Teoria ácido-base de Brønsted-Lowry

POR Pedro Coelho

Publicado: terça-feira, 9 de julho de 2019

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A definição de ácidos e bases, em termos dos íons hidrônio e hidróxido em água, é muito restrita, pois limita a discussão do fenômeno ácido-base apenas a soluções aquosas. Em uma abordagem mais geral que foi proposta, independentemente, em 1923, pelo químico dinamarquês Johannes Nicolaus Brønsted e pelo químico inglês Thomas Martin Lowry.

A famosa teoria de Brønsted-Lowry define ácido como uma substância capaz de doar um próton (isto é, um íon hidrogênio, H⁺) a outra substância; e a base como uma substância capaz de aceitar um próton de um ácido. De maneira mais simples, ácido é um doador de próton e a base é um receptor de próton.

Foto do químico dinamarquês Johannes Nicolaus Brønsted (à esquerda) e do químico inglês Thomas Martin Lowry (à direita)

Entendendo a Teoria ácido-base de Brønsted-Lowry

Basicamente, a dupla de cientistas afirma que qualquer composto que possa transferir um próton para qualquer outro composto é um ácido, e o composto que aceita esse próton transferido é uma base.

Sendo um exemplo típico dessa reação ácido-base de Brønsted-Lowry, a reação que ocorre quando HCl - ácido clorídrico - é adicionado na água:

Nessa reação, o HCl está atuando como ácido, porque está doando um próton à molécula de água. A água, por outro lado, está se comportando como base, por aceitar um próton do ácido.

Se tivermos uma solução de HCl concentrado e a aquecermos, expulsaremos o HCl gasoso. Em outras palavras, podemos inverter está reação de tal forma que H₃O⁺ e Cl^- reajam entre si, para produzir HCl e H₂O.

Esta reação inversa também é uma reação de Brønsted-Lowry, com o íon hidrônio servindo como ácido, por doar seu próton, e com o íon cloreto funcionando como base, por aceitá-lo. Assim, podemos olhar a reação do HCl com a água como um equilíbrio, onde temos dois ácidos e duas bases, sendo um de cada em ambos os sentidos.

Nessa reação vemos que quando o ácido HCl reage, forma a base Cl^- . Estas duas substâncias estão relacionadas entre si pela perda ou pela aquisição de um simples próton e constituem um par ácido-base conjugado.

Logo dizemos que o Cl^- é a base conjugada do ácido HCl e, do mesmo modo, HCl é o ácido conjugado da base Cl-. Nesta reação, também constatamos que H₂O e H₃O+ formam um par conjugado. A água é a base conjugada do H₃O⁺ e, o H₃O⁺ é o ácido conjugado do H₂O.

Um outro exemplo de uma reação ácido-base de Brønsted-Lowry é a que ocorre em soluções aquosas de amônia:

Nesse caso, a água atua como ácido, por doar um próton a uma molécula de NH₃, que por sua vez, atua como base. Na reação inversa, por outro lado, NH₄⁺ é o ácido e OH- é a base. Novamente, temos dois pares ácido-base conjugados: NH₃ e NH₄⁺, e, H₂O e OH^-.

Em geral, podemos representar qualquer reação ácido-base de Bronsted-Lowry como:

Em que o ácido (X) e a base (X) representam um par conjugado e, o ácido (Y) e a base (Y) representam outro par conjugado, e, com isso, devemos observar que os membros de um par conjugado se diferem apenas em um próton, ou seja, não existe uma mudança muito significativa.

Além disso, dentro de um par conjugado, o ácido tem um hidrogênio a mais que a base.

Comportamento das substâncias anfiprótica (ou anfótera) e as reações de auto-ionização

Nos dois exemplos que examinamos acima, a água num caso funcionou como a base e, no outro, como o ácido. Tais substâncias que podem atuar em ambas as formas, dependendo das condições, são chamadas de anfipróticas (ou anfóteras), pois são capazes de doar ou receber prótons.

A água não é a única substância a se comportar de dessa forma. Por exemplo, a água, o ácido acético e a amônia líquida sofrem reações de auto-ionização nas quais a transferência de um próton, entre duas moléculas semelhantes, produz um par de íons. 

As reações de auto-ionização envolvem a criação de um par cátion-ânion a partir de duas moléculas neutras da mesma substância. Isso ocorre pela transferência de um átomo de alguma carga de uma partícula para outra, mas o átomo que é transferido não precisa ser um próton. Nos exemplos abaixo, temos as seguintes reações de auto-ionização representadas pelas seguintes equações:

Essas reações também podem ser ilustradas usando as seguintes estruturas de Lewis:

Reações ácido-base nas soluções aquosas que contêm íons metálicos em estados de oxidação altamente positivos

Em cada caso, a substância está desempenhando o papel tanto de ácido como de base. Um exemplo interessante de uma reação ácido-base de Brønsted-Lowry ocorre nas soluções aquosas que contem íons metálicos em estados de oxidação altamente positivos.

Por exemplo, as soluções do AlCl₃ - cloreto de alumínio - são ácidas, assim como as soluções que contem CR³⁺ e Fe³⁺. Nestas soluções, os íons metálicos estão rodeados de moléculas de água que tem as extremidades negativas dos seus dipolos apontadas em direção ao metal. Quanto maior a carga do íon metálico, maior a força de atração por essas moléculas de água e o íon metálico cercado pela camada de moléculas de água se torna uma única entidade.

Pois, nas soluções que contem Al³⁺, o íon alumínio parece ter seis moléculas de água ao seu redor que são arranjadas nos vértices de um octaedro. De fato, quando sais de Al³⁺ são cristalizados a partir de soluções aquosas, os seus cristais, geralmente contem o íon octaédrico [Al (H₂O)₆³⁺].

Um íon alumínio hidratado octaédrico, Al(H₂O)₆³⁺

A acidez das soluções destes íons metálicos é explicada da seguinte maneira: a alta carga no íon metálico atrai a densidade eletrônica dos átomos de oxigênio das moléculas de água que o estão circundando. Por sua vez, estes átomos de oxigênio atraem a densidade eletrônica das ligações O-H, conforme mostrado na figura abaixo.

As linhas pontilhadas indicam como a densidade eletrônica é atraída pelo íon carregado positivamente Al³⁺e retirada das ligações O-H. Com isso, a polaridade das ligações O-H aumenta e se torna mais fácil remover os íons H⁺

Isto torna as ligações O-H mais polares do que nas moléculas de água ordinárias. Em outras palavras, os átomos de hidrogênio das moléculas de água que circundam o íon metálico possuem uma carga parcial positiva maior do que os átomos de hidrogênio numa molécula de água ordinária.

Como resultado, o hidrogênio é removido como um íon H⁺ do Al (H₂O)₆³⁺ com maior facilidade, e depois esse íon reage com a água formando H₃O⁺; sendo que esta reação com a água pode ser vista como uma reação ácido-base de Brønsted-Lowry.

O conceito de Brønsted-Lowry é mais geral do que o conceito de Arrhenius, porque não nos restringe a soluções aquosas. Na verdade, podemos encontrar reações ácido-base que ocorrem até na ausência de um solvente. Por exemplo, quando misturamos HCl e NH₃, ambos gasosos, eles reagem imediatamente para formar um sólido iônico branco, NH₄Cl, o cloreto de amônio.

Além disso, usando as estruturas de Lewis essa reação pode ser diagramada como:

Uma vez que um próton é transferido do HCl para o NH₃, está é, nitidamente, uma reação ácido-base de Brønsted-Lowry. Todavia, como nem o íon hidrônio e nem o íon hidróxido estão envolvidos, o conceito de ácidos e bases de Arrhenius ignora completamente esta reação.

A teoria de Brønsted-Lowry amplia o número de compostos considerados ácidos e bases para incluir não apenas as moléculas neutras (por exemplo, ácidos sulfúrico, nítrico e acético, e os hidróxidos de metais alcalinos), mas também certos átomos e moléculas com cargas elétricas positivas e negativas (cátions e ânions). O íon amônio, o íon hidrônio e alguns cátions metálicos hidratados são considerados ácidos. Os íons acetato, fosfato, carbonato, sulfeto e halogênio são considerados bases.

Referências

• https://www.britannica.com/science/Bronsted-Lowry-theory (acessado em 19/06/2019 às 14:58)
• Química Geral Vol. 1 e 2 – James E.Brady, Gerard E. Humiston – Livros técnicos e científicos, Editora S.A, 1986.
• Notas deQuímica Inorgânica, Pedro Coelho, Santos, São Paulo, 2011.

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico, engenheiro de segurança do trabalho e Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, também sou estudante de engenharia civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)