Constante de equilíbrio e deslocamento do equilíbrio
Numa indústria de fertilizantes, a amônia ($NH_3$) é produzida a partir de nitrogênio e hidrogênio. Por mais que o reator trabalhe por horas, nem todo o $N_2$ e todo o $H_2$ viram amônia. Por quê? E como os engenheiros fazem para produzir mais $NH_3$? Neste apartado você vai descobrir isso.
Equilíbrio químico dinâmico
Muitas reações são reversíveis: os reagentes formam os produtos (reação direta), mas os produtos também voltam a formar os reagentes (reação inversa). Representamos isso com a seta dupla $\rightleftharpoons$.
No início, só há reagentes: a reação direta é rápida e a inversa não acontece. Conforme os produtos se acumulam, a reação inversa acelera e a direta desacelera. Em algum momento, as duas velocidades ficam iguais.
A palavra dinâmico é importante: a reação não parou. Direta e inversa continuam acontecendo na mesma velocidade, então nada muda do ponto de vista macroscópico.
Explique, com suas palavras, o que significa dizer que uma reação química atingiu o estado de equilíbrio dinâmico. Na sua resposta, comente o que acontece com as…
Explique, com suas palavras, o que significa dizer que uma reação química atingiu o estado de equilíbrio dinâmico. Na sua resposta, comente o que acontece com as velocidades das reações direta e inversa e o que acontece com as concentrações de reagentes e produtos.
A constante de equilíbrio $K_c$
Para uma reação geral $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$, a razão entre as concentrações no equilíbrio é sempre a mesma, a uma dada temperatura:
Por que os coeficientes viram expoentes? Porque cada molécula que participa da reação contribui para a taxa; assim, três moléculas de $H_2$ pesam três vezes na expressão.
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$K_c$ grande ($\gg 1$): no equilíbrio há muito mais produtos; o equilíbrio está deslocado para a direita.
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$K_c$ pequeno ($\ll 1$): predominam os reagentes.
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$K_c$ só muda com a temperatura.
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Sólidos e líquidos puros não entram na expressão; só gases e espécies em solução aquosa.
Para $N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g)$:
$$K_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2]\,[H_2]^3}$$Escreva a expressão da constante de equilíbrio em termos de concentração molar ($K_c$) para a reação em fase gasosa: $$N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g)$$…
Escreva a expressão da constante de equilíbrio em termos de concentração molar ($K_c$) para a reação em fase gasosa:
$$N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g)$$Indique também, em uma frase, o que um valor de $K_c$ muito grande informa sobre a posição do equilíbrio.
Em um recipiente de 2,0 L, a uma certa temperatura, o equilíbrio $$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2\,HI(g)$$ foi atingido com as seguintes quantidades de matéria:…
Em um recipiente de 2,0 L, a uma certa temperatura, o equilíbrio
$$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2\,HI(g)$$foi atingido com as seguintes quantidades de matéria: 0,40 mol de $H_2$, 0,40 mol de $I_2$ e 1,60 mol de $HI$.
- a) Calcule as concentrações em mol/L de cada substância no equilíbrio.
- b) Calcule o valor de $K_c$ nessa temperatura.
Uma estudante estudou o equilíbrio de dissociação do ácido acético em água a 25 °C: $$CH_3COOH(aq) \rightleftharpoons CH_3COO^-(aq) + H^+(aq)$$ Em uma solução, as…
Uma estudante estudou o equilíbrio de dissociação do ácido acético em água a 25 °C:
$$CH_3COOH(aq) \rightleftharpoons CH_3COO^-(aq) + H^+(aq)$$Em uma solução, as concentrações no equilíbrio são $[CH_3COOH] = 0{,}100$ mol/L e $[CH_3COO^-] = [H^+] = 1{,}3 \times 10^{-3}$ mol/L.
- a) Escreva a expressão de $K_c$ para esse equilíbrio.
- b) Calcule o valor aproximado de $K_c$.
- c) Dissolver acetato de sódio na solução aumenta $[CH_3COO^-]$. Para que lado o equilíbrio se desloca e o que acontece com $[H^+]$?
Calculando concentrações no equilíbrio
Quando se conhece $K_c$ e as quantidades iniciais, usa-se uma tabela com três linhas: início, reage e equilíbrio. Chame de $x$ a quantidade que reage e use a proporção dos coeficientes.
Em um recipiente fechado de 1,0 L, colocaram-se inicialmente 1,0 mol de $H_2$ e 1,0 mol de $I_2$, a uma temperatura em que $K_c = 4$ para o equilíbrio: $$H2(g) + I2(g)…
Em um recipiente fechado de 1,0 L, colocaram-se inicialmente 1,0 mol de $H_2$ e 1,0 mol de $I_2$, a uma temperatura em que $K_c = 4$ para o equilíbrio:
$$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2\,HI(g)$$Sendo $x$ a quantidade de matéria (em mol) de $H_2$ que reage até o equilíbrio:
- a) Escreva as concentrações de $H_2$, $I_2$ e $HI$ no equilíbrio em função de $x$.
- b) Monte a equação de $K_c$ e determine o valor de $x$.
- c) Calcule a concentração de $HI$ no equilíbrio e o percentual de $H_2$ que foi convertido.
Princípio de Le Chatelier
E se perturbarmos um sistema em equilíbrio? Ele reage para minimizar a perturbação, buscando um novo equilíbrio.
| Perturbação | Deslocamento |
|---|---|
| Adicionar reagente | Para a direita (consome o reagente) |
| Retirar produto | Para a direita (repõe o produto) |
| Adicionar produto | Para a esquerda |
| Aumentar a pressão (reduzir o volume) | Para o lado com menos mols de gás |
| Diminuir a pressão | Para o lado com mais mols de gás |
| Aumentar a temperatura | Sentido endotérmico (absorve calor) |
| Diminuir a temperatura | Sentido exotérmico (libera calor) |
| Catalisador | Não desloca; só atinge o equilíbrio mais rápido |
Só a temperatura altera o valor de $K_c$. Concentração e pressão deslocam o equilíbrio, mas $K_c$ continua o mesmo. Adicionar um gás inerte a volume constante também não desloca: as concentrações dos participantes não mudam.
O princípio de Le Chatelier afirma que um sistema em equilíbrio, ao sofrer uma perturbação, tende a se deslocar para minimizar essa perturbação. Considere o equilíbrio:…
O princípio de Le Chatelier afirma que um sistema em equilíbrio, ao sofrer uma perturbação, tende a se deslocar para minimizar essa perturbação. Considere o equilíbrio:
$$N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2\,NO_2(g)$$Para onde o equilíbrio se desloca (para a direita ou para a esquerda) se você adicionar mais $N_2O_4(g)$ ao recipiente, mantendo a temperatura constante? Justifique em uma ou duas frases.
A reação de síntese da amônia é exotérmica: $$N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g) \qquad \Delta H < 0$$ Na produção industrial da amônia, usada em…
A reação de síntese da amônia é exotérmica:
$$N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g) \qquad \Delta H < 0$$Na produção industrial da amônia, usada em fertilizantes, os engenheiros podem alterar a pressão, a temperatura e a concentração das substâncias. Explique, usando o princípio de Le Chatelier, o efeito de cada alteração abaixo sobre o rendimento em $NH_3$:
- a) aumento da pressão total do sistema;
- b) aumento da temperatura;
- c) retirada contínua de $NH_3$ do reator, por liquefação.
Considere o equilíbrio, em um recipiente fechado, entre os gases de um sistema: $$2\,SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2\,SO_3(g) \qquad \Delta H < 0$$ Um professor…
Considere o equilíbrio, em um recipiente fechado, entre os gases de um sistema:
$$2\,SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2\,SO_3(g) \qquad \Delta H < 0$$Um professor propõe três modificações independentes, partindo sempre do equilíbrio inicial: (I) adicionar um catalisador; (II) adicionar gás hélio (inerte) mantendo o volume constante; (III) reduzir a temperatura.
Para cada modificação, indique se o equilíbrio se desloca e se o valor de $K_c$ muda, justificando. Depois, compare as três e diga qual delas aumenta a quantidade de $SO_3$ no equilíbrio, e por quê.
De volta ao início: a amônia não se converte por completo porque a reação atinge o equilíbrio; para produzir mais, a indústria desloca o equilíbrio com alta pressão, retirada contínua de $NH_3$ e um bom compromisso de temperatura.
Resumo
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No equilíbrio dinâmico, as velocidades direta e inversa são iguais e as concentrações ficam constantes.
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$K_c = \dfrac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$, com concentrações em mol/L no equilíbrio; sólidos e líquidos puros ficam de fora.
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$K_c$ grande: muitos produtos; $K_c$ pequeno: muitos reagentes. Só a temperatura altera $K_c$.
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Para achar concentrações, use a tabela início-reage-equilíbrio com $x$ e os coeficientes.
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Le Chatelier: o sistema se desloca para atenuar a perturbação (concentração, pressão, temperatura).
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O catalisador e o gás inerte (a volume constante) não deslocam o equilíbrio.