Brønsted em seu laboratório

Uma reacção de um ácido com uma base é, portanto, uma reacção de troca de protões; se o ácido é denotado por AH e a base por B, então podemos escrever uma reacção ácido-base generalizada como

AH + B → A- + BH+(3-2)

Nota que o inverso desta reacção,

BH+ + A- → B + AH(3-3)

é também uma reacção ácido-base. Como as reacções de transferência de prótons são reversíveis, segue-se que a transferência de um próton de um ácido para uma base deve necessariamente criar um novo par de espécies que pode, pelo menos em princípio, constituir um par ácido-base próprio, a que nos referimos como um par ácido-base conjugado:

O termo conjugado significa “ligado a”, implicando que os membros de qualquer par conjugado estão “ligados” pela presença ou ausência de um próton.

As espécies que são consideradas “conjugar” depende da direção na qual a reação é escrita, como mostrado abaixo para a transferência de prótons de (3-1):

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Simplesmente, para as transferências de prótons generalizadas (3-2) e (3-3), temos

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A tabela abaixo mostra os pares conjugados de um número de sistemas típicos ácido-base.

Posicionamos o ácido generalizado…reacção de base

como uma competição de duas bases para um próton:

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Se a base H2O ganha esmagadoramente este cabo de guerra, então diz-se que o ácido HA é um ácido forte. Isto é o que acontece com o ácido clorídrico e os outros “ácidos minerais” fortes comuns H2SO4, HNO3, e HClO4:

Soluções destes ácidos na água são realmente soluções das espécies iônicas mostradas em tipo negrito à direita. Assim sendo, o que chamamos uma solução 1 M de “ácido clorídrico” na água, por exemplo, não contém realmente uma concentração significativa de HCl; o único ácido real presente em tal solução é o H3O+!

Estas considerações dão origem a duas importantes regras que você precisa não só conhecer, mas também entender:

A segunda destas afirmações é chamada efeito de nivelamento. Isso significa que, embora as forças inerentes dos prótons-dadores dos ácidos fortes sejam diferentes, todos eles são completamente dissociados na água. Os químicos dizem que suas forças são “niveladas” pela água solvente.

Um efeito comparável seria visto se alguém tentasse julgar as forças de vários adultos conduzindo uma série de concursos de cabo de guerra com uma criança pequena. Seria de esperar que os adultos ganhassem esmagadoramente em cada julgamento; as suas forças teriam sido “niveladas” pelas da criança.

A maioria dos ácidos, no entanto, são capazes de segurar seus prótons com mais força, de modo que apenas uma pequena fração do ácido é dissociada. Assim, o ácido cianídrico, HCN, é um ácido fraco na água porque o próton é capaz de compartilhar os elétrons do par único do íon cianeto CN- mais efetivamente do que pode com os do H2O, de modo que a reação

HCN + H2O → H3O+ + CN-

procede muito pouco.

Isto é apenas uma redeclaração do que está implícito no que foi dito acima sobre a distinção entre ácidos fortes e ácidos fracos. O fato que HCl é um ácido forte implica que sua base conjugada Cl- é uma base muito fraca para segurar o próton em competição com H2O ou H3O+. Similarmente, o íon CN liga-se fortemente a um próton, fazendo do HCN um ácido fraco.

O fato de que o HCN é um ácido fraco implica que o íon cianeto CN- reage prontamente com prótons, e é portanto uma base relativamente boa. Como evidência disto, um sal como o KCN, quando dissolvido em água, produz uma solução ligeiramente alcalina:

CN- + H2O → HCN + OH-

Esta reacção ainda é por vezes referida pelo seu antigo nome hidrólise (“water splitting”), que é literalmente correcto mas tende a obscurecer a sua identidade como apenas mais uma reacção ácido-base. Reações deste tipo ocorrem apenas em pequena escala; uma solução 0.1M de KCN é ainda, para todos os fins práticos, 0.1M em íon cianeto.

As únicas bases realmente fortes que você provavelmente encontrará no dia-a-dia da química são os hidróxidos de metais alcalinos como NaOH e KOH, que são essencialmente soluções do íon hidróxido (e, é claro, do cátion.)

Mais outros compostos contendo íons hidróxidos como Fe(OH)3 e Ca(OH)2 não são suficientemente solúveis em água para dar soluções altamente alcalinas, de modo que geralmente não são considerados como bases fortes.

Existem na verdade várias bases que são mais fortes que o íon hidróxido – mais conhecidas são o íon óxido O2- e o íon amida NH2-, mas estas são tão fortes que podem até roubar água de um próton:

O2- + H2O → 2 OH-

NH2- + H2O → NH3 + OH-

Isto dá origem ao mesmo tipo de efeito de nivelamento que descrevemos para os ácidos, com a consequência de que

O exemplo mais comum é o cloreto de amónio, NH4Cl, cujas soluções aquosas são claramente ácidas:

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Porque esta (e outras semelhantes) reacções ocorrem apenas em pequena escala, uma solução de cloreto de amónio será apenas ligeiramente ácida.

De alguns dos exemplos dados acima, vemos que a água pode agir como um ácido

CN- + H2O → HCN + OH-

e como base

NH4+ + H2O → NH3 + H3O+

Se assim for, então não há razão para que “a água-ácido” não possa doar um próton para “regar a base”:

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Esta reacção é conhecida como a autoprotólise da água.

Os químicos ainda se referem frequentemente a esta reacção como a “dissociação” da água e usam a equação ao estilo de Arrhenius H2O → H+ + OH- como uma espécie de taquigrafia.

Como discutido na lição anterior, este processo ocorre apenas em pequena medida. Isto significa, no entanto, que tanto o hidrônio como os íons hidróxidos estão presentes em qualquer solução aquosa.

Água, que pode actuar como ácido ou como base, diz-se que é anfhiprótica: pode “oscilar para os dois lados”. Uma substância como a água que é anfiprótica é chamada de anfólito.

Como aqui indicado, o íon hidróxido também pode ser um anfólito, mas não em solução aquosa, na qual o íon óxido não pode existir.

É claro que é a natureza anfíptica da água que lhe permite desempenhar o seu papel especial na química ácido-base aquática comum. Mas muitas outras substâncias anfhipróticas também podem existir em solutões aquosos. Qualquer uma destas substâncias terá sempre um ácido conjugado e uma base conjugada, por isso se conseguir reconhecer estes dois conjugados de uma substância, saberá que é anfhiprótica.

Por exemplo, o conjunto triplet {ácido carbônico, íon bicarbonato, íon carbonato} constitui uma série anfhiprotrica na qual o íon bicarbonato é o anfólito, diferindo de qualquer um de seus vizinhos pela adição ou remoção de um próton:

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Se o íon bicarbonato é ao mesmo tempo um ácido e uma base, deve ser capaz de trocar um próton consigo mesmo numa reacção de autoprotólise:

HCO3- + HCO3- → H2CO3 + CO32-