Solução Pka

Dissolveram-se 0,050 mol de fosfato de sódio, Na3PO4, numa solução aquosa de HCl, de modo a formar 500 mL de solução de pH = 8,0. As constantes de dissociação do ácido fosfórico, H3PO4, são:

pKa1 = 3,0 ; pKa2 = 8,0 ; pKa3 = 13

Em relação à solução e aos seus componentes, é INCORRETO afirmar que:
A) A solução pode atuar como um tampão de pH.
B) A concentração dos íons Na+ é 0,30 mol/L.
C) A concentração dos íons PO43_ é 0,10 mol/L.
D) As espécies H2PO4_ e HPO42 _são anfipróticas.

Alguém pode me explicar esta questão detalhadamente?

Gabarito: C

Cara, pra saber que a (C) tá errada tu nem precisa fazer contas, vai só na dedução mesmo.
Mas vamos chegar lá! Começando do início: reação de um sal com um ácido forma sal e ácido.

Na3PO4 + 3HCl ==> 3NaCl [Na+ + Cl^-] + H3PO4
1 mol -------------- 3 mols

Lembrando que em solução o sal está dissociado em Na^+ e Cl^- e que pela estequiometria temos 3 mols de Na^+ para 1 mol de sal inicialmente dissolvido.

Calculemos a concentração molar do sal dissolvido em 500 mL (0,5 L) de solução:

M = 0,05 / 0,5
M = 0,1 mol/L de Na3PO4

Então nós temos:

1 mol de Na3PO4 ----------- 3 mols de Na^+
0,1 mol/L de Na3PO4 ------- x
x = 0,3 mol/L de Na^+

Quanto a essa solução poder ou não atuar como um tampão, basta lembrarmos que um tampão é uma solução de um ácido fraco e de um sal correspondente a esse ácido (ou uma base fraca e um sal correspondente a essa base). O ácido fosfórico é um ácido fraco a moderado, portanto, essa solução de H3PO4/Na3PO4 pode atuar como tampão. [O único ácido poliprótico (mais de um próton que se ioniza) forte é o ácido sulfúrico; os outros são todos fracos].

Agora que houve a formação do ácido fosfórico nessa reação, vamos fazer a sequência de ionizações (lembrando que K = 10^-pK):

H3PO4 + H2O -------------------> H2PO4^- + H3O^+ Ka1 = 10^-3

H2PO4^- + H2O ---------> HPO4^2- + H3O^+ Ka2 = 10^-8

HPO4^2- + H2O ---> PO4^3- + H3O^+ Ka3 = 10^-13

Por que no início eu disse que nem precisava fazer conta pra saber que a letra (C) tá errada? Perceba que começamos com 0,1 mol/L do sal inicialmente dissolvido. Depois da formação do ácido, ocorreu as ionizações. A cada ionização, o pKa aumentou; em outras palavras, o Ka diminuiu, ou seja, cada composto formado se ioniza cada vez menos. Quando chegamos na 3ª ionização temos muito pouco PO4^3-, visto que o Ka3 é extremamente pequeno, praticamente desprezível.
[Note que eu coloquei uma seta bem grande na reação direta da 1ª ionização e uma bem pequena na reação direta da 3ª ionização pra se enxergar melhor o efeito do Ka]

Fazendo as contas:

1ª ionização:

10^-3 = x*10^-8 / 10^-1 - x
10^-4 - 10^-3x = 10^-8x
10^-4 = 10^-3x (como 10^-8x + 10^-3x ≈ 10^-3x)
x = 10^-1 mol/L de H2PO4^-

[O 10^-8 foi tirado do pH = 8 da solução dado no enunciado]

2ª ionização:

10^-8 = x*10^-8 / 10^-1 - x
10^-9 - 10^-8x = 10^-8x
10^-9 = 2*10^-8x
x = 5*10^-2 mol/L de HPO4^2-

3ª ionização:

10^-13 = x*10^-8 / 5*10^-2 - x
5*10^-15 - 10^-13x = 10^-8x
5*10^-15 = 10^-8x (como 10^-8x + 10^-13x ≈ 10^-8x)
x = 5*10^-7 mol/L de PO4^3-

Anfiprótico quer dizer que atua tanto como ácido ou como base. Ou seja, um composto que pode doar (ácido) ou receber (base) prótons. Observando as equações de ionização acima vemos que H2PO4^- e HPO4^2- são anfipróticos.

Bons estudos!

Erro grotesco de conceito no enunciado da questão --> "As constantes de dissociação do ácido fosfórico..."

A constante de um ácido (que é uma molécula) NÃO é de dissociação e sim de ionização.

Vamos à questão:

a) Na3PO4 + 3HCl --> 3NaCl + H3PO4
->0,05 mol--0,15 mol--0,15 mol--0,05 mol

PH=8,0 => [H⁺]=10^-8/500 ml = 2.10^-8 mol/l≈ PH=7,7.

Logo, a solução pode atuar como tampão, ou seja, diminuindo o PH da solução, mesmo não fomando um ácido ou um base fraca com os íons da autoionização da água.

b) Pela proporção estequiométrica o NaCl possui 0,15 mols. Logo, o nº de mols do Na⁺ também será de 0,15 mols. Então:

[Na⁺]=0,15/0,5 => [Na⁺]=0,3 mol/l

c) Pela proporção estequiométrica o H3PO4 possui 0,05 mols.

Considerando a ionização de 2 hidrônios, tem-se que:

ka=[H⁺]².[PO4^-3]/[H3PO4] => 8=x².x/0,05 => x=∛8.5.10^-2 => x≈0,342 mol/l

d) Essa é muito correta !!! Pois esses ânios tanto recebem como doam prótons, logo, são anfipróticos.

Obs: os cálculos da alternativa "c" estão aproximados.

Só uma dúvida!

Como vocês sabem que o sal Na3PO4 derivado do ácido fraco vai estar presente na solução final?
Qual dado garante que ele não reagiu completamente com o HCl? Pois, se isso acontecer não terei mas uma solução tampão uma vez que o sal reagiu completamente com o HCl.
Minha dúvida maior foi essa, pois ele não me dá dados para saber o quanto do sal reagiu com o HCl e vice-versa. Para concluirmos que essa solução pode atuar como tampão nos temos que admitir que a reação não foi completa, mas que informação sugeriu isso?
Pois se a reação não fosse completa ele teria que me dar dados para calcular o quanto de HCl reagiu com Na3PO4 e isso não foi feito, logo no meu entender o enunciado deixou subentendido que a reação é completa já que não há dados para pensarmos o contrário.

A seguinte passagem do enunciado explicita: (de modo a formar 500ml de solução de pH = 8,0). Esse fato sugere que essa reação não é completa??? É isso né? Pois só esse fato me faz aceitar a letra A como correta!?

Mas se a reação não é completa também posso pensar na formação do Na2HPO4 já que não há ionização dos três hidrogênios uma vez que ele obtém uma solução de pH=8,O, afinal foi por isso ele deu os Pkas?

Então terei na solução H3PO4-----> H2PO4- + H+ -------> HPO42- + H+. Assim esse íon difosfato de hidrogênio pode juntar-se com o íon Na+.

Na3PO4 + HCl ---------> NaCl + H3PO4 + Na2HPO4

Concordo claramente que a letra C é a resposta não há dúvidas no raciocínio. Só estou querendo entender melhor a questão que parece mal feita.

Como vocês sabem que o sal Na3PO4 derivado do ácido fraco vai estar presente na solução final?
Qual dado garante que ele não reagiu completamente com o HCl? Pois, se isso acontecer não terei mas uma solução tampão uma vez que o sal reagiu completamente com o HCl.

Diego, quase todas as reações químicas são reversíveis, ou seja, elas se processam em ambos os sentidos. Ao mesmo tempo em que se formam produtos, parte desses produtos regenera os compostos iniciais. Essa é a base do equilíbrio. Quando se diz que uma reação química atingiu o equilíbrio significa dizer que os produtos estão regenerando os reagentes à mesma velocidade com que são formados. Quando se analisa uma questão que envolve ácido poliprótico como esta, a visualização do equilíbrio é mais difícil, pois estamos trabalhando com várias substâncias que se formam e fazem parte desse equilíbrio. A ideia que você deve ter é que os reagentes não desaparecem completamente e há formas de se fazer com que esse equilíbrio se desloque mais para um lado ou mais para outro. Dê uma lida naquela parte de deslocamento de equilíbrio que você entenderá melhor essa matéria.

A questão é: se considerarmos uma solução tampão obviamente teria que existir um equilíbrio. Porém o enunciado não deixa claro se ocorrerá esse equilíbrio.
Aliás, temos um ácido forte HCl e sabemos que um ácido forte reage com todo sal presente em sua solução, salvo o HCl como reagente limitante.
Concordo com todas suas colocações sobre equilíbrio químico, só não concordo que grande parte das reações estabelecem equilíbrio isso dependerá da finalidade de cada reação. Afinal, a maioria das reações acontecem em ambiente aberto e em grande parte delas temos substancias no estado gasoso.
Resumindo não entendi muito bem essa questão e se minhas considerações estiverem erradas pode me corrigir pois posso estar equivocado.
Obrigado mesmo pela ajuda.