exercicios resolvidos

Bibliografia

ATKINS, Peter, JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna

54

e o meio ambiente. 1 ed. Porto Alegre: Bookman, 2001. 1042p.

A874p

RUSSELL, John B. Química Geral. 2 ed. São Paulo: Makron Books, 1994. 969p (2

54

volumes).

R964q

BACAN, Nivaldo. Introdução à semimicroanálise qualitativa. Campinas: Editora Unicamp. VOGEL, Arthur I. Química analítica qualitativa. 5 ed. São Paulo: Editora Mestre Jou,

543

1981.

V878q Sexto roteiro de estudos

Soluções Tampão

1. Conceitue a função ácido e a função base de acordo

HSO4- + OH-

SO4-2 + H2O

com os conceitos de Arrhenius e de Brönsted-Lowry.

ácido

base

Para Arrhenius ácido é toda espécie química que se

4. Em relação a um sistema tampão formado por

ioniza em solução aquosa liberando íons H+ e base é toda espécie aquosa que se dissocia em solução

ácido cloroso/clorito de sódio, calcule o pH da solução tampão cuja concentração de ácido cloroso

aquosa liberando íons OH-.

é igual a 0,0200 mol L-1 e a de clorito de sódio é

Para Brönsted-Lowry, ácido é toda espécie química

igual a 0,0100 mol L-1. (Ka = 1,0 x 10 -2)

base

ácido

que libera (doa) íons H+ (próton) em reação química e base é toda espécie química que recebe os íons H+

pka pka −logka −log(1,0x10−2 ) −(−2,0) 2,0 =

liberado pelo ácido. 2. Escreva a equação da reação que ocorre quando se dissolve cianeto de hidrogênio, hidróxido de amônio, sulfeto de hidrogênio e cloreto de metilamônio em água. Indique quais espécies químicas são ácidos de Brönsted e quais são bases de Brönsted.

=

=

=

[base conjugada] [acido fraco] [NaClO] pH = pka + log [HClO] pH = pKa + log

⎛ 0,0100 ⎞ ⎟ ⎝ 0,0200 ⎠

pH = 2,00 + log⎜

pH = 2,00 + log(0,50)

HCN + H2O ácido

base

NH3 + H2O base

ácido

H2S + H2O

pH = 2,00 + (−0,30)

H3O+ + CNácido

pH = 2,00 − 0,30

base

pH = 1,70

NH4+ + OHácido

base 5. Considerando o tampão básico amônia/íon

H3O+ + HS-

ácido base ácido base CH3NH2 + H2O CH3NH3+ + OHbase

ácido

ácido

base

amônio NH3 /NH  /NH4+, explique porque a adição de uma pequena quantidade de ácido e/ou de base não causa uma grande alteração do pH do sistema? Considerando o tampão mencionado acima, qual

3 “A diferença entre um ácido e uma base conjugada é apenas um próton.”  Escreva dois exemplos de

reações químicas que comprovem esta afirmação. HCO3- + H3O+

H2CO3 + H2O

base

ácido

ácido

base

espécie atua como ácido e qual atua como base de Brönsted? Justifique. Os íons H+ adicionados reagem com o NH3 transformando-o em NH4+. Com isto os íons H+ são removidos da solução e não influem no valor do pH.

Os íons OH- adicionados reagem com o NH4+ transformando-o em NH3 e H 2O. Com isto os íons OH-

pH = 14 – pOH = 14 – 4,88 = 9,12

são removidos da solução e não influem no valor do pH.

8. Qual dos sistemas tamponantes abaixo seria uma boa escolha para preparar um tampão?

6. Considerando o tampão básico amônia/íon amônio

a) com pH = 5

(NH4OH/NH4+), deduzir a expressão Henderson-

b) com pH = 10

Hasselbalch que permite calcular o valor do pH do

c) com pH = 7

±

±

1 1

±

1

sistema nas diferentes concentrações de ácido e base adicionados ao tampão.

pKa CH3COOH/CH3COO

kb =

HNO2 /NO2-

NH4+ + OH-

NH3 + H2O

HClO2 /ClO2

[produtos] [reagentes]

+

[NH4 ]

=

[OH− ] = kb.

4,75

NH4  /NH3

3,37

(CH3)3NH+ /(CH3)3N

2,00

-

H2PO4 /HPO4

9,25 2-

dos itens, por exemplo para o item (a) pka deve

[OH− ]

apresentar um valor

[NH3 ]

situado entre 4,0 e 6,0,

portanto ácido acético/acetato

+

[NH4 ] Resp: (a) CH3COOH/CH3COO-

+

− log[OH− ] = −logkb − log pOH = pKb = log

(b) (CH3)3NH+/(CH3)3N

[NH3 ]

(c) H2PO4-/HPO42-

+

[NH4 ]

[NH3 ]

9. Calcular a razão das concentrações, em mol L -1,

+

[NH4 ]

de íons acetato e ácido acético necessária para

+

[NH4 ] pOH = pkb + log [NH3 ]

tamponar uma solução com pH 5,25. (pk a do ácido acético é 4,75)

pH = 14 – pOH

concentração de NH4Cl é 0,0400 mol L -1 e a de NH3 é 0,0300 mol L-1. (Kb = 1,75 x 10-5) −logkb

=

[base conjugada] [acido fraco] [acetato] pH = pka + log [ácido acético] [acetato] 5,25 = 4,75 + log [ácido acético] [acetato] 5,25 − 4,75 = log [ácido acético] [acetato] 0,50 = log [ácido acético] [acetato] 100,50 = [ácido acético] [acetato] 3,16 = [ácido acético] [acetato] = 3,16 [ácido acético] pH = pKa + log

7. Calcule o valor do pH da solução tampão cuja

=

7,21

situado dentro do intervalo mencionado em cada um

⎛ [NH3 ] ⎞ ⎟ − log[OH− ] = −log⎜⎜ kb. ⎟ [NH ] 4 ⎝ ⎠

pkb

9,81

apresenta um valor de pka ou pkb cujo valor está

+

[NH3 ]

pKb +

A melhor escolha corresponde à solução tampão que

[NH4 ].[OH- ] kb = [NH3 ] kb.

-

-

−log(1,75x10−5 ) −(−4,76) 4,76 =

[ácido conjugada] [base fraca] [NH4Cl] pOH = pka + log [NH3 ] pOH = pKb + log

⎛ 0,0400 ⎞ pOH = 4,76 + log⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 0,0300 ⎠ pOH = 4,76 + log(1,333) pOH = 4,76 + (+0,12) pOH = 4,76 + 0,12 pOH = 4,88

=

10. Em relação a um sistema tampão pede-se:

a) Qual a razão entre as concentrações do ácido

b)

acético e do acetato de sódio necessária para

pkb

preparar um tampão cujo pH seja igual a 5,60? (dado Ka CH3COOH = 1,75 x 10-5) [base conjugada] [acido fraco] [acetato] pH = pka + log [ácido acético] [acetato] 5,60 = 4,75 + log [ácido acético] [acetato] 5,60 − 4,75 = log [ácido acético] [acetato] 0,85 = log [ácido acético] [acetato] 100,85 = [ácido acético] [acetato] 7,08 = [ácido acético] [ácido acetico] = 0,141 [acetato] pH = pKa + log

=

−logkb

=

−log(1,75x10−5 )

=

−(−4,76) 4,76 =

[ácido conjugada] [base fraca] [NH4Cl] pOH = pka + log [NH3 ] pOH = pKb + log

⎛ 0,180 ⎞ pOH = 4,76 + log⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 0,240 ⎠ pOH = 4,76 + log(0,75) pOH = 4,76 + (−0,12) pOH = 4,76 − 0,12 pOH = 4,64

pH = 14 – pOH = 14 – 4,64 = 9,36 c) [H ] = 10−pH = 10−9,36 +

=

4,36x10−10 mol/L

12. Calcule a concentração de íons H+ e o pH de uma solução preparada com volumes iguais de ácido acéti-co 0,200 mol L-1 e acetato de sódio 0,150 mol

b) Como é definida a eficiência de um tampão? O

L-1. (ka do ácido acético: 1,75 x 10-5)

tampão acima está dentro da faixa de eficiência? pka

Intervalo de variação de pH na qual o tampão consegue remover os íons hidrônio e hidroxila da solução. Esta faixa corresponde a uma unidade de pH acima ou abaixo do valor de pKa (pKa±1,0). O pH de 5,60 está dentro da faixa de eficiência do tampão pois está nesse intervalo de variação de pH 11. Um tampão foi preparado misturando-se 400 mL de uma solução de NH3 0,600 mol L-1 e 600 mL de

=

−logka

=

−log(1,75x10−5 ) −(−4,76) 4,76 =

=

[base conjugada] [acido fraco] [acetato de sódio] pH = pka + log [ácido acético] [0,150] pH = 4,76 + log [0,200] pH = 4,76 + log(0,75) pH = 4,76 + (−0,12) pH = 4,76 − 0,12 pH = 4,64 pH = pKa + log

uma solução de NH4Cl 0,300 mol L-1. a) Calcule a concentração das espécies em solução

[H ] = 10−pH = 10 −4,64 +

=

2,29x10 −5 mol/L

admitindo que o volume final é de 1000 mL; b) Qual valor do pH deste tampão? (Kb = 1,75 x 10-5)

13. Calcule o pH de uma solução tampão preparada

c) Qual será o valor do pH, após a adição de 0,0200

a partir de CH3NH2(aq) 0,300 mol L-1 e CH3NH3Cl(aq)

mols de íons H+?

0,146 mol L-1 (kb do CH3NH2 é 3,6 x 10 -4)

a) Inicialmente é necessário realizar a diluição da base e do ácido conjugado utilizando a expressão de diluição Mi.Vi = Mf.Vf, na qual o volume final é 1000 mL para os dois casos. Realizando a diluição obtém se para as duas espécies os valores: [NH3] = 0,240 mol/L [NH4Cl] = 0,180 mol/L

pkb

=

−logkb

=

−log(3,6x10−4 ) −(−3,44) 3,44 =

=

[ácido conjugada] pOH = pKb + log [base fraca] [CH3NH3Cl] pOH = pkb + log [CH3NH2 ]

pka

=

−logka

=

−log(1,75x10−5 ) −(−4,76) 4,76 =

=

[base conjugada] [acido fraco] [acetato de sódio] pH = pka + log [ácido acético] [1,02] pH = 4,76 + log [0,98] pH = 4,76 + log(1,04) pH = 4,76 + (+0,02) pH = 4,76 + 0,02 pH = 4,78 pH = pKa + log

⎛ 0,146 ⎞ pOH = 3,44 + log⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 0,300 ⎠ pOH = 3,44 + log(0,487) pOH = 3,44 + (-0,31) pOH = 3,44 − 0,31 pOH = 3,13

pH = 14 – pOH = 14 – 3,13 = 10,87 c) esta na região tamponante porque as variações de pH são inferiores a 1,0 unidade de pH.

14. (a) Qual o valor do pH após a adição de 0,0500 mol de H+ a 0,500 litro do tampão ácido acético/acetato

15. Calcule a relação [H2PO4 ]/[HPO42 ] no sangue

na qual as concentrações de ácido acético (H3CCOOH) e íon acetato (H3CCOO ) são iguais a 1,00 mol L-1 (Ka

cujo valor do pH é 7,4. (pka NaH 2PO4 = 7,2)

 ⎯ 

 ⎯ 

 ⎯ 

para ácido acético é 1,8x10-5)? (b) Qual o valor do pH após a adição de 0,0100 mol

[base conjugada] [acido fraco]

de OH a 0,500 litro do tampão ácido acético/acetato

[HPO4 ]

pH = pKa + log

 ⎯ 

2-

pH = pka + log

na qual as concentrações de ácido acético (H3CCOOH) -1

e íon acetato (H3CCOO ) são iguais a 1,00 mol L (Ka  ⎯ 

-

[H2PO4 ] 2-

7,4 = 7,2 + log

-5

para ácido acético é 1,8x10 )?

[HPO4 ] -

[H2PO4 ] 2-

(c) Após a adição de ácido (item a) ou de base (item b) o tampão ainda permanece na região tamponan-

7,4 - 7,2 = log

te? Justifique.

0,2 = log

a)

[HPO4 ] -

[H2PO4 ] 2-

[HPO4 ] -

[H2PO4 ] 2-

0,2

Ácido acético 1,00 + 0,10 1,10

acetato 1,00 - 0,10 0,90

10

=

1,58

=

[HPO4 ] -

[H2PO4 ] 2-

[HPO4 ] -

[H2PO4 ] -

pka

=

−logka

=

−5

−log(1,75x10 ) −(−4,76) 4,76 =

[base conjugada] [acido fraco] [acetato de sódio] pH = pka + log [ácido acético] [0,90] pH = 4,76 + log [1,10] pH = 4,76 + log(0,82) pH = 4,76 + (−0,09) pH = 4,76 - 0,09 pH = 4,67

=

[H2PO4 ] -2

[HPO4 ]

=

0,631

pH = pKa + log

b) Ácido acético 1,00 - 0,02 0,98

acetato 1,00 + 0,02 1,02

16. Qual seria a concentração final de H3O+ se 0,100 mol de NaHSO4 (Ka = 1,0 x 10-2) e 0,150 mol de Na2SO4 fossem dissolvidos em 1 litro de H2O? pka

=

−logka

=

pH = pKa + log

−log(1,0x10−2 )

[Na2SO4 ] [NaHSO4 ]

⎛ 0,150 ⎞ pH = 2,00 + log ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 0,100 ⎠ pH = 2,00 + log(1,50) pH = 2,00 + (+0,18) pH = 2,18

=

−(−2,00) 2,00 =

[H ] = 10−pH +

=

10−4,64

=

6,61x10−3 mol/L

17. Compare o efeito no pH da adição de 0,200 mol L 1

[base conjugada] [acido fraco] [formiato] pH = pka + log [ácido fórmico] [1,70] pH = 3,74 + log [1,30] pH = 3,74 + log(1,31) pH = 3,74 + (+0,12) pH = 3,74 + 0,12 pH = 3,86 pH = pKa + log

de H+ e adição de 0,200 mol L -1 de OH a 1,00 litro  ⎯ 

de: a) água pura; b) tampão ácido fórmico-formiato na qual as concentrações de ácido fórmico (HCOOH) e íon formiato (HCOO ) são iguais a 1,50 mol L -1 (Ka para  ⎯ 

ácido fórmico é 1,8 x 10-4)

18. Um volume de 1000 mL de uma solução tampão formada por CH3COOH 0,150 mol L-1 e CH3COONa

a) em água pura:

0,250 mol L-1: a) Qual é o pH da solução tampão?

pH = - log [H+] = - log (0,2) – 0,70

b) Qual é o pH da solução resultante após a adição de 30 x 10 -2 mols de NaOH na solução tampão?

pOH = - log [OH-] = - log (0,2) – 0,70

c) Qual é o pH da solução resultante após a adição

pH = 13,30

de 60 x 10 -2 mols de HNO3 à solução tampão inicial? Considere que não houve variação de volume.

b) adição de ácido: Ácido fórmico 1,50 + 0,20 1,70 pka

=

−logka

Resp. (a) pH = 4,98;

formiato 1,50 - 0,20 1,30 =

−log(1,80x10−4 )

(b) pH = 5,10; (c) pH = 4,78

=

[base conjugada] [acido fraco] [formiato] pH = pka + log [ácido fórmico] [1,30] pH = 3,74 + log [1,70] pH = 3,74 + log(0,76) pH = 3,74 + (−0,12) pH = 3,74 - 0,12 pH = 3,62 pH = pKa + log

Adição de base Ácido fórmico 1,50 - 0,20 1,30

formiato 1,50 + 0,20 1,70

−(−3,74) 3,74 =

a) Ácido acético 1,00 + 0,10 1,10 pka

=

−logka

acetato 1,00 - 0,10 0,90 =

−log(1,75x10−5 ) −(−4,76) 4,76 =

=

[base conjugada] [acido fraco] [acetato de sódio] pH = pka + log [ácido acético] [0,90] pH = 4,76 + log [1,10] pH = 4,76 + log(0,82) pH = 4,76 + (−0,09) pH = 4,76 - 0,09 pH = 4,67 pH = pKa + log

b) Ácido acético 1,00 - 0,02 0,98 pka

=

−logka

acetato 1,00 + 0,02 1,02 =

−log(1,75x10−5 ) −(−4,76) 4,76 =

=

[base conjugada] [acido fraco] [acetato de sódio] pH = pka + log [ácido acético] [1,02] pH = 4,76 + log [0,98] pH = 4,76 + log(1,04) pH = 4,76 + (+0,02) pH = 4,76 + 0,02 pH = 4,78 pH = pKa + log

c) esta na região tamponante porque as variações de pH são inferiores a 1,0 unidade de pH.