Mistura de soluções que reagem entre si

Soluções são misturas homogêneas de duas ou mais substâncias. Suas partículas dispersas apresentam um diâmetro menor que 1nm. Existem soluções nos três estados físicos: sólido (como ligas metálicas), líquido (mistura de sal e água, por exemplo) e gasoso (um exemplo é o ar).

No entanto, em laboratórios químicos, a grande maioria das soluções usadas é líquida e resultante da dissolução de um soluto sólido num solvente que quase sempre é a água.

Se misturarmos duas ou mais soluções que possuem solutos diferentes pode ocorrer uma reação química entre eles e será necessário realizar vários cálculos importantes para estudar esses processos.

É possível deduzir o que ocorreu na solução final, inclusive qual a sua concentração em mol/L (concentração em quantidade de matéria ou molaridade, simbolizada nesse texto por “M”). Para tal será preciso seguir os passos abaixo:

Vejamos um exemplo de como aplicar esses passos:

“Misturou-se 0,5 L de uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H₂SO₄) de 0,1 mol/L com 0,5 L de uma solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH) de 0,2 mol/L. Qual a concentração da solução final? Ela é ácida, básica ou neutra?”

Para resolver esse problema vamos seguir os passos indicados anteriormente:

1º) Escrever a equação química balanceada que representa a reação que ocorreu entre as duas soluções:

                1 H₂SO₄ + 2 NaOH  → 1 Na₂SO₄ +2 H₂O
proporção:  1 mol         2 mol          1 mol   

2º) Determinar os números de mol dos solutos (n) presentes nos reagentes. Isso pode ser feito por meio da fórmula da concentração em mol/L (M):

M_H2SO4 = n_H2SO4                                  M_NaOH = n_NaOH
               V_H2SO4                                               V_NaOH
n_H2SO4 = M_H2SO4 . V_H2SO4                           n_NaOH= M_NaOH . V_NaOH
n_H2SO4 = 0,1 mol/L . 0,5 L                      n_NaOH= 0,2 mol/L . 0,5 L
n_H2SO4 = 0,05 mol                                   n_NaOH = 0,10 mol

3º) Verificar se a quantidade de reagentes está dentro da proporção indicada pelos coeficientes da reação e ver se há ou não reagente em excesso:

                       1 H₂SO₄ + 2 NaOH  → 1 Na₂SO₄ +2 H₂O
       proporção:  1 mol         2 mol          1 mol   
número de
mol de solutos:  0,05 mol     0,10 mol   

Observe que o número de mol dos solutos está dentro da proporção estequiométrica de 1 : 2 da equação. Portanto, não há reagente em excesso e a solução é neutra.

4º) Por meio dos coeficientes da equação é possível prever a quantidade em mol do sal formado e assim descobrir a concentração da solução final. Lembrando que o volume da solução é a soma dos volumes do ácido e da base (0,5 L + 0,5 L = 1,0 L).

                        1 H₂SO₄ + 2 NaOH  → 1 Na₂SO₄ + 2 H₂O
       proporção:  1 mol         2 mol          1 mol   
número de
mol de solutos:  0,05 mol     0,10 mol     0,05 mol

M_Na2SO4 = n_Na2SO4                               
                   V_final
M_Na2SO4 = 0,05 mol                              
                   1,0 L
M = 0,05 mol/L

Agora imagine que misturássemos 2,0 L de uma solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH) de 2,5 mol/L com 3,5 L de uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H₂SO₄) de 1,0 mol/L. Qual seria a concentração do sal formado? A solução continuaria neutra como no exemplo anterior?

Novamente vamos seguir os mesmos passos, mas agora iremos fazer isso mais rapidamente:

                      1 H₂SO₄ + 2 NaOH  → 1 Na₂SO₄ +2 H₂O
       proporção:  1 mol         2 mol          1 mol   

M_H2SO4 = n_H2SO4                                  M_NaOH = n_NaOH
               V_H2SO4                                               V_NaOH
n_H2SO4 = M_H2SO4 . V_H2SO4                            n_NaOH= M_NaOH . V_NaOH
n_H2SO4 = 1,0 mol/L . 3,5 L                      n_NaOH= 2,5 mol/L . 2,0 L
n_H2SO4 = 3,5 mol                                   n_NaOH = 5,0 mol

                      1 H₂SO₄ + 2 NaOH  → 1 Na₂SO₄ +2 H₂O
       proporção:  1 mol         2 mol          1 mol   
número de
mol de solutos:  3,5 mol     5,0 mol   

Observe que a proporção não está em 1 : 2. Se há 5,0 mol de hidróxido de sódio, deveria haver metade de ácido sulfúrico, isto é, 2,5 mol. Porém, há 3,5 mol, o que significa que o ácido sulfúrico está em excesso. Os 2,5 mol de H₂SO₄ irão reagir com 2,5 mol do NaOH, sobrando 1,0 mol de H₂SO₄ na solução final. Logo, a solução final será ácida.

A quantidade de Na₂SO₄ formado deve ser feita em relação ao NaOH, que é o reagente que não está em excesso, ou seja, ele é o reagente limitante, pois quando ele acaba, a reação para, apesar de ainda ter H₂SO₄.

2 mol de NaOH ------- 1 mol de Na₂SO₄
5 mol de NaOH ------- x
2 x = 5
x = 5/2
x = 2,5 mol de Na₂SO_4(aq)

Agora podemos ver a concentração em mol/L do sal na solução final:

M_Na2SO4 = n_Na2SO4                               
                   V_final
M_Na2SO4 = 2,5 mol                              
                 5,5 L
M = 0,45 mol/L de Na₂SO_4(aq)

Podemos calcular também a concentração do H₂SO₄ na solução final:

M_H2SO4 = n_H2SO4                                 
                   V_final
M_H2SO4 = 1,0 mol                               
                 5,5 L
M = 0,18 mol/L de H₂SO_4(aq)