Questão
As vinícolas adicionam ácido tartárico,
(representado aqui como
Tar), aos vinhos para a obtenção de cor viva e sabor agradável. O ácido tartárico se ioniza em duas etapas. Considere apenas a
etapa, que se encontra representada abaixo:
a) Um técnico preparou uma solução aquosa
de ácido tartárico. Calcule o pH da solução, no equilíbrio.
b) O técnico adicionou
de HCl a
da solução do item “a”. Calcule o pH da solução após o equilíbrio ser restabelecido, sabendo que a concentração final de
Tar é
. Considere que não há variação de volume.
c) Explique o que ocorre com o grau de ionização do
Tar, quando:
- adiciona-se ácido forte;
- adiciona-se base forte;
- aumenta-se a pressão sobre o sistema reacional.
Dados:
b) O técnico adicionou
c) Explique o que ocorre com o grau de ionização do
Passo 1
O que o exercício pede e os dados que nos deram.
-
Perguntas:
a) Calcular o pH da solução aquosa preparada com concentração em massade ácido tartárico, considerando apenas a primeira ionização.
b) Após adicionarde HCl a da solução do item (a), calcular o pH após o equilíbrio ser restabelecido. Foi informado que a concentração final de é . Considere que o volume não varia.
c) Explicar o que ocorre com o grau de ionização dequando: - se adiciona ácido forte;
- se adiciona base forte;
- se aumenta a pressão sobre o sistema reacional.
-
Dados numéricos fornecidos:
- Massa molar:
. - Primeiro pKa:
(a ). - Concentração em massa inicial:
. - Quantidade de HCl adicionada:
em . - Concentração final informada de
: . - Considerar apenas a primeira etapa de ionização:
- Massa molar:
Passo 2
Preparar os valores iniciais e converter unidades; calcular a constante de acidez
a partir de
.
-
Converter a concentração em massa para molar (em
). A concentração dada é . Como , Assim a concentração molar inicial total de ácido (chamo de) é -
Converter
em . A relação é Logo(Explicação:é o logaritmo negativo da constante ; para passar de a usa-se a potência de 10.)
Passo 3
Resolver o item (a): montar tabela ICE para a primeira ionização e resolver para
.
-
Montagem ICE (Initial, Change, Equilibrium) paraInicialmente (antes da ionização no equilíbrio):
, e supondo solução pura sem outros ácidos fortes, (apenas a autoionização da água é desprezível na presença deste ácido) e . Sejaa concentração de ácido que se ioniza no equilíbrio: -
Expressar
em função de : -
Reescrever como equação quadrática:Esta equação tem solução positiva
-
Substituir números:Calcular o discriminante:
Portanto
-
Interpretar
: . -
Calcular o pH:
(Explicação didática curta: aqui usamos a definição de
para ácidos fracos e montamos a tabela ICE. Como
é da mesma ordem de grandeza de
, não foi válida a aproximação
, por isso resolvemos a quadrática exatamente.)]
Passo 4
Resolver o item (b): raciocínio químico e cálculo usando a concentração final informada de
.
-
Estado inicial (antes da adição de HCl e após o equilíbrio do item a):
- Concentração total de ácido tartárico (somando as formas) é
. - Do ítem (a) achamos que, no equilíbrio original,
- E
- Concentração total de ácido tartárico (somando as formas) é
-
Adição de HCl: foi acrescentado
em , isto é, uma concentração inicial de HCl de (HCl é forte, fornece H+ livre). Esse H+ adicional reagem com (base conjugada) convertendo parte desta espécie em e deslocando o equilíbrio para a esquerda (efeito do íon comum e do excesso de prótons). -
Porém o enunciado já fornece a concentração final de
após o novo equilíbrio: Como a quantidade total de tartárico permanece, então a concentração final de é -
Usar a expressão de equilíbrio
para obter a concentração de prótons em equilíbrio (essa é a concentração final, depois da adição de HCl e do restabelecimento do equilíbrio): Substituindo os números: -
Calcular o pH final:
(Comentário didático: note que, apesar de terem sido adicionados
em prótons, parte desse H+ foi consumida ao protonar
. O valor final de
é ditado pelo novo equilíbrio entre
e
, que usamos via
.)
Passo 5
Explicação didática sobre o grau de ionização e o que ocorre nas três situações do item (c).
-
Definição do grau de ionização
: é a fração do ácido que está ionizada na primeira etapa. Para uma concentração total , (Outra forma equivalente é, onde é a quantidade que se ionizou.) -
(c, i) Ao adicionar ácido forte (ex.: HCl):
- A concentração de
livre aumenta. - Pelo princípio de Le Châtelier, o equilíbrio
desloca-se para a esquerda, formando mais e consumindo . - Consequência:
diminui, logo o grau de ionização diminui. - Observação conceitual: este é o efeito do íon comum (o próton extra é um “íon comum” para essa ionização).
- A concentração de
-
(c, ii) Ao adicionar base forte (ex.: NaOH):
- A base consome
(formando água), diminuindo . - O equilíbrio desloca-se para a direita para repor prótons, aumentando a ionização de
e formando mais . - Consequência:
aumenta, logo o grau de ionização aumenta.
- A base consome
-
(c, iii) Ao aumentar a pressão sobre o sistema reacional:
- Em soluções aquosas envolvendo apenas espécies dissolvidas (íonização em solução), mudanças moderadas de pressão têm efeito negligenciável sobre o equilíbrio ácido–base, porque não há mudança significativa no número de moles de gás envolvido na reação.
- Portanto, a menos que haja envolvimento de gases ou mudanças extremas de pressão, o grau de ionização praticamente não se altera quando se aumenta a pressão.
- Observação: em processos gasosos ou que envolvam mudanças volumétricas grandes, a pressão importa; aqui, para ionização em solução aquosa, não.
Resposta
(a)
(b)
(c) adiciona-se ácido forte: o grau de ionização diminui.
adiciona-se base forte: o grau de ionização aumenta.
aumenta-se a pressão: efeito praticamente nulo sobre o grau de ionização (para solução aquosa, salvo condições extremas).
adiciona-se base forte: o grau de ionização aumenta.
aumenta-se a pressão: efeito praticamente nulo sobre o grau de ionização (para solução aquosa, salvo condições extremas).