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Equilíbrio iônico da água, pH e pOH

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Alguns pontos-chave dessa matéria para o ENEM que devem ser levados em conta ao estudarmos são:

1. Equilíbrio Iônico da Água, pH e pOH

Vamos conversar sobre um cientista incrível chamado Friedrich Kohlrausch. Vocês já ouviram falar dele? Kohlrausch viveu de 1840 a 1910 e foi ele quem sugeriu pela primeira vez que a água pura poderia conduzir eletricidade. Agora, isso pode parecer estranho, porque geralmente pensamos na água como algo não muito elétrico, certo? Mas Kohlrausch descobriu que isso é verdade, embora seja em uma escala muito pequena.

Aqui está o motivo: a água pode ser um tanto bipolar. Em química, chamamos isso de comportamento anfótero. Às vezes, ela age como um ácido, doando prótons, que são as partículas de hidrogênio (H+). Em outros momentos, ela age como uma base, aceitando prótons. Pode parecer que ela está tendo uma crise de identidade, mas é apenas a maneira dela de se comportar!

O que é realmente interessante é que a água pode se ionizar, ou seja, ela pode se dividir em íons, as pequenas partículas carregadas que permitem que a eletricidade flua. Este processo se chama autoionização da água. Agora, não se enganem, este não é um processo que acontece frequentemente. Na verdade, ocorre em uma escala muito pequena. É por isso que a água é considerada um eletrólito fraco, o que significa que ela não é muito boa em conduzir eletricidade.

Vamos falar em números por um momento. Digamos que temos um bilhão de moléculas de água. Vocês sabem quantas se ionizariam? Apenas duas! Sim, é verdade. Apenas duas dessas moléculas se ionizariam e formariam íons.

Existe uma constante química que nos ajuda a entender este processo de ionização. É chamada de constante de dissociação da água, ou Kw. Isso nos ajuda a entender quão provável é que uma molécula de água se ionize. Este 'w' em Kw é de 'water', que é a palavra para água em inglês.

Então, lembrem-se, a água pode se comportar tanto como um ácido quanto como uma base. Ela pode se ionizar, mas geralmente não o faz muito. E tudo isso é resumido na constante Kw. Interessante, não é?

Então, vamos falar agora sobre como podemos calcular essa constante de dissociação da água, o Kw. Lembra quando falamos sobre as constantes de equilíbrio Kc e Kp? Vamos usar uma lógica semelhante aqui.

Porém, algo que precisamos lembrar é que, nesse caso, apenas os produtos aparecerão na expressão. Por quê? Bom, porque a água no estado líquido tem atividade igual a 1. Então, substâncias líquidas puras ou sólidas não são incluídas na expressão da constante de dissociação, pois elas não mudam. Nessa expressão, incluímos apenas soluções aquosas e gasosas. Então, temos:

Agora, colocando os valores que temos para a ionização da água, temos:

Então, como todas as outras constantes de equilíbrio, o Kw só vai mudar se a temperatura mudar. Isso faz sentido, certo? Se você aquecer a água, a ionização vai aumentar. Isso nos mostra que a autoionização da água é um processo endotérmico, ou seja, ela absorve calor.

Temos uma tabela aqui que mostra os valores do produto iônico da água (Kw) em diferentes temperaturas. Mas o que você precisa lembrar é que o valor do Kw é sempre fixo para cada temperatura, seja em água pura ou em solução. Mesmo que a solução tenha diferentes concentrações dos íons H3O+ e OH-, o produto entre eles permanecerá constante.

O, é provavelmente a molécula mais familiar para a maioria de nós. Ela é composta por dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio. Mas o que acontece quando essa ligação é quebrada? Bem, isso dá origem a íons com cargas de sinais contrários. Vamos entender isso melhor com a seguinte reação de dissociação iônica da água:

Esta equação demonstra que os íons H+ e OH- são originados da molécula de água, H2O. Interessante, não é mesmo? Além disso, esses íons estão em um delicado equilíbrio, o que significa que a reação também está em equilíbrio.

Agora, é importante ressaltar que as concentrações desses íons H+ e OH- variam com a temperatura. Mas, independentemente disso, elas sempre estarão iguais entre si em um dado momento. Ou seja, para a água, temos:

Por exemplo, em água pura a 25 ºC, as concentrações desses íons têm um valor igual a 10

 mol/L. Então, em termos simples, temos:

Água pura a 25 ºC → [H+] = [OH-] = 10

Dessa forma, entendemos como a água pode se autoionizar, como mostrado no tópico anterior.

Em um ambiente aquoso, a água pode sofrer um processo de autoionização, gerando íons hidrogênio (H+) e hidroxila (OH-). Este fenômeno ocorre em um estado de equilíbrio, que é crucial para entender os conceitos de pH e pOH.

O termo pH é uma medida da acidez ou basicidade de uma solução. O 'p' na nomenclatura pH é simplesmente uma abreviação de 'potenz', uma palavra alemã que significa 'poder' ou 'potencial', e 'H' é claro, refere-se ao íon hidrogênio (H+). Portanto, o pH é uma medida do "potencial de hidrogênio" em uma solução. Em termos técnicos, é o logaritmo negativo da concentração molar de íons de hidrogênio (H+) na solução. Matematicamente, isso é expresso como:

A escala de pH varia de 0 a 14, onde um pH menor que 7 indica uma solução ácida, um pH igual a 7 indica uma solução neutra (como a água pura), e um pH maior que 7 indica uma solução básica ou alcalina.

Por outro lado, o pOH é uma medida da concentração de íons hidroxila (OH-) em uma solução. Assim como no pH, o 'p' significa 'potencial' e o 'OH' refere-se ao íon hidroxila. Então, o pOH é o logaritmo negativo da concentração molar de íons hidroxila (OH-) na solução. Isso pode ser expresso matematicamente como:

A escala de pOH também varia de 0 a 14, onde um pOH menor que 7 indica uma solução básica, um pOH de 7 indica uma solução neutra, e um pOH maior que 7 indica uma solução ácida.

Em condições normais de temperatura e pressão (25°C), a soma do pH e do pOH de uma solução é sempre 14. Portanto, se conhecermos o pH de uma solução, podemos facilmente calcular o pOH, e vice-versa. Isso é expresso pela seguinte equação:

Esses dois conceitos, pH e pOH, são extremamente importantes para entender a acidez ou basicidade de uma solução e têm muitas aplicações práticas, desde o controle do pH da água da piscina até a regulação do pH do sangue em nosso corpo para manter a saúde celular e o funcionamento adequado do organismo.

Para mais sobre o pH e o pOH, veja nossa aula anterior sobre Indicadores Ácido-Base!

No estudo da química, particularmente quando estamos lidando com ácidos e bases, frequentemente nos deparamos com as notações H+ e H

O+. Embora possam parecer diferentes à primeira vista, na prática, eles são frequentemente usados de forma intercambiável. Vamos explorar por quê.

O íon H+ é o íon hidrogênio, que é essencialmente um átomo de hidrogênio que perdeu seu único elétron, restando apenas o próton. Devido à sua natureza altamente instável e reativa, é raro encontrá-lo sozinho em solução. Ao invés disso, ele tende a se associar com outras moléculas, mais comumente a água.

O) aceita um íon hidrogênio (H+), ela forma o que é conhecido como íon hidrônio, representado como H

O+. Este íon é mais estável em solução do que o H+ sozinho.

Então, por que esses dois são frequentemente usados como sinônimos? Isso ocorre porque, em solução, a presença de íons H+ é geralmente devido à formação de íons hidrônio. Quando falamos de acidez e pH, estamos na verdade medindo a concentração de íons hidrogênio na solução, mas como eles existem principalmente na forma de íons hidrônio, os termos H+ e H

O+ representam conceitualmente a mesma ideia - a presença de íons hidrogênio em solução - mas H

O+ é uma representação mais precisa do que realmente acontece em nível molecular em soluções aquosas.