Soluções aquosas - Estudo qualitativo e quantitativo das concentrações

Atualizado em 10/08/11, às 6h55.

Sabemos que grande parte da Terra é recoberta por água, o que possibilita ocorrer vida em nosso planeta. Sabemos também que a água é a substância mais abundante no nosso organismo. Tais fatos evidenciam que esse recurso natural é importantíssimo para a manutenção da vida na Terra.

O fato de a água ser extremamente importante para nós vem, principalmente, das suas características ou propriedades. E uma das propriedades mais importantes da água é a sua capacidade de dissolver uma grande variedade de substâncias. Assim, qualquer água presente na natureza apresenta materiais dissolvidos, formando o que chamamos de soluções aquosas.

Muitas das reações químicas que acontecem em nossos organismos ou ao nosso redor ocorrem devido às substâncias dissolvidas na água. Tecnicamente, uma solução é uma mistura homogênea de uma ou mais substâncias, sendo que a substância em maior quantidade é chamada de solvente (no caso, a água); e a substância em menor quantidade, de soluto. Quando uma pequena quantidade de sal de cozinha é adicionada a uma considerável quantidade de água, a água é o solvente - e o sal, o soluto.

Soluções eletrolíticas

Falamos da propriedade da água dissolver substâncias. Esse fato proporciona algumas peculiaridades às soluções, por conta do material que é dissolvido. Entre as peculiaridades, a que mais se destaca é a formação de soluções eletrolíticas. Por exemplo, duas soluções límpidas e incolores, uma com água e açúcar (sacarose) e a outra com água e sal de cozinha (cloreto de sódio): uma assume características eletrolíticas e a outra não. A solução com sal de cozinha é condutora de eletricidade, enquanto que a solução com açúcar, não.

Veja a figura abaixo:

Caso a solução contida no copo seja de água com sal de cozinha, a lâmpada certamente acenderá. Mas se a solução contiver açúcar, isso não ocorrerá. Para acender a lâmpada, a corrente elétrica deve "viajar" pelos dois terminais (geralmente metálicos) imersos na solução.

A água não é boa condutora de eletricidade, então o que faz acender a lâmpada é a presença dos íons (partículas eletricamente positivas e negativas) em solução. Ou seja, os íons transportam as cargas elétricas de um terminal (eletrodo) para o outro, fechando o circuito. Veja a representação da liberação dos íons do sal de cozinha (NaCl):

Nessa representação, o cloreto de sódio sólido tem seus íons liberados na forma do cátion Na⁺ e do ânion Cl^-, na presença de água. Isso não ocorre com a sacarose (C₁₂H₂₂O₁₁), pois suas moléculas em água não formam íons:

A água que bebemos contém concentrações (quantidades) pequenas de muitos íons, e a maioria deles resulta da dissolução de materiais sólidos presentes nos ambientes com os quais a água interage.

A dissolução do sólido iônico resulta da separação dos íons de cargas opostas do material, sendo a água especialmente boa para dissolver os compostos iônicos, pois cada molécula de água tem uma extremidade positivamente carregada e outra negativamente carregada.

Assim, uma molécula de água pode atrair um íon positivo (cátion) à sua extremidade negativa e outro negativo (ânion) à sua extremidade positiva. Quando um composto iônico se dissolve em água, cada ânion fica cercado por moléculas de água com suas extremidades positivas em direção ao íon, e cada cátion fica cercado por extremidades negativas de diversas moléculas de água.

Soluções boas condutoras de eletricidade são consideradas eletrólitos fortes, pois têm uma grande quantidade de íons livres em solução. Outras substâncias, que se solubilizam apenas parcialmente - e que, portanto, são más condutoras -, são eletrólitos fracos. Então, nem todos os compostos iônicos dissolvem-se completamente em água.

Reações de precipitação

Os eletrólitos das soluções aquosas possibilitam a ocorrência de muitas reações químicas. Isso é muito importante, pois esses tipos de reações ocorrem na terra, nas plantas e nos animais.

Por exemplo: alguns testes sobre a natureza química dos solos são realizados por meio de reações de precipitação. Estas são reações em que íons de duas substâncias (ou mais) consideradas eletrólitos fortes reagem entre si, formando um composto insolúvel (pouquíssimo solúvel) em água.

Uma solução incolor de iodeto de potássio (KI), ao interagir com uma outra, de nitrato de chumbo (Pb(NO₃)₂, forma um precipitado amarelo de iodeto de chumbo PbI₂. Pode-se representar essa reação de precipitação com as seguintes equações:

Os termos (aq.) na equação significam "aquoso"; e o (s), "sólido". Logo, a substância KI, por exemplo, é representada com íons K⁺ e I^- em solução. Os outros componentes da equação, o reagente (Pb(NO₃)₂ e o produto formado KNO₃, também devem ser representados nas suas respectivas formas iônicas. Mas o outro composto formado, o PbI₂, é praticamente insolúvel, e por esse motivo é representado como PbI_2(s).

Reações de neutralização

Como vimos com a sacarose, existem soluções compostas por substâncias moleculares, ou seja, não iônicas. Quando um composto molecular se dissolve em água, normalmente as moléculas ficam intactas; em outras palavras, não são eletrólitos.

Entretanto, existem algumas substâncias moleculares quando se formam íons em soluções aquosas. As mais importantes delas são as ácidas. Podem, então, existir reações que ocorrem em soluções com materiais ácidos. Nesses casos, destacam-se as reações ácido-base, mais conhecidas como reações de neutralização. Por exemplo, a reação entre ácido nítrico (HNO₃) e hidróxido de potássio (KOH):

Nessa reação não há a formação de precipitado, mas, sim, de nitrato de potássio (KNO₃), um sal iônico, portanto solúvel, e água. Para verificar essas reações utilizam-se indicadores ácido-base.

Concentrações

O comportamento das soluções depende também das suas concentrações. Os químicos adotam o termo concentração para designar a quantidade de soluto dissolvida em uma determinada quantidade de solvente ou solução. Quanto maior a quantidade de soluto, maior a concentração da solução.

As concentrações, em termos de cálculos, podem ser determinadas em gramas por litro (g/L) - denominada concentração comum -, ou em quantidade de matéria (mol) - determinada em mol por litro (mol/L). Existem também outras formas de determinar as concentrações, como, por exemplo, em partes por milhão (ppm), em porcentagem, etc.

Mas este artigo abordará as concentrações em g/L e mol/L, pois são as mais estudadas no ensino médio.

A concentração comum (g/L) expressa a massa de soluto em 1 litro de solução. Por exemplo, se adicionarmos 4 g de sulfato de sódio (Na₂SO₄), um sal utilizado em diversas aplicações industriais, em 100 ml de água, teremos uma concentração desse sal igual a 40 g/L. Veja o raciocínio matemático:

4 g (sal) ---------------- 0,1 L (conversão de 100mL de água em litros)

X g (sal)----------------- 1 L

X = 4 / 0,1

X = 40 g/L (concentração comum, C)

C = 40 g/L

Esse valor pode ser convertido em mol/L, outra forma de cálculo de concentrações largamente utilizada na química.

Para tanto, deve-se começar tendo em mãos a massa molar dos elementos que compõem o sulfato de sódio, ou seja, a massa equivalente a um mol do sal. Essa massa é determinada a partir dos valores das massas dos átomos do sulfato de sódio (Na₂SO₄) encontradas na

Tabela Periódica dos elementos químicos.

Então encontramos: Na = 23 g/mol, S = 32 g/mol, O =16 g/mol.

De acordo com a fórmula Na₂SO₄ tem-se: (23 x 2) + 32 + (16 x 4) = 142, ou seja 142 g/mol.

Agora podemos determinar a concentração em mol/L das 4 g de sulfato de sódio em 100 mL de água. A partir da concentração 40 g/L podemos descrever o raciocínio matemático:

142 g (fórmula)............................ 1 mol

40 g.............................................. X mol

X = 40/142

X = 0,28 mol/L

Como X corresponde a mol/L, ou seja, à molaridade (M), e 40 g é a quantidade do sal em 1 L de solução, temos: M = 0,28 mol/L 

Os cálculos envolvendo as concentrações são importantíssimos, pois servem de base para o químico (ou outro profissional afim) calcular as quantidades envolvidas nas reações químicas em soluções. E servem, principalmente, para esses profissionais: (a) saberem quanto devem utilizar de materiais (reagentes), a fim de que não ocorram desperdícios, e (b) preverem as quantidades dos materiais a serem produzidos.

Veja errata.