muito favorável do complexo amínico.
- Converter a constante em energia livre padrão aproximada (a
, ):
Usando
como valor representativo e
,
Isso é um valor grande e negativo — formação termodinamicamente favorecida.
- Comparação com água como ligante: a “ligação” água–metal (solvatação formando
) tem energia de solvatação, mas a troca de água por amônia é favorecida porque a energia livre associada à formação do complexo amínico é muito negativa (ordem de dezenas de kJ mol ). Em termos práticos, a alta significa que desloca as moléculas de água do primeiro ambiente de coordenação do — é a razão pela qual em excesso de a espécie aquo é substituída por espécies amínicas, originando a cor azul-escura. - Conclusão fundamentada: termodinamicamente e quantitativamente,
é um ligante (base de Lewis) mais “forte” para do que , pois forma complexos com constantes de formação muito maiores (ordem ), correspondendo a fortemente negativa (∼ a kJ mol na ordem de grandeza). Isso explica por que o precipitado (hidróxido) redissolve em excesso de amônia — o complexo amínico é termodinamicamente estável.
Passo 6
Parte (d) — escrever as fórmulas das espécies que dão a cor azul clara e a cor azul escura; identificar carga do sólido formado.
- Espécie responsável pela cor azul clara (solução inicial): a forma aquo do cobre(II). Uma escrita adequada é:
ou, de forma condensada, a solução aquosa de
contém
e
.
- Espécie que precipita ao adicionar
diluída: hidróxido de cobre(II) sólido (preto/azul-pálido dependendo da hidratação):
- Essa substância sólida
é uma substância neutra (composto iônico neutro sólido; não é um íon isolado): portanto o sólido é neutro (não é aniônico nem catiônico). - Espécie responsável pela cor azul escura quando há excesso de
: o complexo amínico de cobre(II). Uma fórmula mais realista e comum para a espécie em solução é
ou, de forma simplificada,
- Observação didática: a cor azul escura é característica do complexo tetraamínico (ou do complexo amínico com geometria deformada por efeito Jahn–Teller), e a presença de excesso de
estabiliza esse complexo, dissolvendo o precipitado anterior.
Resposta
a) Porque
doa seu par solitário do nitrogênio para o
, formando ligações de coordenação (por exemplo
); assim
atua como base de Lewis ao fornecer um par de elétrons ao íon metálico.
b) Porque aceita um próton de
no equilíbrio
; ou seja,
funciona como base de Brønsted gerando
que precipitam
.
c) é uma base de Lewis muito mais forte que
para
: as constantes de formação do complexo amínico são muito grandes (ordem de
), o que corresponde a
fortemente negativo (aprox.
a
na ordem de grandeza), logo a substituição de água por amônia é termodinamicamente favorecida. Além disso,
gera
(com
) que precipita
(
), mas em excesso de
o complexo amínico dissolve o precipitado por formação do
.
d) Azul clara: (em solução com
).
Sólido formado: (composto neutro).
Azul escura (com excesso de ):
(ou simplificado
, com
como contraíon).
b) Porque
c)
d) Azul clara:
Sólido formado:
Azul escura (com excesso de