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Autoionização da água
Na autoionização da água, um próton é transferido de uma molécula de água para outra para produzir um íon hidrônio (H₃O⁺) e um íon hidróxido (OH⁻). A expressão de equilíbrio dessa reação é Kw = [H₃O⁺][OH⁻], sendo Kw a constante de autoionização da água. A 25°C, o valor de Kw é 1,0 x 10⁻¹⁴. Na água pura, as concentrações de H₃O⁺ e OH⁻ são iguais, e a água é considerada neutra. Versão original criada por Jay.
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RKA8JV - Olá, tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma
aula de Ciências da Natureza. Nesta aula, vamos conversar
sobre a autoionização da água. A autoionização da água se refere
à reação das moléculas de água para formar dois íons. O íon hidrônio, que é o H₃O⁺, e o íon hidróxido, que é o OH⁻. A água pode funcionar como
um ácido ou uma base, e nessa reação, uma molécula de água funciona
como um ácido de Bronsted-Lowry e doa 1 próton, e outra molécula de água funciona
como uma base de Bronsted-Lowry e aceita 1 próton. Na reação, a base pega 1 íon H⁺ do ácido e esses 2 elétrons são deixados
para trás nesse oxigênio. Ao adicionar um H⁺ ao H₂O, temos como resultado o íon hidrônio H₃O⁺. Ao tirar um H⁺ de H₂O temos como
resultado o íon hidróxido OH⁻. Podemos escrever uma expressão de
constante de equilíbrio para essa reação. Sendo assim, podemos colocar aqui a
constante de equilíbrio "K" sendo igual a, começamos com os nossos produtos, ou seja, temos a concentração
de íons hidrônio. Uma vez que temos um coeficiente de 1 à frente do hidrônio na
equação balanceada, teremos a concentração de íons hidrônio
elevado à primeira potência, e isso vezes a concentração
de íons hidróxido. Como também temos um coeficiente de 1
na equação balanceada, temos essa concentração também
elevado à primeira potência. Agora, a gente colocaria isso sobre
a concentração dos reagentes, porém, o que temos aqui é água líquida, que vai ser deixada de fora da
expressão de constante de equilíbrio. Então ficamos apenas com isso. Normalmente, escreveríamos "Kc", onde o "c" representa a concentração
para a constante de equilíbrio, afinal, estamos lidando
com concentrações aqui. No entanto, essa uma expressão de
constante de equilíbrio especial para a autoionização da água, então, em vez de escrever "Kc", vamos escrever "Ka", onde o "a'' significa água. Ka = 1,0 vezes 10⁻¹⁴, a 25 °C. Repare que temos um valor
muito baixo para "Ka", ou seja, temos um valor muito menor que 1. Isso nos diz que em equilíbrio temos
uma concentração muito pequena de íons hidrônio e íons hidróxido, então, temos principalmente
moléculas de H₂O em equilíbrio. Vamos seguir em frente resolver aqui para a concentração de íons hidrônio e íons hidróxido em equilíbrio. Na equação balanceada, há um coeficiente de 1 na frente
do hidrônio e do hidróxido, portanto, em equilíbrio, essas
duas concentrações são iguais. Como eu não sabemos quais
são essas concentrações, vamos representá-las
escrevendo um "x" aqui. Então isso aqui vai ser "x vezes x", que é igual a 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Sendo assim, temos que
x² = 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Calculando a raiz quadrada
de ambos os lados, temos que x = 1,0 vezes 10⁻⁷. Portanto, se tivéssemos uma
amostra de água pura a 25 °C, a concentração de íons hidrônio
e a concentração de íons hidróxido seria igual a 1,0 vezes 10⁻⁷ Molar. Agora, em vez de usar
duas moléculas de água para mostrar a autoionização da água, também é possível mostrá-la usando apenas uma molécula de água, ou seja, podemos ter aqui H₂O
se quebrando para formar H⁺ e OH⁻. O H⁺, que é o íon hidrogênio, às vezes é usado de forma
alternada com H₃O⁺, que é o íon hidrônio. Nós acabamos de ver que a água pura tem uma concentração de íons hidrônio
igual à concentração de íons hidróxido, portanto, a água pura é
uma substância neutra, e para qualquer solução aquosa, onde a concentração de íons hidrônio é igual à concentração de íons hidróxido, nós a classificaríamos como
uma solução neutra. Se uma solução aquosa tiver uma
concentração de íons hidrônio maior do que a concentração
de íons hidróxido, nós classificaríamos essa solução
como uma solução ácida. Se uma solução aquosa tiver uma
concentração de íons hidrônio menor do que a concentração
de íons hidróxido, ou que a concentração
de íons hidróxido é maior do que a concentração
de íons hidrônio, a solução seria considerada
uma solução básica. Na equação da qual já falamos, a concentração de íons hidrônio vezes a concentração de
íons hidróxido é igual a "Ka", que é igual a 1,0 vezes 10⁻¹⁴ a 25 °C. Inclusive, esta equação é verdadeira se você estiver lidando
com uma solução ácida, uma solução neutra ou
com uma solução básica. Eu vou chamar esta equação de equação ''Ka" de agora em diante, ok? Vamos dizer que temos uma solução aquosa e a concentração de
íons hidrônio na solução é igual a 4,0 vezes 10⁻⁶ M a 25 °C, e que nosso objetivo seja calcular a concentração de íons hidróxido
na solução a 25 °C. Para resolver a concentração
de íons hidróxido, podemos usar nossa equação "Ka". Precisamos substituir a
concentração de íon hidrônio. Isso nos dá 4,0 vezes 10⁻⁶ vezes a concentração de íon hidróxido, que vamos colocar um "x" aqui. E tudo isso é igual a "Ka",
que é igual a 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Resolvendo para "x", encontramos "x" sendo igual
a 2,5 vezes 10⁻⁹. Como o "x" é igual à concentração
de íon hidróxido, a concentração do íon hidróxido
é igual 2,5 vezes 10⁻⁹ M. Para esta solução aquosa, a concentração de íon hidrônio é maior
do que a concentração de íon hidróxido, portanto, esta é uma solução ácida. Inclusive vou escrever isso aqui,
é uma solução ácida. Como sabemos, uma
constante de equilíbrio só é constante em uma
temperatura específica. Por exemplo, a 25 °C, Ka = 1,0 vezes 10⁻¹⁴. Mas se você alterar a temperatura, o valor de "Ka" é alterado. A 50 °C por exemplo,
Ka = 5,5 vezes 10⁻¹⁴, portanto, um aumento na temperatura
de 25 °C para 50 °C causa um aumento no valor de "Ka", ou seja, o aumento da temperatura
causa um aumento no "Ka". Podemos usar o princípio de Le Chatelier para prever se a autoionização da água é uma reação endotérmica
ou uma reação exotérmica. Um aumento no "Ka" significa um aumento
da concentração de íon hidrônio e íon hidróxido em equilíbrio. Portanto, a reação líquida
deve ter ido para a direita a fim de aumentar a quantidade
de nossos produtos. Se tratarmos o calor como um reagente, aumentar a temperatura
é como se tivéssemos aumentando a quantidade de
um de nossos reagentes. Portanto, de acordo com
o princípio de Le Chatelier, a reação líquida se deslocará para
a direita para fazer mais do produto. Como foi isso que observamos
ao aumentar o valor de "Ka", sabemos que a autoionização da água
é uma reação endotérmica. Se tivéssemos colocado calor
no lado dos produtos e tratado isso como uma reação exotérmica, teríamos obtido um deslocamento
na direção errada, teríamos um deslocamento para esquerda, portanto, saberíamos que
a reação não é exotérmica. Depois de ter visto tudo isso, finalmente vamos calcular
a concentração de íons hidrônio e íons hidróxido em uma
amostra de água pura a 50 °C. Ainda podemos usar a equação "Ka", portanto, "Ka" é igual à concentração
de íons hidrônio vezes a concentração de íons hidróxido. No entanto, como a temperatura
agora é 50 °C, não podemos usar 1,0 vezes 10⁻¹⁴ porque esse é o "Ka" a 25 °C, precisamos usar o "Ka" a 50 °C, que é 5,5 vezes 10⁻¹⁴. Para a autoionização da água, a proporção molar de íons hidrônio
para íons hidróxido é de 1:1. Sendo assim, a concentração
do íon hidrônio é igual à concentração do íon hidróxido, então, ao substituir aqui para o hidrônio, se a gente falar que a concentração é "x", a concentração de hidróxido
também vai ser ''x''. Sendo assim, teremos
"x vezes x" sendo igual a "Ka", que é igual a 5,5 vezes 10⁻¹⁴. Dessa forma, temos que
x² = 5,5 vezes 10⁻¹⁴. Para resolver para "x", basta calcular a raiz quadrada
de ambos os lados da igualdade. Ao fazer isso, chegamos à conclusão que x = 2,3 vezes 10⁻⁷. Repare que a concentração de íons hidrônio é igual à concentração de íons hidróxido, que é 2,3 vezes 10⁻⁷ M. Observe que a concentração é mais
alta do que a que encontramos a 25 °C, o que faz sentido, porque
o valor "Ka" aumentou. No entanto, como a
concentração de hidrônio ainda é igual à concentração
de íons hidróxido, a água pura ainda é neutra. Eu espero que você tenha compreendido
as ideias que conversamos aqui nesta aula e, mais uma vez, eu quero deixar
para você um grande abraço, e dizer que te encontro na próxima. Então, até lá!