Solução Tampão
Teoria
Opaa, e ai?! Bora conversar um pouquinho sobre solução-tampão?
Solução-tampão, o que é?!
É uma solução, que pode ser ácida ou básica e sua principal característica é resistir a grandes variações de pH quando adicionado ácido ou base fortes à solução.
-Oi??
Perai, vamos juntinho com calma que tudo vai ficar claro!
As soluções-tampão são formadas pela mistura de um ácido (fraco) ou a base (fraca) ao adiciona-la a um sal contendo seu ácido ou base conjugada. Como por exemplo, a mistura de ácido acético e acetato de sódio.
Nesse caso a solução é formada por um ácido fraco e um sal contendo sua base conjugada.
CURIOSIDADE!! Um exemplo de solução tampão é a uma mistura presente no nosso sangue!! A mistura é formada por uma solução de ácido carbônico
Isso permite que o nosso sangue tenha uma pequena variação de pH. E essa estabilidade no pH do nosso sangue é essencial para nossa sobrevivência!
Como funciona?
Uma solução-tampão funciona, basicamente pelo efeito do íon comum!
Para isso precisamos relembrar como funciona uma reação em equilíbrio. Para isso vamos voltar ao exemplo do ácido acético e acetato de sódio.
Quando existe um equilíbrio e você adiciona excesso de um dos produtos
Então mesmo que a gente adicione ácido forte
Mas, se ao invés de adicionar ácido, for adicionada uma base ao meio?
Nesse caso a base vai reagir com o
Ou seja: embora a base tenha sido adicionada, isso provocou a liberação de mais
Sentiu agora a função da solução tampão?
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. Essas duas maneiras funcionam tanto para ácidos como com bases.
De forma simples, podemos fazer assim:
Podemos escrever a constante de equilíbrio:
Aí, como o ácido é fraco, temos:
Então podemos considerar que
Já a
Isolando o
E lembrando que
Para um tampão feito com uma base e seu ácido conjugado:
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 com um sal .
- Primeiro escrevemos as reações envolvidas:
- Identificamos quais as concentrações desconhecidas (incógnitas):
- Escrevemos todas as equações que temos:
Temos
Como vimos anteriormente, manipulando, chegamos a:
Isolando o
Mas
Isolando o
Substituindo
Substituindo no
Se a gente considerar que as concentrações de
Para ver melhor como tudo isso se aplica e funciona na prática, tem vários exercícios de fixação resolvido passo-a-passo pra você... Vamos lá conferir!
Como funciona?
Cálculo de pH para Solução-Tampão
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
Elaboração própria.
Verifique se uma solução tampão é efetiva comparando a alteração de pH ao adicionar 1mL de 10,0 M em:
a) 1,0 L de água
b) 1,0 L de solução tampão onde a . (Dado: )
Passo 1
a) Alteração no pH da água.
Inicialmente a água tem pH 7,0, estando neutra.
Ao adicionar 1 mL de , estamos adicionando quantos moles de ?
Como estamos adicionando esse em 1,0 litro de água:
Então, a adição de 1 mL de mudou o pH de 7,0 para 2,0.
Passo 2
b) O pH da solução antes da adição de pode ser calculado por:
Aí vamos considerar que adicionamos 1 mL de 10,0 M nessa solução tampão. Como a gente já calculou no passo 1, isso significa que estamos adicionando 0,01 mol de no meio.
Esses vão reagir com o do meio.
Então, a nova será a concentração inicial menos 0,01 mol.
Por outro lado, a concentração de aumentou 0,01 mol. Porque cada que reage com um forma um .
Portanto:
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 e p
b) p e p
Exercício Resolvido #2
UNB – Lista de Química Analítica. Professora Ana Cristi. Questão 24.
Liste dois ácidos fracos e os sais contendo suas bases conjugadas que podem ser utilizados para preparar soluções tampão com pH aproximadamente 4,5.
Passo 1
Sabemos que o pH de uma solução tampão contendo ácido fraco é dado por:
Portanto, se queremos fazer um tampão com pH aproximadamente igual a 4,5, podemos usar , tal que o log será 0, e procurar ácidos com p.
Passo 2
Pela tabela, temos como possibilidades:
- Ácido acético + acetato de sódio
- Ácido butanoico + butanoato de potássio
Os cátions dos sais devem ser vir de bases fortes, pra não causar hidrólise.
Como os p estão um pouco acima do pH pedidos, podemos modificar um pouco as concentrações do sal e do ácido.
Para o tampão acético:
Portanto, poderíamos usar e .
Para o tampão butanóico:
Portanto, poderíamos usar e .
As concentrações dos sais foram escolhidas de forma aleatória! Você pode usar valores diferentes. Mas a concentração do ácido está “amarrada” à concentração do sal que você escolher. Ou você escolhe primeiro a concentração do ácido e calcula a do sal necessária.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #3
UNB – Lista de Química Analítica. Professora Ana Cristi. Questão 25.
Liste duas bases fracas e os sais contendo seus ácidos conjugados que podem ser utilizados para preparar soluções tampão com pH aproximadamente 9,0.
Passo 1
Vamos procurar dois caras aí de cima que tenham p próximo de 9. E que o ácido tenha carga, assim ele pode formar um sal.
Passo 2
Pela tabela, temos algumas possibilidades. Escolhemos:
- Amônia + cloreto de amônio
- Trimetilamina + brometo de trimetilamônio
Os ânions dos sais devem ser oriundo de ácidos fortes, pra não causar hidrólise.
Como os p estão um pouco acima do pH pedidos, podemos modificar um pouco as concentrações do sal e do ácido.
Para o tampão amoniacal:
Porque que a gente trocou a base com o sal ali?
Na fórmula do pH temos em cima representando o do ácido. Mas aqui, a forma desprotonada do ácido é justamente a amônia, que é a nossa base.
Ainda na fórmula do pH, temos em baixo. Acontece que o nosso ácido é o , que será veiculado pelo sal, o cloreto de amônio.
Se optarmos, por exemplo, por usa e .
Para o tampão com trimetilamina:
Portanto, poderíamos usar e .
Passo 3
Se você não gostou da gente ter trocado a forma da fórmula, aqui vai um outro jeito de pensar o mesmo problema.
Para um tampão feito com uma base + seu ácido conjugado:
Como queremos p, o .
Como o do amônio é igual a , o da amônia será:
Portanto, jogando tudo isso na fórmula do pOH:
Se a concentração do sal for arbitrariamente escolhida como , a concentração da base será:
Mesmo resultado!
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #4
USP/IQSC – Lista de Equilíbrio Químico. Prof. Albérico. Questão 08.
Qual a razão entre as concentrações de ácido acético () e íon acetato () necessária para preparar um tampão cujo pH seja 5,70? Dado: .
Passo 1
Vamos definir a fórmula do pH de novo:
Isolando o :
Aplicando “”:
Passo 2
Queremos pH.
Nosso p será:
Portanto:
E a razão entre o ácido acético e o íons acetato, pedido no enunciado é o inverso do que achamos:
Resposta
9,09
Exercício Resolvido #5
UNB – Lista de Química Analítica. Prof. Ana Cristi. Questão 11. Modificada.
Deduda, utilizando o método sistemático (equações de balanço de massa, balanço de carga, constantes de dissociação ácida ou básica e constante de auto dissociação da água) equações para o cálculo de pH ou pOH de:
- Tampão ácido () com concentração analítica do igual a e a concentração analítica do igual a ;
- Tampão básico () com concentração analítica de igual a e concentração analítica do igual a .
Use aproximações pertinentes e justifique-as.
Passo 1
a) A gente sabe que a fórmula prontinha que a gente usa pra cálculo de pH de tampão já tem umas aproximações. Para o método sistemático, considerando o tampão acético, fazemos assim:
1º) Escrevemos as reações envolvidas:
2º) Identificamos quais as concentrações desconhecidas (incógnitas):
3º) Escrevemos todas as equações que temos:
Com 5 incógnitas e 5 equações, podemos resolver o problema.
Começamos com a fórmula do . Queremos calcular [ e precisamos substituir e por algo que a gente possa calcular.
Pelo BC:
Como . Então:
E pra isolar o , podemos usar o 2° balanço de massa:
E trocando o pelo que já conhecemos dele:
Temos a concentração do ácido e da base conjugada devidamente isolada. Podemos substituir tudo isso na nossa equação do :
Aplicando “:
Fazendo a aproximação de que e são muito menor que e :
Passo 2
b) No método sistemático:
1º) Escrevemos as reações envolvidas:
2º) Identificamos quais as concentrações desconhecidas (incógnitas):
3º) Escrevemos todas as equações que temos:
Com 5 incógnitas e 5 equações, podemos resolver o problema.
Começamos com a fórmula do . Queremos calcular [ e precisamos substituir e por algo que a gente possa calcular.
Pelo BC:
Como . Então:
E pra isolar o , podemos usar o 2° balanço de massa:
E trocando o pelo que já conhecemos dele:
Temos as concentrações da amônia e do amônio devidamente isoladas. Podemos substituir tudo isso na nossa equação do :
Isolando :
Aplicando “:
Fazendo a aproximação de que e são muito menor que e :
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #6
UFRJ – Exercícios de aula de Química Analítica. Prof. Ricardo Santelli. Questão 01.
Calcular o pH de uma solução tampão constituída por 0,020 mol/L e 0,030 mol/L.
Dado: .
Passo 1
Pelo método simplificado:
Onde:
Tal que:
O que nos leva a :
Passo 2
No entanto, a gente sabe que essa fórmula só é verdadeira se e forem muito menor que e :
Será que isso é verdade?
É! As concentrações de e são, de fato, bem menores que as concentrações da base e do sal.
Resposta
p
Exercício Resolvido #7
UNB – Química Analítica. Professora Ana Cristi. Questão 23.
Calcule a razão das concentrações molares de íon benzoato de sódio e de ácido benzoico não ionizado necessárias para tamponar uma solução a pH 3,5.
Dado: .
Passo 1
Olha aí o equilíbrio de ionização do ácido benzóico
Isolando o :
Aplicando “”:
Passo 2
Queremos pH.
Nosso p será:
Portanto:
Ea razão das concentrações molares de íon benzoato e de ácido benzoico não ionizado será 0,195.
Resposta
0,195
Exercício Resolvido #8
UNB – Química Analítica. Prof. Ana Cristi. Questão 19.
Qual o pH de uma solução tampão constituída por 0,04 mol/L e 0,080 mol/L.
Dado: .
Passo 1
Pelo método simplificado:
Onde:
Tal que:
Passo 2
No entanto, a gente sabe que essa fórmula só é verdadeira se e forem muito menor que e :
Será que isso é verdade?
A comparação pode ser feita por:
É! As concentrações de e são, mais de mil vezes menores que as concentrações da base e do sal.
Resposta
p
Exercício Resolvido #9
UNB – Química Analítica. Prof. Ana Cristi. Questão 21.
Qual o pH de uma solução tampão constituída por 0,15 mol/L e 0,20 mol/L.
Dado: .
Passo 1
Pelo método simplificado:
Onde:
Tal que:
Passo 2
No entanto, a gente sabe que essa fórmula só é verdadeira se e forem muito menor que e :
Será que isso é verdade?
A comparação pode ser feita por:
Hmm.. A concentração de é “só” 500 vezes menor que a concentração do sal.
Talvez seja mais aconselhável fazer o método sistemático.
Passo 3
Pelo método sistemático, tem-se que:
Ainda que a concentração de seja relevante, a concentração de é da ordem de . Vamos fazer uma simplificação dizendo que ela é muito menor que as demais e, portanto, pode ser desconsiderada.
Assim:
Mesmo assim, é impossível resolver a equação, porque o aparece dentro do log e escondido ali no pH. Não tem como isolar ele.
A única forma de resolver é por métodos iterativos, aqueles que você chuta um valor e calcula, chuta e calcula, chuta e calcula... até o resultado convergir.
Se o seu professor não cobra isso, você pode se contentar com o resultado obtido no Passo 1.
Caso contrário, calculadora na mão e vambora.
O nosso chute inicial de vai ser o calculado no Passo 1.
Assim, o cálculo de pH fica:
De novo:
Como , o nosso resultado convergiu e o pH será dado por:
E o resultado do Passo 1 tava bem próximo né?
Resposta
p
Exercício Resolvido #10
UFRJ – Exercícios de aula de Química Analítica. Prof. Ricardo Santelli. Questão 02.
Considerando uma solução constituída por 0,020 mol/L e 0,030 mol/L com pH, qual será o novo pH após a adição de 1,00 mL de solução de 1,0 mol/L a 1000 mL da solução tampão. Dado: .
Passo 1
Pelo método simplificado:
Onde:
Inicialmente, em 1,0 L de solução, a gente tem 0,020 mol da base e 0,030 mol do sal.
Ao adicionar 1,0 mL de 1,0 M estamos adicionando quantos mols de ?
Estes vão reagir com o do meio, formando .
Portanto, a concentração de vai ser diminuída em mol/L e a concentração de base vai ser acrescida de mol/L.
É uma aproximação válida porque a base é fraca então, toda vez que um vê um ele tende a formar a base não ionizada.
Passo 2
Portanto, o cálculo do pH pós a adição, ficará:
Resposta
p