Solução Tampão

Teoria Completa

Definição

Solução tampão é uma solução usada pra manter o pH do meio relativamente constante.

Ou seja: ela resiste a grandes variações de pH, mesmo que um ácido ou uma base forte sejam adicionados ao meio.

Elas são formadas pela mistura de um sal com o ácido (fraco) ou a base (fraca) constituinte desse sal.

Tipo misturando acetato de sódio com ácido acético.

N a C H 3 C O O + C H 3 C O O H = t a m p ã o

Como funciona

Uma solução tampão funciona, basicamente pelo efeito do íon comum.

Lembra? Quando existe um equilíbrio e você adiciona excesso de um dos produtos, esse equilíbrio vai se deslocar em direção aos reagentes. Vai tentar consumir esse excesso.

Então olha aí o equilíbrio de ionização do ácido acético:

C H 3 C O O H + H 2 O ⇌ H 3 O + + C H 3 C O O -

Pelo efeito do íon comum, se a gente adicionar H 3 O + ou C H 3 C O O - (acetato), a ionização aí de cima vai ser “reprimida”. O equilíbrio vai se deslocar para a esquerda.

E é isso mesmo que a gente faz.

A gente adiciona acetato de sódio no meio, pra encher o meio de C H 3 C O O - :

N a C H 3 C O O → N a + + C H 3 C O O -

Agora a gente tem alta concentração do ácido acético e da sua base conjugada, o acetato.

E o que acontece se for adicionado ácido ao meio?

Se isso acontecer, a quantidade de H 3 O + no meio aumenta, certo? Então o equilíbrio vai se deslocar pra esquerda, “consumindo” esse excesso de H 3 O + que, assim, não vai ficar liberado no meio modificando o pH.

E é importante ter aquele extra de C H 3 C O O - que veio do sal, porque esse cara que é responsável por reagir com o H 3 O + adicionado.

Mas, se ao invés de adicionar ácido, for adicionada uma base ao meio?

Bem, a base vai reagir com aquele H 3 O + . E o equilíbrio do ácido acético vai se deslocar para a direita, pra liberar mais H 3 O + , reestabelecendo o equilíbrio.

Ou seja: embora a base tenha sido adicionada, isso provocou a liberação de mais H 3 O + no meio. Então, a alteração no pH tende a ser muito pequena.

Cálculo de pH para solução tampão

Existe a maneira simplificada e a maneira mais extensa de fazer o cálculo de pH para uma solução tampão.

De forma simples, podemos fazer assim:

H A + H 2 O ⇌ H 3 O + + A -

K a = H 3 O + [ A - ] [ H A ]

Aí, como o ácido é fraco, podemos considerar que [ H A ] é igual a concentração analítica do ácido. Porque ele vai se ionizar pouco. Menos ainda do que o normal, pelo efeito do íon comum.

Já a [ A - ] , a gente considera que é igual a concentração analítica do sal. Afinal o sal se dissocia por completo e libera esse cara no meio. Então:

K a = H 3 O + . C s a l C á c i d o

Isolando o [ H 3 O + ] :

H 3 O + = K a . C á c i d o C s a l

E, normalmente, a galera já aplica “ - l o g ” nessa equação aí de cima. Que acaba ficando assim:

p H = p K a + log ⁡ C s a l C á c i d o

Para um tampão feito com uma base + seu ácido conjugado:

p O H = p K b + log ⁡ C s a l C b a s e

Essa foi a forma “simplificada”. Mas como nem sempre as simplificações são válidas, a gente também pode resolver isso pelo “caso geral”. Aquele do balanço de massa e balanço de carga.

Vamos ver como isso funciona para uma mistura de um ácido H A com um sal N a A .

  • Primeiro escrevemos as reações envolvidas:
  • N a A ⇌ N a + + A -

    H A + H 2 O ⇌ H 3 O + + A -

    2 H 2 O ⇌ H 3 O + + O H -

  • Identificamos quais as concentrações desconhecidas (incógnitas):
  • N a + ,   A - ,   H A ,   [ H 3 O + ]   e   [ O H - ]

  • Escrevemos todas as equações que temos:

K a = H 3 O + [ A - ] [ H A ]

K w = H 3 O + [ O H - ]

B M 1 :                     C s a l = [ N a + ]

B M 2 :           C á c i d o + C s a l = H A + [ A - ]

B C :             H 3 O + + N a + = O H - + [ A - ]

Como a gente tinha 5 incógnitas, precisávamos de 5 equações. A única novidade são esses dois balanços de massa aí. Mas é porque, enquanto todo o N a + veio do sal, o sistema ácido pode se originar tanto do sal quanto do ácido inicialmente adicionado.

Bem, a gente quer usar a equação do K a pra calcular o pH. Então precisamos substituir aquele [ A - ] e aquele [ H A ] da equação por valores conhecidos.

Vamos começar isolando o [ A - ] no BC:

A - = H 3 O + + N a + - O H -

Mas N a + = C s a l . Então:

A - = H 3 O + + C s a l - [ O H - ]

E pra isolar o [ H A ] , podemos usar o 2° balanço de massa:

H A = C á c i d o + C s a l - [ A - ]

E trocar o [ A - ] pelo que já conhecemos dele:

H A = C á c i d o + C s a l - H 3 O + - C s a l + [ O H - ]

H A = C á c i d o - H 3 O + + [ O H - ]

E já podemos substituir tudo isso na nossa equação do K a :

K a = H 3 O + [ A - ] [ H A ]

p H = p K a + log ⁡ A - H A

p H = p K a + log ⁡ C s a l + H 3 O + - [ O H - ] C á c i d o - H 3 O + + [ O H - ]

Se a gente considerar que as concentrações de H 3 O + e O H - são muuuuito menores que as concentrações do sal e do ácido, a gente cai exatamente na fórmula do caso simplificado.

p H = p K a + log ⁡ C s a l C á c i d o

Se quiser ver melhor como tudo isso funciona na prática, tem exercício de fixação resolvido passo-a-passo pra você.

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria.

Verifique se uma solução tampão é efetiva comparando a alteração de pH ao adicionar 1mL de H C l 10,0 M em:

a) 1,0 L de água

b) 1,0 L de solução tampão onde a C s a l = C á c i d o = 0,1   m o l / L . (Dado: p K a = 4,76 )

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

a) Alteração no pH da água.

Inicialmente a água tem pH 7,0, estando neutra.

K w = H 3 O + . O H -

H 3 O + = 10 - 14 = 10 - 7

p H = - log ⁡ 10 - 7 = 7,0

Ao adicionar 1 mL de H C l   10,0   M , estamos adicionando quantos moles de H C l ?

n H C l = 10,0   m o l L .   1,0 . 10 - 3 L = 0,01   m o l

Como estamos adicionando esse n em 1,0 litro de água:

H 3 O + = 0,01   m o l 1,0   L = 0,01   m o l / L

p H = - log ⁡ 0,01 = 2,0

Então, a adição de 1 mL de H C l mudou o pH de 7,0 para 2,0.

Passo 2

b) O pH da solução antes da adição de H C l pode ser calculado por:

p H = p K a + log ⁡ C s a l C á c i d o

p H = 4,76 + log ⁡ 0,1 0,1 = 4,76

Aí vamos considerar que adicionamos 1 mL de H C l 10,0 M nessa solução tampão. Como a gente já calculou no passo 1, isso significa que estamos adicionando 0,01 mol de H + no meio.

Esses H + vão reagir com o A - do meio.

Então, a nova [ A - ] será a concentração inicial menos 0,01 mol.

A - = 0,1 - 0,01 = 0,09   m o l / L

Por outro lado, a concentração de H A aumentou 0,01 mol. Porque cada H + que reage com um A - forma um H A .

H A = 0,1 + 0,01 = 0,11   m o l / L

Portanto:

p H = 4,76 + log ⁡ 0,09 0,11 = 4,67

E o pH do meio passou de 4,76 para 4,67.

Passo 3

Na ausência do tampão, a alteração de pH foi de 5 unidades. Na presença do mesmo, a alteração foi de 0,09.

Resposta

a) p H i = 7,0 e p H f = 2,0

b) p H i = 4,76 e p H f