1. Em um tubo de ensaio colocar \approx 3 \mathrm{~mL} de solução de água de cal.
  2. Em outro tubo de ensaio, colocar \approx 3 \mathrm{~g} de mármore \left(\mathrm{CaCO}_{3}\right) triturado e adicionar 3 mL de solução aquosa de ácido clorídrico 1:1. Fechá-lo imediatamente com o tubo em “U” e mergulhar a outra extremidade desse tubo na solução de água de cal.
  3. Deixar o gás formado na reação entre \mathrm{CaCO}_{3}(\mathrm{~s}) e a solução de \mathrm{HC} \ell, borbulhar na solução de água de cal.
  4. Observar a formação da turvação.
  5. Continuar recolhendo o gás até que a turvação desapareça, ou seja, ocorra a formação de uma solução.
    a) Com base nos resultados observados no experimento 1, diga qual é o tipo de reação que ocorre entre \mathrm{CO}_{2} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{aq}) e os íons \mathrm{OH}^{-}? Explique sua resposta.
    b) Qual é a causa da turvação da solução de água de cal?
    c) Por que a turvação desaparece à medida que mais gás é borbulhado na solução de água de cal?
    d) Escreva equações químicas que representem o que foi observado por você no experimento 2, justificando-as.

Passo 1

O enunciado descreve um experimento em que se gera gás \mathrm{CO_2} a partir da reação entre carbonato de cálcio ( \mathrm{CaCO_3}) e ácido clorídrico ( \mathrm{HCl}), este gás é borbulhado em uma solução aquosa de água de cal (solução de \mathrm{Ca(OH)_2}). Observa-se que a solução de água de cal turva-se ao borbulhar o gás e que, ao continuar a borbulhar mais gás, a turvação desaparece. As perguntas são:
a) Qual é o tipo de reação que ocorre entre \mathrm{CO_2\cdot H_2O(aq)} e os íons \mathrm{OH^-}? Explique.
b) Qual é a causa da turvação da solução de água de cal?
c) Por que a turvação desaparece à medida que mais gás é borbulhado?
d) Escreva equações químicas que representem o que foi observado no experimento 2, justificando-as.
Informações relevantes dadas no enunciado (que devemos usar):
  • Há uma solução aquosa de água de cal ( \mathrm{Ca(OH)_2}) num tubo; isso fornece \mathrm{OH^-} (em solução) e \mathrm{Ca^{2+}} em pequena concentração (por solubilidade de \mathrm{Ca(OH)_2}).
  • Noutro tubo, \approx 3\\ \mathrm{g} de mármore ( \mathrm{CaCO_3}) reage com \mathrm{HCl} 1:1, formando gás que é conduzido para a água de cal.
  • Observação experimental: turbidez aparece quando se começa a borbulhar o gás; se borbulha mais gás, a turbidez some.

Passo 2

Vamos entender, passo a passo, o que acontece quando \mathrm{CO_2} entra em contato com água e com \mathrm{OH^-}. Primeiro uma aula rápida e tranquila sobre dissolução de \mathrm{CO_2} e ácidos carbônicos.
Quando \mathrm{CO_2} gasoso se dissolve em água, ocorre uma reação reversível formando ácido carbônico (espécie pouco estável, em equilíbrio com \mathrm{CO_2} dissolvido):
\mathrm{CO_2(g)} \rightleftharpoons \mathrm{CO_2(aq)}
\mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3(aq)}
Explicação: \mathrm{H_2CO_3} é o nome dado à espécie resultante da hidratação do \mathrm{CO_2} em água (frequentemente tratamos \mathrm{CO_2(aq)} e \mathrm{H_2CO_3} juntos no equilíbrio). Essa espécie pode doar prótons (é um ácido fraco) seguindo estas etapas:
\mathrm{H_2CO_3(aq)} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}
\mathrm{HCO_3^-} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{CO_3^{2-}}
Portanto, em solução aquosa, \mathrm{CO_2} age como um ácido (através de \mathrm{H_2CO_3}), liberando \mathrm{H^+} e formando bicarbonato \mathrm{HCO_3^-} e, em pH mais básico, carbonato \mathrm{CO_3^{2-}}.

Passo 3

Agora, como \mathrm{OH^-} (hidróxido) interage com \mathrm{CO_2} dissolvido? Aqui entra o conceito de reação ácido-base (neutralização).
Definição rápida: uma reação ácido-base (neutralização) ocorre quando um ácido doa \mathrm{H^+} e uma base aceita esse \mathrm{H^+} (ou quando \mathrm{OH^-} reage com um doador de prótons). No nosso caso, \mathrm{H_2CO_3} (derivado do \mathrm{CO_2} dissolvido) é o ácido fraco e \mathrm{OH^-} é a base forte presente na água de cal. As reações que ocorrem são:
Primeira neutralização (ácido → bicarbonato):
\mathrm{H_2CO_3} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{H_2O}
Se houver mais \mathrm{OH^-} disponível, ocorre a segunda neutralização (bicarbonato → carbonato):
\mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{CO_3^{2-}} + \mathrm{H_2O}
Explicação didática: cada \mathrm{OH^-} remove um próton de \mathrm{H_2CO_3} ou \mathrm{HCO_3^-}, convertendo essas espécies em formas mais desprotonadas ( \mathrm{HCO_3^-} ou \mathrm{CO_3^{2-}}). Portanto, quimicamente, a interação entre \mathrm{CO_2\cdot H_2O} (i.e., \mathrm{H_2CO_3}) e \mathrm{OH^-} é uma reação ácido-base (neutralização).

Passo 4

Agora expliquemos a origem da turbidez (explicação física-química simples e clara).
Na água de cal existe \mathrm{Ca^{2+}} (resultante da solubilidade de \mathrm{Ca(OH)_2}). Quando se forma \mathrm{CO_3^{2-}} na solução (pela reação do \mathrm{CO_2} com \mathrm{OH^-} e subsequentes equilíbrios), esses íons \mathrm{CO_3^{2-}} combinam-se com \mathrm{Ca^{2+}} formando carbonato de cálcio sólido, pouco solúvel:
\mathrm{Ca^{2+}(aq)} + \mathrm{CO_3^{2-}(aq)} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3(s)}
Ou, de maneira direta e frequentemente citada em livros de química experimental:
\mathrm{Ca(OH)_2(aq)} + \mathrm{CO_2(g)} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{H_2O(l)}
Explicação: o \mathrm{CaCO_3} formado é um sólido finamente dividido que fica em suspensão (partículas muito pequenas), espalhando a luz e tornando a solução turva (aspecto leitosa). É essa suspensão de \mathrm{CaCO_3} que vemos como turvação quando começamos a borbulhar \mathrm{CO_2}.

Passo 5

Agora entendamos por que, continuando a borbulhar \mathrm{CO_2}, a turvação eventualmente desaparece.
Quando há excesso de \mathrm{CO_2} dissolvido, aumentam as concentrações de \mathrm{H_2CO_3} e \mathrm{HCO_3^-} no meio. O \mathrm{CO_2} adicional atua sobre o \mathrm{CaCO_3} sólido, convertendo-o em bicarbonato de cálcio solúvel. A equação que descreve essa dissolução (formação de bicarbonato solúvel) é:
\mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \longrightarrow \mathrm{Ca(HCO_3)_2(aq)}
Ou, escrita em íons:
\mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \longrightarrow \mathrm{Ca^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{HCO_3^-(aq)}
Explicação: \mathrm{Ca(HCO_3)_2} é solúvel em água (ao contrário de \mathrm{CaCO_3}). Assim, o sólido \mathrm{CaCO_3} se transforma em espécies solúveis e a suspensão desaparece, fazendo a solução voltar a ficar límpida. Do ponto de vista de equilíbrios (princípio de Le Châtelier): acrescentar mais \mathrm{CO_2} desloca os equilíbrios para a direita (formando mais \mathrm{H_2CO_3} e \mathrm{HCO_3^-}), favorecendo dissolução do carbonato sólido em bicarbonato solúvel.

Passo 6

Agora escrevemos, em ordem e com justificativa curta, as equações químicas que descrevem todo o experimento 2 (geração e ação do gás sobre a água de cal). Seja didático: cada equação vem com uma frase curta de justificativa.
  1. Reação entre o mármore ( \mathrm{CaCO_3}) e o ácido clorídrico ( \mathrm{HCl}) — gera \mathrm{CO_2} gasoso:
\mathrm{CaCO_3(s)} + 2\,\mathrm{HCl(aq)} \longrightarrow \mathrm{CaCl_2(aq)} + \mathrm{CO_2(g)} + \mathrm{H_2O(l)}
Justificativa: ácido reage com carbonato liberando \mathrm{CO_2} (reação clássica de carbonato + ácido).
  1. Dissolução/hidratação do \mathrm{CO_2} no tubo que contém água de cal — formação de ácido carbônico (equilíbrio):
\mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3(aq)}
Justificativa: \mathrm{CO_2} em água existe parcialmente como \mathrm{H_2CO_3}; esse é o ácido que participa das etapas de neutralização.
  1. Reações ácido–base entre \mathrm{H_2CO_3} (ou \mathrm{CO_2\cdot H_2O}) e \mathrm{OH^-} da água de cal — neutralizações em etapas:
\mathrm{H_2CO_3(aq)} + \mathrm{OH^-(aq)} \longrightarrow \mathrm{HCO_3^-(aq)} + \mathrm{H_2O(l)}
\mathrm{HCO_3^-(aq)} + \mathrm{OH^-(aq)} \longrightarrow \mathrm{CO_3^{2-}(aq)} + \mathrm{H_2O(l)}
Justificativa: \mathrm{OH^-} retira prótons, convertendo ácido carbônico em bicarbonato e, com mais base, em carbonato.
  1. Formação do precipitado de carbonato de cálcio (causa da turvação):
\mathrm{Ca^{2+}(aq)} + \mathrm{CO_3^{2-}(aq)} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3(s)}
Alternativa condensada frequentemente usada:
\mathrm{Ca(OH)_2(aq)} + \mathrm{CO_2(g)} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{H_2O(l)}
Justificativa: \mathrm{CaCO_3} é pouco solúvel e forma partículas sólidas que turvam a solução.
  1. Com excesso de \mathrm{CO_2}, dissolução do \mathrm{CaCO_3} sólido formando bicarbonato de cálcio solúvel (desaparecimento da turvação):
\mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \longrightarrow \mathrm{Ca(HCO_3)_2(aq)}
ou em íons:
\mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \longrightarrow \mathrm{Ca^{2+}(aq)} + 2\,\mathrm{HCO_3^-(aq)}
Justificativa: formação de \mathrm{Ca(HCO_3)_2} solúvel remove o sólido em suspensão, deixando a solução límpida.

Passo 7

Recapitulação curta e motivacional (para você na prova):
  • Identifique a geração de \mathrm{CO_2} pelo ácido + carbonato; escreva essa equação primeiro.
  • Depois escreva a hidratação do \mathrm{CO_2} e as etapas de neutralização com \mathrm{OH^-} (formação de \mathrm{HCO_3^-} e \mathrm{CO_3^{2-}}).
  • Relacione a presença de \mathrm{CO_3^{2-}} com a formação do precipitado \mathrm{CaCO_3} (turbidez).
  • Finalmente escreva a reação de excesso de \mathrm{CO_2} que forma \mathrm{Ca(HCO_3)_2} solúvel (clareamento).
    Siga essa sequência passo a passo na prova que você acerta a lógica e as equações. Você consegue!

Resposta

a) Reação ácido–base (neutralização): \mathrm{H_2CO_3} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{H_2O} (e em seguida \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{CO_3^{2-}} + \mathrm{H_2O}).
b) A turvação é causada pela formação de precipitado de carbonato de cálcio: \mathrm{Ca^{2+}} + \mathrm{CO_3^{2-}} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3(s)} (ou via \mathrm{Ca(OH)_2} + \mathrm{CO_2} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3} + \mathrm{H_2O}).
c) A turvação desaparece porque excesso de \mathrm{CO_2} dissolve o \mathrm{CaCO_3} formando bicarbonato de cálcio solúvel: \mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \longrightarrow \mathrm{Ca(HCO_3)_2(aq)}.
d) Equações representativas e justificativas:
\mathrm{CaCO_3(s)} + 2\,\mathrm{HCl(aq)} \longrightarrow \mathrm{CaCl_2(aq)} + \mathrm{CO_2(g)} + \mathrm{H_2O(l)} (geração de \mathrm{CO_2});
\mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightleftharpoons \mathrm{H_2CO_3(aq)} (hidratação, ácido carbônico);
\mathrm{H_2CO_3} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{H_2O} e \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{CO_3^{2-}} + \mathrm{H_2O} (neutralizações);
\mathrm{Ca^{2+}} + \mathrm{CO_3^{2-}} \longrightarrow \mathrm{CaCO_3(s)} (precipitação → turvação);
\mathrm{CaCO_3(s)} + \mathrm{CO_2(aq)} + \mathrm{H_2O(l)} \longrightarrow \mathrm{Ca(HCO_3)_2(aq)} (formação de bicarbonato solúvel → desaparecimento da turvação).

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