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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 20, NOVEMBRO 2004

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Recebido em 21/8/03, aceito em 23/8/04

Uma proposta experimental para soluções tamponantes

As soluções tampões são solu-ções que resistem a mudan-ças de pH quando a elas são

adicionados ácidos ou bases ouquando uma diluição ocorre. Essaresistência é resultado do equilíbrioentre as espécies participantes dotampão. Um tampão é constituído deuma mistura de um ácido fraco e suabase conjugada ou de uma basefraca e seu ácido conjugado.

Exemplos de soluções tampõesÁcido acético + acetato de sódio

Ácido bórico + borato de sódio

Ácido cítrico + citrato de sódio

Ácido fosfórico + fosfato de sódio

Amônia + cloreto de amônio

Os tampões têm um papel impor-tante em processos químicos e bio-químicos, nos quais é essencial amanutenção do pH. Assim, muitosprocessos industriais e fisiológicosrequerem um pH fixo para que deter-minada função seja desempenhada.Por exemplo, o sistema tampãoHCO3

–/H2CO3 é importante fisiologica-mente, uma vez que controla o trans-porte de CO2 no sangue e o pH domesmo (Fiorucci et al., 2001).

José Carlos Marconato, Sandra Mara M. Franchetti e Roberto José Pedro

Neste experimento são utilizados vinagre branco e hidróxido de sódio comercial para preparar tampõescom diferentes capacidades tamponantes. Extrato de repolho roxo (indicador ácido-base) é usado para averificação das propriedades desses tampões.

solução tampão, capacidade tamponante, ensino alternativo

Como agem os tampões?Os tampões têm a propriedade de

resistir a mudanças no pH. Isto ocorreporque essas soluções contêm umcomponente ácido e um básico emsua constituição. Para que possamosentender o mecanismo de ação des-sas soluções, vamos considerar o sis-tema tampão ácido acético e acetatode sódio.

Desde que o sal (acetato de sódio)é um eletrólito forte, em solução aquo-sa estará completamente dissociado:

O ácido acético estará em equilí-brio com seus íons:

CH3COOH(aq) CH3COO–(aq) + H+(aq)

A constante de ionização para oácido acético é dada por:

É importante ressaltar que, nasolução tampão, a principal contribui-ção para a concentração de íons

acetato, a base conjugada do ácidoacético, é proveniente do sal. Portan-to, a ionização do ácido acético énegligenciável frente ao excesso desal (efeito do íon comum), assim co-mo é negligenciável a hidrólise do íonacetato frente ao excesso de ácidoacético. Por isso, é possível reescre-ver a expressão da constante de equi-líbrio para o ácido acético, substi-tuindo-se o termo [CH3COO–] (querepresenta a base conjugada doácido) por [Sal]:

Assim, é possível verificar o queacontece com uma solução tampão,composta por ácido acético e acetatode sódio, quando a ela for adicionadoum ácido ou uma base fortes.

Adição de ácidoSe um ácido for adicionado a um

tampão, ocorrerá uma elevação daconcentração dos íons H+ no meio(uma perturbação ao equilíbrio); deacordo com o princípio de Le Chate-lier, essa perturbação será neutrali-zada pela base conjugada do tam-pão, restabelecendo o estado de

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equilíbrio, e o pH da solução irá variarpouco, conforme a reação abaixo:

Adição de baseSe uma base for adicionada a um

tampão, ocorrerá uma elevação daconcentração dos íons OH– no meio(uma perturbação ao equilíbrio); deacordo com o princípio de Le Chate-lier, essa perturbação será neutraliza-da pelo ácido acético do tampão,restabelecendo o estado de equilí-brio, e o pH da solução irá variar pou-co, conforme a reação abaixo:

É importante lembrar que existeum limite para as quantidades de áci-do ou de base adicionadas a umasolução tampão antes que um doscomponentes seja totalmente consu-mido. Esse limite é conhecido comoa capacidade tamponante de umasolução tampão e é definido como aquantidade de matéria de um ácidoou base fortes necessária para que1 litro da solução tampão sofra umavariação de uma unidade no pH(Skoog et al., 2001; Lima et al., 1995).

pH dos tampões: equação deHenderson-Hasselbalch

Os sistemas tampões são esco-lhidos de acordo com a faixa de pHque se deseja tamponar, utilizando-se a equação de Henderson-Hassel-balch. Com o propósito da derivaçãodessa equação, algumas conside-rações serão feitas a seguir.

De acordo com a teoria de ácidose bases de Brönsted-Lowry, um ácido(HA) é uma espécie química doadorade prótons (H+) e uma base (B) é umaespécie química aceptora de prótons.Após o ácido (HA) perder seu próton,diz-se existir como base conjugada(A–). Da mesma maneira, uma baseprotonada é dita existir como ácidoconjugado (BH+).

Segundo a teoria de pares conju-gados ácido-base de Brönsted-Lowry, o íon acetato é a base conju-

gada do ácido acético. Para a reaçãode dissociação do ácido acético emmeio aquoso descrita anteriormente,pode-se escrever a seguinte cons-tante de equilíbrio:

Rearranjando essa expressão,tem-se:

Aplicando-se -log10 em ambos oslados da expressão acima e como pordefinição pKa = -log10 Ka e pH = - log10[H+

], tem-se:

ou

ou, ainda,

Esta é a equação de Henderson-Hasselbalch, apenas uma forma rear-ranjada da expressão da constantede equilíbrio Ka, porém extremamenteútil no preparo de tampões, pois alémde permitir encontrar a proporçãoexata dos constituintes para a obten-ção do pH desejado, possibilita esti-mar variações no pH dos tampões,quando da adição de H+ ou de OH–.Também permite o cálculo rápido dopH do tampão, quando a proporçãodos componentes é conhecida.

ObjetivosPermitir ao professor uma aborda-

gem prática do tema soluçõestampões, através de uma propostaexperimental simples, passível de serrealizada em qualquer escola públicado Ensino Médio, utilizando materiaisde baixo custo e facilmente encon-trados no mercado.

Além do assunto soluções tam-pões, este experimento permite aoprofessor uma abordagem ampla deassuntos relacionados, conforme oquadro acima.

Materiais e métodos• Vinagre branco• Hidróxido de sódio comercial• Extrato de repolho roxo• 1 copo plástico ou equivalente

de 50 mL• 3 copos plásticos ou equivalen-

tes de 500 mL• Seringas de 5 e 10 mL• Solução de HCl 0,1 mol L-1

• Solução de NaOH 0,1 mol L-1

• Conta-gotas• Balança técnica

Preparação das soluções comdiferentes capacidades tamponantes

No Quadro 1, ilustra-se o proce-dimento experimental para a prepa-ração das soluções tampões de dife-rentes concentrações.

Quando se adiciona hidróxido desódio à solução de ácido acético(vinagre), ocorre a neutralização doácido, conforme reação abaixo:

CH3COOH(aq) + NaOH(aq) →CH3COONa(aq) + H2O(l)

Neste experimento, propõe-seque as variações do pH das soluçõestampões com diferentes capacidadestamponantes sejam acompanhadasatravés da utilização de indicadoresácido-base (Lima et al., 1995; Terci eRossi, 2002; Dias et al., 2003).

Resultados

Proposta AApós a preparação dos tampões,

propõe-se que a abordagem do tematenha início demonstrando-se o que

Quadro 1: Esquema do procedimento ex-perimental para a preparação das solu-ções tampões.

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ocorre com o pH da água (uso deindicadores ácido-base, extrato de re-polho roxo) quando se adiciona a elaum ácido ou uma base fortes, Figu-ra 1. Na seqüência, repete-se o mes-mo procedimento anterior, agorasubstituindo a água pela solução tam-pão, e observando que ocorre umaresistência à mudança de cor da solu-ção, porque existe um efeito tampo-nante, Figura 2. Utilizando-se umasolução tampão de concentração me-nor, Figura 3, pode-se ainda verificara existência do efeito tamponante,porém em proporções muito meno-res, devido à baixa concentração dotampão

Proposta BOutro procedimento alternativo e

interessante para ilustrar a importantepropriedade dos tampões consiste nautilização de um volume fixo dos tam-pões de diferentes concentrações,anotando-se o número de gotas deácido ou de base necessários paraque ocorra a mudança da cor inicialda solução. O resultado desseprocedimento está apresentado naTabela 1, na qual é possível verificarque quanto maior a concentração dotampão utilizado, maior é o númerode gotas de ácido necessárias paramudar a cor inicial, ou seja, para alte-rar o pH inicial da solução. Esse pro-cedimento pode ser repetido, adicio-nando-se agora uma solução de basepara demonstrar que os tampõesresistem a mudanças no pH, seja pelaadição de um ácido ou de uma base.

ConclusôesA realização deste experimento

permite ao aluno, além do preparo eda verificação das propriedades dassoluções tampões, uma abordagemsobre as diferentes formas de expres-sar a concentração das soluções,diluições, conceitos de ácidos e ba-ses, reações químicas, estequiome-tria, equilíbrio químico, pH e indica-dores ácido-base.

NotaSobre os resíduos gerados nas ati-

vidades práticas: Cada vez mais tor-na-se necessário o planejamento dosexperimentos pensando nos resíduos

Figura 3. Efeito da adição de ácido e base ao tampão (CH3COOH + CH3COONa)0,00067 mol L-1 + extrato de repolho roxo. (A) Adição de 2 gotas de HCl 0,1 mol L-1. (B)Controle. (C) Adição de 2 gotas de NaOH ) 0,1 mol L-1.

Figura 2. Efeito da adição de ácido e base ao tampão (CH3COOH + CH3COONa)0,67 mol L-1 + extrato de repolho roxo. (A) Adição de 50 gotas de HCl 0,1 mol L-1. (B)Controle. (C) Adição de 50 gotas de NaOH ) 0,1 mol L-1.

Figura 1. Efeito da adição de ácido e base à água + extrato de repolho roxo. (A) Adiçãode 5 gotas de HCl 0,1 mol L-1. (B) Controle. (C) Adição de 5 gotas de NaOH 0,1 mol L-1.

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Abstract: Buffer Solution: An Experimental Proposal Using Low-Cost Materials - In this experiment white vinegar and commercial sodium hydroxide are used to prepare buffer solutions of differentbuffering capacities. An extract of red cabbage (acid-base indicator) is used to verify the properties of these solutions.Keywords: buffer solution, buffering capacity, alternative teaching

Nota

ReferênciasDIAS, M.V.; GUIMARÃES, P.I.C. e

MERÇON, F. Corantes naturais: Extra-ção e emprego como indicadores depH. Química Nova na Escola, n. 17, p.27-31, 2003.

FIORUCCI, A.R.; SOARES, M.H.F.B.e CAVALHEIRO, E.T.G. O conceito desolução tampão. Química Nova na Es-cola, n. 13, p. 18-21, 2001.

LIMA, V.A.; BATTAGIA, M.; GUARA-CHO, A. e INFANTE, A. Demonstraçãodo efeito tampão de comprimidos efer-vescentes com extrato de repolho roxo.Química Nova na Escola, n. 1, p. 33-34, 1995.

SKOOG, D.A.; WEST, D.M. e HOL-LER, F.J. Fundamentals of analyticalchemistry. 7a ed. Nova Iorque: Saun-ders College, 2001. p. 205-209.

TERCI, D.B.L. e ROSSI, D.V. Indica-dores naturais de pH: Usar papel ousolução? Química Nova, v. 25, p. 684-688, 2002.

Para saber maisBEYNON, R.J. e EASTERBY, J.S.

Buffer solution: The basics. Oxford:Bios Scientific Publishers, 1996.

DAVENPORT, H.W. ABC da químicaácido-básica do sangue. 5a ed. Trad.J.R. Magalhães. São Paulo: AtheneuEditora, 1973.

HARRIS, D.C. Análise química quan-titativa. 5a ed. Trad. C.A.S. Riehl e A.W.S.Guarino. Rio de Janeiro: LTC Editora,2001.

Tabela 1: Capacidade tamponante das diferentes soluções, frente à adição da soluçãode HCl 0,1 mol L-1.

50 mL do tampão (CH3COOH + CH3COONa) N° de gotas de HCl 0,1 mol L-1

+ extrato de repolho roxo necessárias para observar alteraçãoda cor inicial

0,67 mol L-1 10260,067 mol L-1 1070,0067 mol L-1 120,00067 mol L-1 2

gerados nessas atividades. Assim, amudança de rotinas é necessária paraa preservação do meio ambiente.

Nesta atividade prática, as solu-ções tampões preparadas possuemum pH aproximado de 4,7. Portanto,ao final do experimento, antes de des-cartá-las na pia, é necessário neutra-lizá-las (adicionando hidróxido desódio diluído) até o ponto em que to-do o ácido acético do vinagre sejatransformado em acetato de sódio.Isto ocorre quando o pH atinge umvalor entre 8,0 e 9,0.

Questões para discussão

• Como a concentração de umtampão afeta a sua capacidadetamponante?

• Escreva as equações para mos-trar como um tampão constituí-do por NH3 + NH4Cl resiste amudanças no pH quando daadição de um ácido e de umabase.

• Mostre que a ação dos tampõesé uma aplicação direta do princí-pio de Le Chatelier.

• Um tampão mantém constanteo pH de um meio indefinida-mente?

• Considerando que a acidez mé-dia do vinagre é de 4,0% m/v,faça os cálculos para demons-trar que essa percentagemcorresponde a 0,67 mol/L.

AgradecimentosÀ Fapesp, processo n° 00/12415-0.

José Carlos Marconato (marconat@rc.unesp.br), ba-charel em Química e doutor em Ciências (Físico-Química) pela UFSCar, é docente do Departamentode Bioquímica e Microbiologia do Instituto de Bio-ciências da Universidade Estadula Paulista (DQM-IB-Unesp), em Rio Claro - SP. Sandra Mara M. Fran-chetti (samaramf@rc.unesp.br), licenciada e bacha-rel em Química pelo Instituto de Química da Unesp,em Araraquara - SP, doutora em Ciências (Físico-Química) pela Unicamp, é docente do DQM-IB-Unesp. Roberto José Pedro, licenciado em CiênciasBiológicas pela Universidade Metodista, é técnicodo DQM-IB-Unesp.

Uma proposta experimental para soluções tamponantes

Vídeos de Química Nova na EscolaForam lançados os quatro primeiros números

da coleção de vídeos de Química Nova na Es-cola, durante o XII Encontro Nacional de Ensinode Química, realizado em Goiânia em Julho p.p.

Os temas dos vídeos são inspirados em ar-tigos dos Cadernos Temáticos de Química Novana Escola:

• Volume 1: As Águas do Planeta Terra;• Volume 2: A Química dos Remédios, dos

Fármacos e dos Medicamentos;• Volume 3: Polímeros Sintéticos;• Volume 4: A Química da Atmosfera.Outros 8 números dos cadernos estão em

fase final de produção e mais 4 vídeos comple-tarão a primeira série dessa linha de produtosaudiovisuais de Química Nova na Escola.