EQUILÍBRIO QUÍMICO

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

A maneira de descrever a posição de equilíbrio de uma reação química é dar as concentrações

de equilíbrio dos reagentes e produtos.

A expressão da constante de equilíbrio, que é uma constante numérica, relaciona as

concentrações entre reagentes e produtos no equilíbrio numa certa temperatura.

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

H2(g) + I2(g) 2HI(g)

Um grande número de experiências mostra que, no equilíbrio, a razão entre o quadrado da concentração

de HI e o produto das concentrações de H2 e I2.

[HI]2

[H2] [I2]

CONCENTRAÇÕES INICIAIS E NO EQUILÍBRIO (moles/L)

0,02760,00370,0037Concentração no equilíbrio

+0,0276-0,0138-0,0138Variação de concentração no avanço da reação para o equilíbrio

00,01750,0175Concentração inicial

2HI(g)I2(g)H2(g) +Equação

Substituindo esses valores das concentrações no equilíbrio na expressão mencionada anteriormente:

[HI]2

[H2] [I2]=

(0,0276)2

(0,0037) (0,0037)= 56

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

Dada a equação simbólica:

Constante de equilíbrio = K =[C]c [D]d

[A]a [B]b

Concentração dos produtos

Concentração dos reagentes

a A + b B c C + d D

As concentrações de reagentes e produtos no equilíbrio são sempre relacionadas pela

EXPRESSÃO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

O SIGNIFICADO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

O valor da constante de equilíbrio mostra se a reação é favorável aos produtos ou aos reagentes.

Pode ser usado para calcular a quantidade de produto presente no equilíbrio.

O SIGNIFICADO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

K >>1: A reação é favorável aos produtos; as concentrações dos produtos no equilíbrio são maiores do que as concentrações dos

reagentes no equilíbrio.

K <<1: A reação é favorável aos reagentes; as concentrações dos reagentes

no equilíbrio são maiores do que as concentrações dos produtos no equilíbrio.

Reações que Envolvem Sólidos e Água

1/8 S8(s) + O2(g) SO2(g)

[SO2]

[S8]1/8 [O2]K’ =

Como o enxofre é um sólido molecular, e como a concentração das moléculas

[SO2]

[O2]K =

Reações que Envolvem Sólidos e Água

NH3(aq) + H2O(l) NH4+

(aq) + OH-(aq)

[NH4+] [OH-]

[NH3]K =

EXERCÍCIO:

Escreva as expressões da constante de equilíbrio para cada reação seguinte:

a) PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)

b) Cu(OH)2(s) Cu2+(aq) + 2OH-

(aq)

c) Cu(NH3)42+

(aq) Cu2+(aq) + 4NH3(aq)

d) CH3COOH (aq)+ H2O(l) CH3COO-(aq)+ H3O+(aq)

EXERCÍCIO:A mistura de nitrogênio, hidrogênio e amônia pode reagir até o equilíbrio. Quando se escreve a equação com os coeficientes inteiros, como vem a seguir, o valor de Kc é 3,5 x 108, a 25 oC.

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) K1=3,5x108

½ N2(g) + 3/2 H2(g) NH3(g) K2=?2NH3(g) N2(g) + 3H2(g) K3=?

Qual o valor de K2, a constante de equilíbrio da Equação 2? Qual o valor de K3, a constante de equilíbrio da reação inversa da primeira equação, isto é, da decomposição da amônia?

QUOCIENTE REACIONAL

Butano Isobutano

[Isobutano]

[Butano]Kc = = 2,5 a 298 K

Se a concentração de um dos componentes for conhecida, somente um certo valor da concentração do outro composto obedecerá à expressão da constante de equilíbrio.

QUOCIENTE REACIONAL

Qualquer ponto do plano da figura, sobre a reta de equilíbrio ou fora desta, define uma razão [isobutano]/[butano].

Essa razão recebe o nome de:

QUOCIENTE REACIONAL, Q

E é igual a constante de equilíbrio Kc quando a reação está em equilíbrio.

QUOCIENTE REACIONAL

[Isobutano]

[Butano]Qc = =

4,03,0

= 1,3

O ponto representativo destas condições está na região inferior da figura.

As concentrações não são concentrações de equilíbrio, pois Qc < Kc.

Haverá transformação do butano em isobutano para o equilíbrio para o equilíbrio ser atingido.

QUOCIENTE REACIONAL

Dada qualquer reação:

a A + b B c C + d D

O quociente reacional, Q, se define pela equação

Quociente reacional = Q =[C]c [D]d

[A]a [B]b

QUOCIENTE REACIONAL

A expressão de Q é formalmente igual à constante de equilíbrio, mas Q é diferente

de K, pois as concentrações que estão envolvidas não são necessariamente as

concentrações de equilíbrio.

Se Q < K, o sistema não está em equilíbrio e parte dos reagentes são convertidos em produtos.

QUOCIENTE REACIONAL

Se Q > K, o sistema não está em equilíbrio e parte dos produtos é convertida em reagentes.

Se Q = K, o sistema está em equilíbrio.

EXERCÍCIOS

As moléculas dos gás castanho-avermelhado, dióxido de nitrogênio, NO2, combinam-se para formar o gás incolor tetróxido de dinitrogênio, N2O4. Para este sistema, Kc = 170 a 298 K

2 NO2(g) N2O4(g)

Suponhamos que a concentração do NO2 seja 0,015 M e a do N2O4 seja 0,025 M. O quociente reacional Qc é maior ou menor do que Kc? Ou é igual? Se o sistema não estiver em equilíbrio, em que direção a reação avançará para atingi-lo?

CÁLCULO DA CONSTATE DE EQUILÍBRIO

Exemplo 1:

Uma mistura de SO2, O2 e SO3 atinge o equilíbrio a 852 K. As concentrações, neste equilíbrio, são [SO2] = 3,61 x 10-3 mol / L, [O2] = 6,11 x 10-4 mol/L e [SO3]= 1,01 x 10-2 mol/L. Calcular a constante de equilíbrio Kc da reação.

2 SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)

Exemplo 2:

Num balão de 1,00 L colocam-se, a 1000 K, 1,00 mol de SO2 e 1,00 mol de O2. Quando o equilíbrio é atingido, o frasco contém 0,925 mol de SO3. Calcular Kc, a 1000 K, para esta reação.

2 SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)

CÁLCULOS COM A CONSTATE DE EQUILÍBRIO

Exemplo 1:

A constante de equilíbrio Kc da reação

H2(g) + I2(g) 2HI(g)

É igual a 55,64 a 425 oC. Se 1,00 mol de H2 e 1,00 mol de I2 forem colocados num balão de 0,500 L a 425 oC, quais as concentrações de H2, I2 e HI no equilíbrio?

CÁLCULOS COM A CONSTATE DE EQUILÍBRIO

Exemplo 2:

A reação

N2(g) + O2(g) 2NO(g)

Contribui para a poluição da atmosfera, sempre que se queimam um combustível em presença de ar, a temperatura elevada, como em um motor a gasolina. A 1.500 K, Kc = 1,0 x 10-5. Uma amostra de ar é aquecida a 1.500 K, num recipiente fechado. Antes da reação, [N2] = 0,80 mol/L e [O2] = 0,20 mol /L. Calcule a concentração de NO no equilíbrio.

PERTURBAÇÃO DE UM EQUILÍBRIO QUÍMICO:

Há três maneiras comuns de perturbar o equilíbrio de um sistema reacional:

1) Alteração da temperatura.

2) Alteração da concentração de reagente ou de produto.

3) Alteração do volume.

EFEITO DA MODIFICAÇÃO DA TEMPERATURA SOBRE O EQUILÍBRIO

É possível fazer uma previsão qualitativa sobre o efeito da modificação da temperatura sobre o equilíbrio de uma reação química desde que se saiba se a

reação é exotérmica ou endotérmica.

N2(g) + O2(g) 2NO(g) ∆Hor = +180,5 kJ

2300 K1,7 x 10-3

900 K6,7 x 10-10

298 K4,5 x 10-31

TemperaturaConstante de Equilíbrio, Kc

As constantes de equilíbrio mostram que a concentração de NO aumenta e as concentrações de N2 e de O2 diminuem, no equilíbrio, quando a temperatura se eleva.

A variação de entalpia dessa reação é +180,5 kJ e podemos considerar o calor como um “reagente”.

O princípio de Le Chatelier nos diz que a injeção de energia (na forma térmica) provoca o deslocamento do equilíbrio no sentido de contrabalançar a injeção feita.

A maneira de contrabalançar o excesso de energia é consumir parte do calor injetado através da reação entre o N2 e o O2 para dar maior quantidade de NO.

A elevação da temperatura deve, então, ser acompanhada pelo aumento da produção de NO e do consumo de N2 e de O2. Como esses efeitos aumentam o numerador da expressão de K e diminuem o denominador, o valor de K deve aumentar.

2 NO2(g) N2O4(g) ∆Hor = -57,2 kJ

298 K170

273 K1300

TemperaturaConstante de Equilíbrio, Kc

Neste caso, a reação é exotérmica, e podemos imaginar que o calor seja um “produto” da reação.

Quando se abaixa a temperatura do sistema reacional, há a remoção de calor.

Conforme o princípio de Le Chatelier, esta remoção de calor será contrabalançada se o sistema desprender mais calor pela combinação do NO2, formando maior quantidade de N2O4.

Então, a concentração do NO2 diminui, a do N2O4 aumenta e o valor de K fica maior quando a temperatura fica mais baixa.

ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA

Provoca o deslocamento do equilíbrio no sentido que há absorção de energia térmica.

DIMINUIÇÃO DA TEMPERATURA

Provoca o deslocamento do equilíbrio no sentido que leva ao desprendimento de

energia térmica.

EFEITO DA ADIÇÃO OU REMOÇÃO DE UM REAGENTE OU DE UM PRODUTO

Se a concentração de um reagente ou produto for alterada em relação ao seu valor no equilíbrio, a uma temperatura constante, o

sistema altera o equilíbrio para uma nova posição em o quociente reacional continua a

ser igual a K.

Exemplo:

Vamos trabalhar algebricamente o problema da perturbação do equilíbrio entre o butano e o isobutano. Imaginemos que há equilíbrio num balão de 1,00 L no qual [butano] = 0,500 mol/L e [isobutano] = 1,25 mol/L. Adiciona-se então, 1,50 mol/L de butano. Quais as novas concentrações do butano e de isobutano em equilíbrio?

EFEITO DA MODIFICAÇÃO DE VOLUME SOBRE O EQUILÍBRIO EM FASE

GASOSA

2 NO2(g) N2O4(g)

Gás castanho-avermelhado

Gás incolor

[N2O4]

[NO2]2Kc = = 170 a 298 K

O que acontece a este equilíbrio se o volume do vaso que contém os gases for bruscamente reduzido à metade?

A concentração do gás aumenta quando o volume disponível diminui.

Há a duplicação do volume dos dois gases.

Isto significa que o sistema não está mais em equilíbrio.

No equilíbrio [N2O4] é 0,0280 mol/L e [NO2] é 0,0128 mol/L.

Quando dobrar: [N2O4] é 0,0560 mol/L e [NO2] é 0,0256 mol/L.

O quociente reacional nestas circunstâncias passa a ser 85,5, um valor muito menor do que K.

Como Q é menor do que K, a quantidade de produto deve aumentar, á custa do reagente, e o equilíbrio se desloca favoravelmente no sentido da formação do N2O4.

2 NO2(g) N2O4(g)

Diminui o volume do vaso

O equilíbrio desloca-se para a direita

Em qualquer reação que envolva gases:

A redução do volume (aumento da pressão) é contrabalançada pelo deslocamento do equilíbrio para o lado da reação que tiver o menor número de moléculas de gases.

Se o volume se expandir (a pressão diminui), o deslocamento será oposto: o equilíbrio se desloca para o lado da reação com maior número de moléculas de gases.