Ácidos fortes e fracos

A 0.100 M, o ácido clorídrico está totalmente ionizado e tem pH 1.00, enquanto o ácido acético doou apenas 1.3% de seus prótons e tem pH 2.87.

Ácido clorídrico e vinagre são ácidos, mas ninguém cozinha com ácido clorídrico. A diferença não está apenas na quantidade de ácido no frasco. Mesmo na mesma concentração, alguns ácidos doam seus prótons quase por completo, enquanto outros retêm a maioria deles. Os químicos chamam os primeiros de ácidos fortes e os segundos de ácidos fracos. A força descreve o grau de ionização do ácido na água; a concentração descreve quanto ácido está dissolvido. São duas ideias distintas: um ácido forte diluído pode ser menos ácido que um ácido fraco concentrado.

Ácidos fortes se ionizam completamente

A OpenStax lista seis ácidos fortes comuns: ácido perclórico HClO₄, ácido clorídrico HCl, ácido bromídrico HBr, ácido iodídrico HI, ácido nítrico HNO₃ e ácido sulfúrico H₂SO₄. Para ácidos fortes monopróticos como HCl, a ionização é praticamente completa em solução diluída, então [H₃O⁺] é aproximadamente a concentração do ácido. O ácido sulfúrico perde seu primeiro próton praticamente por completo, mas a segunda ionização é um equilíbrio que pode acrescentar mais H₃O⁺. Uma solução 0.100 M de HCl tem [H₃O⁺] = 0.100 M e pH 1.00; uma solução 0.0010 M tem pH 3.00. As seis bases fortes comuns são os hidróxidos de lítio, sódio, potássio, cálcio, estrôncio e bário, que liberam completamente seus OH⁻.

Ácidos fracos e Ka

A maioria dos ácidos é fraca. O ácido acético, presente no vinagre, estabelece um equilíbrio na água: CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻. Sua força é medida pela constante de ionização ácida, Ka = [H₃O⁺][CH₃COO⁻] / [CH₃COOH]. Para o ácido acético, Ka = 1.8 × 10⁻⁵, o que corresponde a pKa = 4.74; o PubChem informa um pKa medido de 4.76 a 25 °C. O ácido fórmico é cerca de dez vezes mais forte, com Ka = 1.8 × 10⁻⁴. Quanto maior o Ka, mais forte é o ácido.

Para encontrar o pH de um ácido fraco, resolva o equilíbrio. No ácido acético 0.100 M, seja x a quantidade que se ioniza: x² / (0.100 − x) = 1.8 × 10⁻⁵. Como x é pequeno, x² ≈ 1.8 × 10⁻⁶ e x ≈ 1.3 × 10⁻³ M. O pH é 2.87, e a porcentagem de ionização é (1.3 × 10⁻³ / 0.100) × 100 = 1.3%. Apenas cerca de uma molécula em setenta e cinco doou seu próton, o que o laboratório mostra como uma molécula separada em cada cem. Resolver a equação sem a aproximação de x pequeno dá pH 2.88, e o laboratório usa essa solução exata.

A diluição altera a porcentagem

Reduza a concentração de ácido acético no laboratório. A 0.010 M, cerca de 4.2% está ionizado; a 0.0010 M, cerca de 12.5%. Ka permanece igual, mas a porcentagem de ionização aumenta à medida que o ácido fica mais diluído, pois o equilíbrio se desloca para o lado com mais partículas. Um ácido forte permanece em 100% em qualquer concentração. Por isso, a porcentagem de ionização não é uma propriedade fixa do ácido, mas Ka é.

As bases fracas funcionam da mesma forma, com uma constante de ionização básica, Kb. A amônia recebe um próton da água e forma NH₄⁺ e OH⁻, com Kb = 1.8 × 10⁻⁵. O PubChem informa pH 11.1 para amônia 0.1 N, bem abaixo do pH 13 de uma base forte na mesma concentração.