Qual é o significado do termo auto-ionização? Explique por que água pura é uma má condutora de eletricidade. Diz-se que uma solução aquosa é ácida. O que significa essa declaração?
Resposta: (a) A auto-ionização é a ionização de uma molécula neutra em um ânion e um cátion. A expressão de equilíbrio para a auto-ionização da água é \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \leftrightarrow \mathrm{H}+(\mathrm{aq})+\mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}).

Passo 1

O enunciado faz três perguntas claras:
  1. O que significa o termo auto-ionização?
  2. Por que água pura é uma má condutora de eletricidade?
  3. O que significa dizer que uma solução aquosa é ácida?
Informações relevantes implícitas no enunciado:
  • Queremos a definição de auto-ionização e a expressão de equilíbrio correspondente.
  • Precisamos explicar a condutividade elétrica em termos de presença de íons na água.
  • Precisamos explicar o significado químico de “ácida” para uma solução aquosa (comparação entre concentrações de íons).

Passo 2

Definição detalhada de auto-ionização (aula curtinha): auto-ionização é um processo em que moléculas idênticas reagem entre si para formar um cátion e um ânion. No caso da água, uma molécula doa um próton (íon \mathrm{H^+}) para outra, formando \mathrm{H_3O^+} (hidroxônio, frequentemente escrito informalmente como \mathrm{H^+}) e \mathrm{OH^-}. A reação de equilíbrio pode ser escrita como
\mathrm{2\,H_2O(l)} \rightleftharpoons \mathrm{H_3O^+(aq)} + \mathrm{OH^-(aq)}
ou, em forma abreviada,
\mathrm{H_2O(l)} \rightleftharpoons \mathrm{H^+(aq)} + \mathrm{OH^-(aq)}.
Explicação de cada termo: \mathrm{H_2O(l)} é a água líquida, \mathrm{H^+(aq)} (ou \mathrm{H_3O^+}) é o cátion protônico hidratado na água, e \mathrm{OH^-} é o ânion hidróxido.

Passo 3

Constante de ionização da água (importante para quantificar): definimos o produto iônico da água como
K_w = [\mathrm{H^+}]\,[\mathrm{OH^-}],
onde [\mathrm{H^+}] e [\mathrm{OH^-}] são as concentrações molares dos íons em equilíbrio. A K_w depende da temperatura; a K_w bem conhecida a 25^\circ\mathrm{C} é
K_w = 1,0\times 10^{-14}.

Passo 4

Concentrações de íons em água pura (resolvendo o equilíbrio): em água pura, cada auto-ionização gera um \mathrm{H^+} e um \mathrm{OH^-}, logo as concentrações são iguais. Se chamarmos essa concentração de x, então
x\cdot x = x^2 = K_w = 1,0\times 10^{-14},
logo
x = [\mathrm{H^+}] = [\mathrm{OH^-}] = 1,0\times 10^{-7}\\ \text{mol·L}^{-1}.
Isso mostra quantos íons existem em água pura à temperatura ambiente.

Passo 5

Cálculo do pH e interpretação: definimos
\mathrm{pH} = -\log_{10}\bigl([\mathrm{H^+}]\bigr).
Para água pura com [\mathrm{H^+}]=1,0\times 10^{-7},
\mathrm{pH} = -\log_{10}(1,0\times 10^{-7}) = 7.
Portanto água pura é neutra (pH 7 a 25^\circ\mathrm{C}).

Passo 6

Por que água pura é má condutora de eletricidade (explicação física e numérica): condutividade elétrica em soluções aquosas depende de íons móveis que carregam carga. Mesmo que \mathrm{H^+} e \mathrm{OH^-} sejam altamente móveis (o próton tem mobilidade grande devido ao mecanismo de Grotthuss), a condutividade total depende do número de portadores de carga. Em água pura ambos os íons têm concentração apenas de
1,0\times 10^{-7}\\ \text{mol·L}^{-1}.
Compare com uma solução ácida comum, por exemplo \mathrm{0,01\\ mol·L^{-1}} de \mathrm{HCl}, que tem [\mathrm{H^+}]=1,0\times 10^{-2}\\ \text{mol·L}^{-1}. A diferença de concentração é
\frac{1,0\times 10^{-2}}{1,0\times 10^{-7}} = 1,0\times 10^{5},
ou seja, a solução de \mathrm{HCl} tem cem mil vezes mais íons livres por litro do que água pura, e portanto conduz eletricidade muito melhor. Conclusão: água pura conduz muito mal porque tem uma concentração extremamente baixa de íons livres.

Passo 7

O que significa “uma solução aquosa é ácida” (definição prática e teste): dizer que uma solução aquosa é ácida significa que, nessa solução,
[\mathrm{H^+}]>[\mathrm{OH^-}].
Em termos de pH isso equivale a
\mathrm{pH}<7
(à temperatura padrão 25^\circ\mathrm{C}). Exemplo prático: uma solução de \mathrm{HCl} 0{,}01\\ \text{mol·L}^{-1} tem [\mathrm{H^+}]=1,0\times 10^{-2} e \mathrm{pH}=2, claramente ácida. Outra forma de reconhecer acidez experimentalmente é pelo uso de indicadores (fenolftaleína, papel tornassol) ou por medição direta do pH com eletrodo.

Passo 8

Resumo final e incentivo rápido: auto-ionização é a reação da própria água gerando \mathrm{H^+} e \mathrm{OH^-}; a água pura tem concentrações muito baixas desses íons ( 1,0\times 10^{-7}\\ \text{mol·L}^{-1}), por isso conduz mal eletricidade; e “solução aquosa ácida” significa [\mathrm{H^+}]>[\mathrm{OH^-}] (ou \mathrm{pH}<7). Você está indo bem — esses conceitos são os que mais aparecem em provas, decore a relação K_w=[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] e a definição de pH que eu mostrei.

Resposta

A auto-ionização é a reação em que duas moléculas de água se transferem um próton, formando \mathrm{H_3O^+} (ou \mathrm{H^+}) e \mathrm{OH^-}; expressão: \mathrm{H_2O(l)} \rightleftharpoons \mathrm{H^+(aq)} + \mathrm{OH^-(aq)}.
Água pura é má condutora porque, a 25^\circ\mathrm{C}, [\mathrm{H^+}]=[\mathrm{OH^-}]=1,0\times 10^{-7}\\ \text{mol·L}^{-1} (produto iônico K_w=1,0\times 10^{-14}), ou seja, número muito pequeno de íons portadores de carga.
Dizer que uma solução aquosa é ácida significa que [\mathrm{H^+}]>[\mathrm{OH^-}], o que corresponde a \mathrm{pH}<7.

Exercícios relacionados