5.6 : Efeito de Nivelamento e Soluções Ácido-Base Não Aquosas

Esta lição define o efeito de nivelamento em soluções ácidas e básicas e seu papel em soluções aquosas e não aquosas. É essencial compreender a natureza competitiva de várias espécies em um sistema químico.

O Efeito de Nivelamento de um Solvente

Um ácido genérico (HA) reage com a base genérica (B^-) para produzir a base conjugada (A^-) e o ácido conjugado (HB) correspondentes:

Figura 1: Uma reação ácido-base genérica

Porém, se a reação ocorrer em um solvente (HX), o solvente também pode participar da reação, dependendo da força de seu ácido ou base conjugada correspondente. Isso leva a duas situações.

No primeiro tipo, suponha que o ácido genérico (HA) em uma reação seja um ácido mais fraco que o solvente (HX). Nesse caso, B^- irá desprotonar o solvente para produzir a base conjugada do solvente (X-), fazendo com que B- seja totalmente consumido e indisponível para interagir com o reagente (HA):

Figura 2: Uma reação que descreve o efeito de nivelamento de um solvente sobre uma base genérica

Este fenômeno é conhecido como efeito de nivelamento da base por um solvente.

Alternativamente, suponha que a base genérica (B-) em uma reação seja uma base mais fraca que o solvente (HX). Nesse caso, o HA irá protonar o solvente para produzir a base conjugada do solvente (H2X), fazendo com que o HA seja totalmente consumido e indisponível para interagir com o reagente (B-):

Figura 3: Uma reação que descreve o efeito de nivelamento de um solvente em um ácido genérico

Este fenômeno é conhecido como o efeito de nivelamento do ácido por um solvente.

O Efeito Nivelador da Água em uma Base Forte

Para visualizar o efeito de nivelamento do solvente sobre bases fortes, considere uma solução aquosa de acetileno reagindo com amida de sódio. Neste exemplo, o acetileno (pK_a = 25) é um ácido mais fraco que o solvente, a água (pK_a = 15,7), como é evidente pela relação inversa entre a acidez e o valor do pK_a. Portanto, conforme previsto na Figura 4, o íon amida desprotona a água em vez do acetileno, demonstrando o efeito de nivelamento da água em bases fortes.

Figura 4: Exemplo do efeito de nivelamento em uma reação entre acetileno, amida de sódio e água

Como os íons hidróxido são mais estáveis ​​nesta reação, o equilíbrio favorece a formação dos íons hidróxido que substituem os íons amida na solução. No entanto, os íons hidróxido não são básicos o suficiente para desprotonar o acetileno, deixando-o intacto no solvente. Portanto, para desprotonar o acetileno utilizando amida, a escolha do solvente desempenha um papel fundamental. É necessário usar um solvente como a amônia com pK_a de 38, maior que o pK_a do acetileno (25). Isso torna o acetileno o ácido mais forte para garantir que o solvente não seja desprotonado.

O Efeito Nivelador da Água sobre um Ácido Forte

Da mesma forma, para compreender o efeito de nivelamento do solvente sobre ácidos fortes, considere uma solução aquosa de ácido perclórico interagindo com a morfolina. Neste exemplo, a morfolina (pK_a=8,36) é uma base mais fraca que o solvente que é a água (pK_a=15,7), como é evidente pela relação direta entre a basicidade e o valor de pK_a. Portanto, conforme apresentado na Figura 5, o ácido perclórico protona a água em vez da morfolina, demonstrando o efeito de nivelamento da água sobre os ácidos fortes.

Figura 5: Exemplo do efeito de nivelamento em uma reação entre ácido perclórico, morfolina e água

Como os íons hidrônio são mais estáveis ​​nesta reação, o equilíbrio favorece a formação de íons hidrônio que substituem os íons perclorato da solução. No entanto, os íons hidrônio não são ácidos o suficiente para protonar a morfolina, deixando-a intacta no solvente. Portanto, para protonar a morfolina utilizando ácido perclórico, a escolha do solvente desempenha um papel crucial. É necessário utilizar um solvente como o ácido benzóico com pK_a de 4,2, que é inferior ao pK_a da morfolina (8,36). Isto torna a morfolina a base mais forte, garantindo que o solvente não seja protonado.

Em suma, a escolha do solvente deve satisfazer condições chave - ele não deve ser desprotonado pela base mais forte ou protonado pelo ácido mais forte antes de interagir com o outro reagente. Normalmente, a água é o solvente utilizado na maioria das reações, impondo um efeito de nivelamento em ácidos e bases fortes. Assim, reações que utilizam ácidos mais fortes que H₃O⁺ e bases mais fortes que OH^- não podem ser usadas em água.