Um sistema fora do equilíbrio pode caminhar para atingi-lo de duas maneiras: i) se deslocando para formar produto, ou ii) regenerando os reagentes. O quociente (Q) entre as quantidades de produtos e reagentes em cada uma das situações poderá indicar qual o caminho a reação deverá tomar até o equilíbrio ser atingido. Muitas vezes, reações caminham pouco até os produtos representando um rendimento percentual muito pequeno, inviabilizando a realização dessa reação a níveis industriais. Portanto, algumas modificações podem ser feitas para induzir ou forçar a reação a caminhar na direção desejada. Um exemplo de processo em equilíbrio no qual comumente há necessidade de direcionarmos o sentido é a reação ácido-base, principalmente no que tange o ajuste de pH de um meio, especialmente na agricultura onde o solo deve estar com pH ótimo para um bom cultivo. Nesse sentido, considere um experimento de ajuste de pH de solo realizado em laboratório a partir de um meio simulado. O pH inicial do solo foi atingido utilizando ácido acético 0,25 mol/L. Em seguida, para remediar o solo, foi utilizado um sal, acetato de sódio, em solução 0,50 mol/L. Considerando a constante de equilíbrio de ionização do ácido igual a 1,8x10‾5 , e a hidrólise do acetato de sódio com constante de equilíbrio de 5,6x10-10 , responda:
Escreva a expressão da constante de equilíbrio para a ionização do ácido acético.
Escreva a expressão da constante de equilíbrio para a hidrólise do acetato de sódio.
Calcule o pH inicial do solo.
Após a remediação do solo com acetato de sódio, qual o valor do pH atingido?
A partir do cálculo do quociente (Q), indique qual o sentido a reação tomou ao adicionarmos o acetato de sódio ao solo.
Resposta
1. Expressão da constante de equilíbrio para a ionização do ácido acético
A ionização do ácido acético pode ser representada pela equação:
CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻ + H⁺
A constante de equilíbrio (Ka) para essa reação é definida como:
Ka = [CH₃COO⁻][H⁺] / [CH₃COOH]
onde [CH₃COO⁻], [H⁺] e [CH₃COOH] são as concentrações do acetato, do íon hidrogênio e do ácido acético, respectivamente.
2. Expressão da constante de equilíbrio para a hidrólise do acetato de sódio
A hidrólise do acetato de sódio pode ser representada pela equação:
CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻
A constante de equilíbrio (Kb) para essa reação é definida como:
Kb = [CH₃COOH][OH⁻] / [CH₃COO⁻]
onde [CH₃COOH], [OH⁻] e [CH₃COO⁻] são as concentrações do ácido acético, do íon hidróxido e do acetato, respectivamente.
3. Cálculo do pH inicial do solo
O pH inicial do solo pode ser calculado a partir da concentração do ácido acético (0,25 mol/L) e da constante de equilíbrio de ionização do ácido (Ka = 1,8x10⁻⁵).
Primeiramente, vamos calcular a concentração do íon hidrogênio (H⁺) utilizando a equação de Henderson-Hasselbalch:
pH = pKa + log([Base]/[Ácido])
onde [Base] é a concentração do acetato (CH₃COO⁻) e [Ácido] é a concentração do ácido acético (CH₃COOH).
Como a concentração do ácido acético é muito maior que a concentração do acetato, podemos considerar que a concentração do ácido acético é igual à concentração inicial (0,25 mol/L).
pH = pKa + log([CH₃COO⁻]/[CH₃COOH])
pH = pKa + log([CH₃COO⁻]/0,25)
Para calcular a concentração do acetato, vamos utilizar a equação de equilíbrio:
Ka = [CH₃COO⁻][H⁺] / [CH₃COOH]
Substituindo os valores, temos:
1,8x10⁻⁵ = [CH₃COO⁻][H⁺] / 0,25
Para simplificar, vamos considerar que a concentração do acetato é muito menor que a concentração do ácido acético, então:
[H⁺] ≈ √(Ka * [CH₃COOH]) = √(1,8x10⁻⁵ * 0,25) = 2,12x10⁻³ mol/L
Agora, podemos calcular o pH inicial do solo:
pH = -log[H⁺] = -log(2,12x10⁻³) = 2,67
4. Cálculo do pH atingido após a remediação do solo com acetato de sódio
Após a adição do acetato de sódio, a concentração do acetato aumenta e a concentração do ácido acético diminui. Vamos considerar que a concentração do acetato é igual à concentração inicial do sal (0,50 mol/L).
Para calcular o pH atingido, vamos utilizar a equação de Henderson-Hasselbalch novamente:
pH = pKa + log([CH₃COO⁻]/[CH₃COOH])
Substituindo os valores, temos:
pH = pKa + log(0,50/[CH₃COOH])
Para calcular a concentração do ácido acético, vamos utilizar a equação de equilíbrio novamente:
Ka = [CH₃COO⁻][H⁺] / [CH₃COOH]
Substituindo os valores, temos:
1,8x10⁻⁵ = 0,50[H⁺] / [CH₃COOH]
Para simplificar, vamos considerar que a concentração do ácido acético é muito menor que a concentração do acetato, então:
[H⁺] ≈ Ka * [CH₃COOH] / 0,50 = 1,8x10⁻⁵ * [CH₃COOH] / 0,50
Agora, podemos calcular o pH atingido:
pH = -log[H⁺] = -log(1,8x10⁻⁵ * [CH₃COOH] / 0,50)
Como a concentração do ácido acético é desconhecida, vamos considerar que a concentração do ácido acético é muito menor que a concentração do acetato, então:
pH ≈ -log(1,8x10⁻⁵ / 0,50) = 4,74
5. Cálculo do quociente (Q) e sentido da reação
Para calcular o quociente (Q), vamos utilizar as concentrações do acetato e do ácido acético antes e após a adição do acetato de sódio.
Q = [CH₃COO⁻]² / [CH₃COOH]²
Antes da adição do acetato de sódio:
Q ≈ [CH₃COO⁻]² / 0,25² = [CH₃COO⁻]² / 0,0625
Após a adição do acetato de sódio:
Q ≈ 0,50² / [CH₃COOH]²
Como Q > 1, a reação tomou o sentido de formar produto, ou seja, o acetato de sódio se hidrolisou para formar ácido acético e íon hidróxido, aumentando o pH do solo.
Portanto, o sentido da reação foi de formar produto, aumentando o pH do solo de 2,67 para aproximadamente 4,74.
