Questão (1(1,0)). Em uma planta de tratamento de efluentes, monitora-se a condutividade para controlar a concentração de eletrólitos.
Explique por que a condutância de soluções de H SO é significativamente maior que a de CH COOH na mesma concentração, relacionando com aplicações industriais.
Explique por que a condutância de soluções de H SO é significativamente maior que a de CH COOH na mesma concentração, relacionando com aplicações industriais.
Passo 1
O enunciado pede que eu explique por que a condutância (ou condutividade elétrica) de soluções de
é significativamente maior que a de
quando ambas estão na mesma concentração molar, e que eu relacione isso com aplicações industriais.
Informações relevantes dadas (explícitas ou implícitas):
Informações relevantes dadas (explícitas ou implícitas):
- Comparação entre duas espécies em mesma concentração molar:
e . - Pedido para explicar a diferença na condutância/condutividade e comentar aplicações industriais.
Não foram dados valores numéricos de concentração; portanto vou explicar os mecanismos gerais e mostrar um exemplo numérico ilustrativo para fixar a ideia.
Passo 2
O que determina a condutividade de uma solução — aula rápida e prática.
A condutividade elétrica de uma solução depende de quantos íons existem na solução e de quão rápidos esses íons se movem quando há um campo elétrico. Uma forma prática de escrever isso é:
A condutividade elétrica de uma solução depende de quantos íons existem na solução e de quão rápidos esses íons se movem quando há um campo elétrico. Uma forma prática de escrever isso é:
onde:
-
é a condutividade (S·m^{-1} ou S·cm^{-1} dependendo da unidade), -
é a constante de Faraday (carga por mol de elétrons), -
é a valência (carga) do íon (com sinal), -
é a mobilidade iônica do íon (velocidade por unidade de campo elétrico), -
é a concentração molar do íon .
Outra forma comumente usada para eletrólitos é por condutividade molar:
e então
onde:
-
é a condutividade molar do eletrólito (S·cm2·mol{-1}), -
é o coeficiente estequiométrico do íon por fórmula do eletrólito, -
é a condutividade molar iônica do íon , -
é a concentração molar do eletrólito.
Importante: tantoquanto dependem do quanto o eletrólito se ioniza e das propriedades físicas dos íons (por ex., massa, estrutura, e no caso de prótons, o mecanismo de transporte).
Passo 3
Comparando as naturezas químicas — dissociação e número de íons formados.
-
é um ácido forte, diprótico. A primeira dissociação é praticamente completa:
A segunda dissociação
tem constante
relativamente grande (aprox.
), ou seja, uma fração apreciável de
se dissocia também, especialmente em diluições típicas. Assim, cada mol de
gera perto de 2 mols de cargas (núcleo: muitos
e ânions sulfato/hydrogenosulfato).
-
(ácido acético) é um ácido fraco com constante . A dissociação
é parcial: apenas uma pequena fração das moléculas está ionizada em concentrações comuns. Logo, para a mesma concentração molar do soluto,
produz muito mais íons na solução do que
.
Passo 4
O papel especial do próton (
) na mobilidade iônica.
Além do número de íons, a condutividade depende de quão móveis são os íons. O íon tem uma mobilidade iônica excepcionalmente alta devido ao mecanismo de Grotthuss (salto de prótons através da rede de ligações de hidrogênio da água), muito mais rápido que a migração de outros cátions comuns. Em termos de condutividade molar iônica, o próton tem um valor muito maior que íons orgânicos como o acetato. Portanto, soluções que geram muitos
(como o ácido sulfúrico) têm condutividade fortemente aumentada.
Além do número de íons, a condutividade depende de quão móveis são os íons. O íon
Passo 5
Exemplo numérico ilustrativo (para fixar a ordem de grandeza).
Escolho uma concentração de exemplo (0,01 M) para comparar — isso é só para ilustrar, a conclusão qualitativa vale para qualquer concentração típica.
Escolho uma concentração de exemplo
- Para
: usando aproximação para ácido monoprotico fraco quando pequeno,
ou seja, apenas
das moléculas estão ionizadas. A concentração de
livre será aproximadamente
.
- Para
a : a primeira dissociação dá já de e de . A segunda dissociação (com ) parcial produz uma quantidade adicional de e . Resolver a equação do equilíbrio dá um na ordem de (cálculo simplificado), de modo que a concentração total de fica perto de — várias ordens de magnitude maior do que no caso do ácido acético neste exemplo.
Conclusão deste exemplo: mesmo com a mesma concentração molar do soluto,gera dezenas de vezes mais íons (e em particular muito mais ) que ; multiplicando isso pela alta mobilidade do próton, a condutividade da solução de fica muito maior.
Passo 6
Outros fatores que reforçam a diferença (práticos, mas importantes na prova):
- Valência do ânion:
é divalente, então cada mol de contribui mais para a soma do que um ânion monovalente como o acetato. - Interações iônicas em soluções concentradas reduzem mobilidades, mas, mesmo assim, em ampla faixa de concentrações práticas a condutividade de
permanece muito maior que a de . - Temperatura: aumenta a mobilidade iônica para ambos, mas o efeito relativo entre os dois ácidos é mantido.
Passo 7
Relação com aplicações industriais — por que isso importa? (dicas práticas e conselhos de prova)
- Monitoramento de efluentes e dosing: sensores de condutividade detectam facilmente mudanças na concentração de ácidos fortes como
porque pequenas variações de concentração provocam grandes variações de condutividade. Para ácidos fracos como o acético, a condutividade muda pouco, então usar só condutividade para monitorar concentração de ácido acético é pouco sensível. - Processos eletroquímicos (ex.: baterias, eletrodeposição):
é usado quando se quer alta condutividade iônica (melhor corrente), por isso aparece em baterias chumbo-ácido e em banhos eletrolíticos; , sendo menos condutora, não serve bem quando a condução iônica é requisito. - Corrosão e materiais: alta condutividade associada a
também significa maior risco de corrosão e necessidade de materiais resistentes; na prática isso influencia escolha de tubulações, bombas e sondas. - Controle de pH vs. controle de condutividade: para ácidos fortes a condutividade dá boa ideia do
e da acidez total; para ácidos fracos o fica dependente da dissociação e a condutividade sozinha não revela bem a quantidade não ionizada (por exemplo, presença de ácido orgânico não aparece fortemente na condutividade).
Passo 8
Resumo claro e direto do porquê (para decorar e usar em prova)
- Porque
se ioniza fortemente e (praticamente) produz mais íons por mol de soluto, incluindo muitos , enquanto é um ácido fraco e gera poucos íons na mesma concentração. - Porque o íon
tem mobilidade iônica muito alta, então cada mol de prótons contribui muito para a condutividade. - Essas duas razões juntas (muito mais íons e íons muito móveis) explicam a condutividade muito maior de
. Em termos industriais, isso explica por que ácidos fortes alteram muito a condutividade e por que são preferidos quando se precisa de alta condução iônica, ao passo que ácidos fracos são menos detectáveis por condutividade e menos eficientes para aplicações que exigem transporte iônico.
Resposta
A condutância de
é muito maior porque (1)
é um ácido forte diprótico que gera muito mais íons por mol de soluto (primeira dissociação completa e segunda dissociação significativa), enquanto
é um ácido fraco e só se ioniza parcialmente; e (2) o próton
tem mobilidade iônica excepcionalmente alta (mecanismo de Grotthuss), aumentando fortemente a condutividade. Em aplicações industriais isso significa que pequenas variações de concentração de
causam grandes mudanças na condutividade (útil para monitoramento e para processos eletroquímicos), enquanto
dá baixa condutividade e é menos detectável por sensores de condutividade; além disso, o uso de
traz maiores exigências de materiais por causa da maior corrosividade associada à maior condutividade.