Qual o equilíbrio químico responsável pela manutenção do pH da água do mar?

A água é uma substância anfótera, ou seja, em determinadas situações, ela comporta-se como ácido e, em outras, como base. Segundo a teoria ácido-base de Brönsted-Lowry, um ácido é toda substância que doa prótons (o termo “prótons” é usado em referência ao cátion hidrogênio, H+), e as as bases são as substâncias que recebem prótons.

Assim, conforme pode ser observado a seguir, uma molécula de água pode atuar como ácido, doando um de seus prótons para outra molécula de água, que, por sua vez, atuará como base.

Veja que a molécula que recebeu o próton (base) forma o cátion hidrônio (H3O+), que é o ácido conjugado, e a que perdeu o próton (ácido) forma o ânion hidróxido (OH-), que é a base conjugada. Isso significa que ocorreu uma autoionização da água. A equação mostrada acima nos mostra o equilíbrio iônico da água.

Esse equilíbrio pode também ser expresso de forma mais simplificada assim:

H2O(l) ↔ H+(aq)+ OH-(aq)

No entanto, a água é um eletrólito fraco, ou seja, o seu grau de ionização (α) é muito pequeno e, consequentemente, a sua constante de ionização em termos de quantidade de matéria (KC) também é pequena. Isso é comprovado quando se testa a condutividade elétrica da água pura (água destilada), que é realmente muito baixa.

Por meio dessas medidas de condutividade elétrica experimentais, determinou-se que, a 25 ºC, a concentração desses íons na água é igual a1 . 10-7 mol. L-1. Isso significa que a cada 1 bilhão (1 000 000 000 ou 109) de moléculas de água, apenas duas sofrem a ionização que mencionamos. Por isso a água é um eletrólito tão fraco.

Esse fato indica que o equilíbrio iônico da água está deslocado no sentido inverso, ou seja, para a esquerda, no sentido de formação das moléculas de H2O. Isso é indicado pela seta dupla na representação mais acima.

Todo equilíbrio apresenta uma constante de equilíbrio Kc, cuja expressão, conforme mostrado no texto Constante de Equilíbrio, é dada por:

Denominador: multiplicação das concentrações dos produtos da equação elevadas aos expoentes, que são iguais aos respectivos coeficientes das substâncias na equação química;

Numerador: multiplicação das concentrações dos reagentes da equação elevadas aos expoentes, que são iguais aos respectivos coeficientes das substâncias na equação química.

A expressão da constante de ionização ou da constante de dissociação iônica, Ki, é feita da mesma forma, com a única diferença de que possui íons. Assim, para o equilíbrio iônico da água, temos a seguinte expressão da sua constante de dissociação iônica Ki:

2 H2O(l) ↔ H3O+(aq)+ OH-(aq)      ou      H2O(l) ↔ H+(aq)+ OH-(aq)

Ki = [H3O+] . [OH-]                     ou        Ki = [H+] . [OH-]
            [H2O]2                                                                 [H2O]

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Porém, é necessário lembrar que as substâncias sólidas e líquidas não são colocadas na expressão de Kc porque as concentrações em quantidade de matéria não podem sofrer variação nesses sistemas. Participam dessa expressão somente os sistemas gasosos e em soluções aquosas. Por isso, a concentração das moléculas de água não é escrita no numerador. Desse modo, a expressão fica assim:

Ki = [H3O+]. [OH-]      ou      Ki = [H+]. [OH-]

Como se trata do equilíbrio iônico da água, costuma-se substituir a constante de dissociação iônica Ki por KW, em que “w” vem de water, que é água em inglês. A constante KW é chamada de constante de dissociação da água, de constante autoprotólise ou, principalmente, de produto iônico da água.

Kw = [H+]. [OH-]

Na equação mostrada mais acima, que representa o equilíbrio iônico da água, vimos que a quantidade de íons H3O+e OH- formados é igual e na mesma proporção de 1 : 1. Então, a concentração desses dois íons na água destilada a 25ºC é a mesma, isto é, igual a 1 . 10-7 mol. L-1. Desse modo, temos:

Kw = [H+]. [OH-]
Kw = (1 . 10-7 mol. L-1) . (1 . 10-7 mol. L-1)
Kw = 1 . 10-14 (mol. L-1)2

Isso lembra o conceito de pH (potencial hidrogeniônico), que é definido como o logaritmo negativo da concentração de íons H+ na base 10:

colog [H+] = - log [H+]
pH = - log [H+]
[H+] = 10-pH

Visto que para a água temos [H+] = 10-7 a 25ºC, então, o pH da água é igual a 7. Veja:

pH = - log [H+]
pH = - log 10-7
pH = 7

O mesmo se aplica ao pOH, que também é igual a 7, mostrando, assim, que a água destilada é neutra.

Mas os valores de KW variam com a temperatura. Observe por meio dos valores fornecidos na tabela a seguir que as concentrações dos íons H3O+e OH- em água aumentam com o aumento da temperatura. Consequentemente, o valor do KW também aumenta:

Assim, o valor de KW da água no estado de vapor é maior que o da água líquida, que, por sua vez, é maior que o do gelo.

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