Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

17Os íons e as soluções iônicas

Duas bebidas límpidas estão num banco de academia: uma garrafa de bebida isotônica, vendida pelos seus “eletrólitos”, e um copo de água com açúcar. Num laboratório, duas placas de metal ligadas a uma pilha e a uma lâmpada pequena são mergulhadas em cada uma, uma de cada vez. Na bebida isotônica, a lâmpada acende; na água com açúcar, ela continua apagada. Alguma coisa no primeiro líquido transporta carga elétrica, e o açúcar não. Essa alguma coisa são os íons.

O que você já sabe

Um átomo tem um núcleo com $Z$ prótons, cada um de carga $+e$ , e $Z$ elétrons em volta dele, cada um de carga $-e$ : o átomo é neutro (Capítulo 16). Um soluto dissolvido na água dá uma solução aquosa (Capítulo 9). Um teste característico detecta uma espécie por um resultado visível (Capítulo 10).

Uma bebida isotônica e um copo de água: a bebida contém íons dissolvidos.

17.1 Átomos que ganham ou perdem elétrons

Definição 17.1 (Íon, cátion, ânion)

Um íon é um átomo, ou um grupo de átomos, que perdeu ou ganhou um ou mais elétrons e, por isso, tem carga elétrica. Um íon de carga positiva, que perdeu elétrons, é um cátion; um íon de carga negativa, que ganhou elétrons, é um ânion. A carga é escrita no alto, à direita da fórmula: $\ce{Na+}$ , $\ce{Cu^{2+}}$ , $\ce{Cl-}$ .

Exemplo 17.2 (O sódio e o cloro)

Um átomo de sódio, 11 prótons e 11 elétrons, perde um elétron: ele vira o íon sódio $\ce{Na+}$ , 11 prótons e 10 elétrons, carga $+1$ :

\ce{Na -> Na+ + e-}.

Um átomo de cloro, 17 prótons e 17 elétrons, ganha um elétron: ele vira o íon cloreto $\ce{Cl-}$ , 17 prótons e 18 elétrons:

\ce{Cl + e- -> Cl-}.

Um átomo de sódio vira um íon sódio perdendo um elétron; um átomo de cloro vira um íon cloreto ganhando um. Os prótons não mudam.

Proposição 17.3 (Alguns íons comuns)

Os íons monoatômicos são formados a partir de um átomo; os íons poliatômicos, a partir de um grupo de átomos que fica junto:

cátions		ânions
sódio	$\ce{Na+}$	cloreto	$\ce{Cl-}$
potássio	$\ce{K+}$	hidróxido	$\ce{OH-}$
cálcio	$\ce{Ca^{2+}}$	nitrato	$\ce{NO3-}$
magnésio	$\ce{Mg^{2+}}$	carbonato	$\ce{CO3^{2-}}$
cobre(II)	$\ce{Cu^{2+}}$	sulfato	$\ce{SO4^{2-}}$
ferro(II), ferro(III)	$\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Fe^{3+}}$
zinco	$\ce{Zn^{2+}}$
alumínio	$\ce{Al^{3+}}$
amônio	$\ce{NH4+}$

17.2 Os compostos iônicos e as suas fórmulas

Definição 17.4 (Composto iônico)

Um composto iônico é formado por cátions e ânions em números tais que o conjunto não tem carga. A sua fórmula dá a proporção dos íons, sem as cargas: $\ce{NaCl}$ para o cloreto de sódio, um $\ce{Na+}$ para cada $\ce{Cl-}$ ; $\ce{CaCl2}$ para o cloreto de cálcio, dois $\ce{Cl-}$ para cada $\ce{Ca^{2+}}$ .

Método 17.5 (Escrever a fórmula de um composto iônico)

Escreva os dois íons com as suas cargas, primeiro o cátion.
Encontre os menores números de cada um que tornam a carga total nula.
Escreva esses números como índices; um íon poliatômico que precisa de índice vai entre parênteses.

Óxido de alumínio: $\ce{Al^{3+}}$ e $\ce{O^{2-}}$ ; $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ , logo $\ce{Al2O3}$ . Hidróxido de ferro(III): $\ce{Fe^{3+}}$ e três $\ce{OH-}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ .

Proposição 17.6 (Um sólido iônico é um empilhamento de íons)

Num cristal de sal, os íons sódio e os íons cloreto se alternam num empilhamento regular em três dimensões, cada íon cercado por íons de carga oposta, que o mantêm no lugar. Um grão de sal de cozinha contém bilhões de bilhões deles; a sua forma cúbica reflete o empilhamento cúbico.

Uma camada de um cristal de sal: os íons sódio (roxos, menores) e os íons cloreto (verdes) se alternam.

17.3 As soluções iônicas conduzem

Notação 17.7 (O símbolo de estado (aq))

Um íon ou uma molécula dissolvidos em água são marcados com (aq), de aquoso: $\ce{Na+(aq)}$ , $\ce{Cl-(aq)}$ .

Proposição 17.8 (As soluções iônicas conduzem a eletricidade)

Quando um composto iônico se dissolve na água, os seus íons se separam e se movem livremente na solução: a água salgada contém $\ce{Na+(aq)}$ e $\ce{Cl-(aq)}$ . Íons em movimento transportam carga elétrica, por isso uma solução iônica conduz a eletricidade. Uma solução de açúcar, cujas moléculas não têm carga, não conduz; nem a água muito pura.

No laboratório — Que líquidos conduzem?

O professor liga num circuito duas placas de metal, uma pilha de baixa tensão e uma lâmpada pequena; as placas são mergulhadas, uma vez em cada, em água destilada, água com açúcar, água salgada e numa solução de sulfato de cobre, e enxaguadas entre uma e outra. A lâmpada só acende com as duas soluções iônicas.

O teste de condutividade: com a água salgada, os íons transportam a corrente e a lâmpada acende; a água com açúcar não contém íons, e a lâmpada continua apagada.

17.4 Testes de precipitação para os íons

Definição 17.9 (Precipitado)

Quando duas soluções são misturadas, um cátion de uma e um ânion da outra podem formar um composto iônico que não se dissolve. Ele aparece como um sólido fino que turva o líquido e se deposita: um precipitado. A reação é uma precipitação.

Proposição 17.10 (Testes para íons comuns)

Algumas gotas de uma solução de reagente identificam um íon pela cor do precipitado que ele forma:

íon procurado	reagente	precipitado	cor
cobre(II) $\ce{Cu^{2+}}$	hidróxido de sódio	$\ce{Cu(OH)2}$	azul
ferro(II) $\ce{Fe^{2+}}$	hidróxido de sódio	$\ce{Fe(OH)2}$	verde
ferro(III) $\ce{Fe^{3+}}$	hidróxido de sódio	$\ce{Fe(OH)3}$	castanho-alaranjado
zinco $\ce{Zn^{2+}}$	hidróxido de sódio	$\ce{Zn(OH)2}$	branco
alumínio $\ce{Al^{3+}}$	hidróxido de sódio	$\ce{Al(OH)3}$	branco
cloreto $\ce{Cl-}$	nitrato de prata	$\ce{AgCl}$	branco, escurece à luz

Exemplo 17.11 (Escrever uma precipitação)

Só são escritos os íons que formam o sólido; os outros continuam dissolvidos e não participam:

\ce{Cu^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Cu(OH)2(s)}, \qquad \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}.

Precipitados formados com hidróxido de sódio (os cinco primeiros tubos) e com nitrato de prata (o último tubo).

Segurança

Hidróxido de sódio: provoca queimaduras graves na pele e lesões nos olhos, e pode ser corrosivo para os metais (GHS05); irritante para a pele e os olhos quando diluído (GHS07). O nitrato de prata, o reagente do cloreto, é oxidante, corrosivo e muito tóxico para os organismos aquáticos. Óculos de proteção, luvas; reagentes distribuídos gota a gota pelo professor.

Método 17.12 (Testar um íon)

Despeje um pouco da solução a ser testada num tubo de ensaio.
Acrescente o reagente gota a gota.
Anote a cor do precipitado, se houver, e compare com a tabela.
Conclua, e lembre-se de que um teste identifica um íon, não um composto: a solução de cloreto de ferro(III) dá ao mesmo tempo o teste do $\ce{Fe^{3+}}$ e o teste do $\ce{Cl-}$ .

17.5 Exercícios

Exercício 17.1 ★

O que é um íon? Qual é a diferença entre um cátion e um ânion?

Solução

Solução de Exercício 17.1.

Um átomo ou grupo de átomos que perdeu ou ganhou elétrons e tem carga. Um cátion é positivo (perdeu elétrons), um ânion é negativo (ganhou elétrons).

Exercício 17.2 ★

Um átomo de magnésio (12 prótons) perde dois elétrons. Escreva a fórmula do íon formado, e dê os números de prótons e de elétrons dele.

Solução

Solução de Exercício 17.2.

$\ce{Mg^{2+}}$ : 12 prótons, 10 elétrons.

Exercício 17.3 ★

Escreva as fórmulas do cloreto de potássio, do cloreto de magnésio e do óxido de cálcio (íon óxido: $\ce{O^{2-}}$ ).

Solução

Solução de Exercício 17.3.

$\ce{KCl}$ , $\ce{MgCl2}$ , $\ce{CaO}$ .

Exercício 17.4 ★

Por que a água salgada conduz a eletricidade e a água com açúcar não?

Solução

Solução de Exercício 17.4.

A água salgada contém íons, $\ce{Na+(aq)}$ e $\ce{Cl-(aq)}$ , que se movem e transportam carga. As moléculas de açúcar não têm carga.

Exercício 17.5 ★★

Escreva as fórmulas do sulfato de cobre(II), do cloreto de alumínio e do carbonato de sódio.

Solução

Solução de Exercício 17.5.

$\ce{CuSO4}$ , $\ce{AlCl3}$ , $\ce{Na2CO3}$ .

Exercício 17.6 ★★

O hidróxido de sódio acrescentado a uma solução dá um precipitado castanho-alaranjado. Que íon a solução contém? Escreva a equação da precipitação.

Solução

Solução de Exercício 17.6.

Ferro(III), $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ .

Exercício 17.7 ★★

Quantos elétrons o íon sulfato $\ce{SO4^{2-}}$ tem a mais do que os seus prótons? E o íon nitrato $\ce{NO3-}$ ?

Solução

Solução de Exercício 17.7.

Sulfato: 2 elétrons a mais. Nitrato: 1.

Exercício 17.8 ★★

Uma solução dá um precipitado branco com o nitrato de prata e um azul com o hidróxido de sódio. Dê o nome do composto iônico dissolvido e escreva a fórmula dele.

Solução

Solução de Exercício 17.8.

Branco com o nitrato de prata: $\ce{Cl-}$ . Azul com o hidróxido de sódio: $\ce{Cu^{2+}}$ . Cloreto de cobre(II), $\ce{CuCl2}$ .

Exercício 17.9 ★★

Olhe a figura da camada do cristal de sal. Quantos vizinhos de carga oposta um íon no meio da camada tem, dentro dessa camada?

Solução

Solução de Exercício 17.9.

Quatro: um de cada lado (à esquerda, à direita, em cima, embaixo).

Exercício 17.10 ★★

Escreva a equação da precipitação do hidróxido de ferro(II) a partir dos íons $\ce{Fe^{2+}}$ e $\ce{OH-}$ .

Solução

Solução de Exercício 17.10.

$\ce{Fe^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Fe(OH)2(s)}$ .

Exercício 17.11 ★★★

Um pó branco pode ser cloreto de zinco ou cloreto de sódio. Dissolvido na água, ele dá um precipitado branco com o hidróxido de sódio. Qual é ele? Escreva a equação.

Solução

Solução de Exercício 17.11.

Cloreto de zinco: os íons sódio não dão precipitado com o hidróxido de sódio, os íons zinco dão um branco: $\ce{Zn^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Zn(OH)2(s)}$ .

Exercício 17.12 ★★★

Num cristal de cloreto de cálcio, quantos íons cloreto há para 1000 íons cálcio? Verifique que o cristal é neutro.

Solução

Solução de Exercício 17.12.

$\ce{CaCl2}$ : 2000 íons cloreto. Cargas: $1000 \times (+2) + 2000 \times (-1) = 0$ .

17.6 Problema: o poço enferrujado

Problema 17.1

Problema de fim de semana — manchas alaranjadas na pia de um sítio, dois testes e o número de íons ferro num litro de água de poço

A água do poço de um sítio deixa manchas alaranjadas na pia. Um laboratório recebe uma amostra. Recém-tirada, a água é límpida; com o hidróxido de sódio, ela dá um precipitado verde, que fica castanho-alaranjado em menos de uma hora na superfície, onde encontra o ar. O laboratório mede $0.30\,\mathrm{mg}$ de ferro, na forma de íons ferro, por litro. Tome a massa de um núcleon como $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ , e 56 núcleons para um átomo de ferro.

Parte I — Os testes.

Que íon o precipitado verde mostra? Dê a fórmula do precipitado.
Que íon o precipitado castanho-alaranjado mostra? Dê a fórmula dele.
Um íon ferro(II) e um íon ferro(III) diferem por um elétron. Qual deles tem mais elétrons? Quantos elétrons cada um tem (ferro: $Z = 26$ )?
Escreva a equação da precipitação do hidróxido de ferro(III).

Parte II — As manchas.

Na pia, a água límpida vai ficando turva e alaranjada. Que íon a água contém quando sai do poço, e que íon ela acaba contendo?
Escreva a fórmula do composto iônico formado pelos íons ferro(III) e pelos íons hidróxido, e verifique que ele é neutro.
O ferro da água pode ser retirado filtrando a água no momento em que ela sai do poço? E depois que ela ficou alaranjada? Explique.
Uma água que contém íons ferro é uma substância pura? Uma mistura homogênea?

Parte III — Contar os íons.

Calcule a massa de um átomo de ferro, em quilogramas.
Converta $0.30\,\mathrm{mg}$ em quilogramas.
Por que a massa de um íon ferro pode ser tomada igual à de um átomo de ferro?
Calcule o número de íons ferro num litro da água do poço.

Solução

Solução de Problema 17.1.

1. Ferro(II), $\ce{Fe^{2+}}$ : $\ce{Fe(OH)2}$ .

2. Ferro(III), $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ .

3. O $\ce{Fe^{2+}}$ tem um a mais: $26 - 2 = 24$ elétrons, contra $26 - 3 = 23$ do $\ce{Fe^{3+}}$ .

4. $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ .

5. Ela sai do poço com íons ferro(II); em contato com o ar, eles viram íons ferro(III), que formam o sólido alaranjado.

6. $\ce{Fe(OH)3}$ : $(+3) + 3 \times (-1) = 0$ .

7. Não no momento em que ela sai do poço: os íons ferro estão dissolvidos e passam pelo filtro. Depois que o sólido alaranjado se formou, sim: ele é um precipitado, retido por um filtro.

8. Não: é uma mistura (água e íons dissolvidos). Recém-tirada e límpida, ela é homogênea.

9. $56 \times 1.67 \times 10^{-27} = 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}$ .

10. $0.30\,\mathrm{mg} = 0.30 \times 10^{-6}\,\mathrm{kg} = 3.0 \times 10^{-7}\,\mathrm{kg}$ .

11. Um íon difere do átomo por dois ou três elétrons, cuja massa é desprezível ao lado da massa do núcleo.

12. $3.0 \times 10^{-7} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 3.2 \times 10^{18}$ íons ferro por litro.

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