Efeito da temperatura no equilíbrio químico
Numa pastelaria de Aveiro, a Leonor repara que o açúcar se dissolve pior em água fria do que em água quente. Será que a temperatura também «manda» no que acontece dentro de um equilíbrio químico? Vais ver que sim, e que, ao contrário da concentração ou da pressão, a temperatura muda mesmo o valor da constante de equilíbrio.
Reações endotérmicas e exotérmicas num equilíbrio
Num equilíbrio, a reação direta e a reação inversa ocorrem ao mesmo tempo. Se uma é endotérmica (absorve energia como calor), a outra é exotérmica (liberta energia como calor), com a mesma quantidade de energia, em sentido oposto.
Por isso, a energia pode ser tratada como se fosse um «reagente» ou um «produto»:
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reação exotérmica ($\Delta H < 0$): a energia surge do lado dos produtos, como $\text{A} \rightleftharpoons \text{B} + \text{calor}$;
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reação endotérmica ($\Delta H > 0$): a energia surge do lado dos reagentes, como $\text{A} + \text{calor} \rightleftharpoons \text{B}$.
Como o equilíbrio responde a uma variação de temperatura
Pelo Princípio de Le Châtelier, o sistema reage de modo a contrariar a perturbação. Então:
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se aumentas a temperatura, o sistema tende a absorver energia: o equilíbrio desloca-se no sentido endotérmico;
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se diminuis a temperatura, o sistema tende a libertar energia: o equilíbrio desloca-se no sentido exotérmico.
Porquê? Ao aquecer, fornecemos energia ao sistema. A forma de «gastar» essa energia é favorecer a reação que a absorve. Ao arrefecer, o sistema compensa favorecendo a reação que a liberta.
Atenção a um ponto importante: ao contrário da concentração e da pressão (que só alteram Q), a temperatura altera o valor de $K_c$.
| Reação direta | Aumento de $T$ | $K_c$ | Diminuição de $T$ | $K_c$ |
|---|---|---|---|---|
| Endotérmica | desloca-se no sentido direto | aumenta | desloca-se no sentido inverso | diminui |
| Exotérmica | desloca-se no sentido inverso | diminui | desloca-se no sentido direto | aumenta |
a) A dissolução do nitrato de potássio em água é endotérmica e pode representar-se por…
- a) A dissolução do nitrato de potássio em água é endotérmica e pode representar-se por $\text{KNO}_3\ \text{(s)} + \text{calor} \rightleftharpoons \text{K}^{+}\ \text{(aq)} + \text{NO}_3^{-}\ \text{(aq)}$. O Rodrigo quer dissolver a maior quantidade possível desse sal. Indica, justificando, se deve usar água fria ou água quente.
- b) A síntese do amoníaco é exotérmica: $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3 + \text{calor}$. Prevê, justificando, o que acontece à quantidade de amoníaco no equilíbrio quando a temperatura do sistema aumenta.
Um exemplo a cores: NO₂ e N₂O₄
Há equilíbrios em que a mudança de temperatura se vê. É o caso de
$$2\ \text{NO}_2\ \text{(g)} \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4\ \text{(g)} \qquad \Delta H < 0$$O $\text{NO}_2$ é castanho e o $\text{N}_2\text{O}_4$ é incolor. A reação direta é exotérmica, logo:
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ao aquecer, o equilíbrio desloca-se no sentido inverso (endotérmico): forma-se mais $\text{NO}_2$ e a mistura fica mais castanha;
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ao arrefecer, desloca-se no sentido direto (exotérmico): forma-se mais $\text{N}_2\text{O}_4$ e a mistura fica mais clara.
O dióxido de azoto, $\text{NO}2$, é um gás castanho, e o tetróxido de diazoto, $\text{N}2\text{O}4$, é um gás incolor. As duas substâncias coexistem no equilíbrio…
O dióxido de azoto, $\text{NO}_2$, é um gás castanho, e o tetróxido de diazoto, $\text{N}_2\text{O}_4$, é um gás incolor. As duas substâncias coexistem no equilíbrio $2\ \text{NO}_2\ \text{(g)} \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4\ \text{(g)}$, exotérmico no sentido direto ($\Delta H < 0$). Duas ampolas seladas, A e B, contêm exatamente a mesma mistura gasosa. Cada ampola foi mergulhada num banho — um deles com gelo picado, o outro com água quente — e o aspeto final é o da figura.
- a) Indica, justificando com o Princípio de Le Châtelier, qual das ampolas está no banho de gelo e qual está no banho de água quente.
- b) Explica, a nível das partículas, o que acontece às quantidades de $\text{NO}_2$ e de $\text{N}_2\text{O}_4$ quando a temperatura da mistura diminui.
A temperatura e a solubilidade
Voltemos ao gancho. Dissolver um sólido em água também é um equilíbrio: $\text{KNO}_3\ \text{(s)} + \text{calor} \rightleftharpoons \text{K}^{+}\ \text{(aq)} + \text{NO}_3^{-}\ \text{(aq)}$.
A dissolução é endotérmica. Ao aquecer a água, o equilíbrio desloca-se no sentido direto e dissolve-se mais sal. Por isso, para dissolver muito $\text{KNO}_3$, usa-se água quente.
Se, pelo contrário, a dissolução fosse exotérmica, aquecer diminuiria a solubilidade. É o que acontece com o dióxido de carbono num refrigerante: um refrigerante aquecido «perde o gás» mais depressa.
De volta ao início: a Leonor via o açúcar dissolver-se melhor em água quente porque a dissolução do açúcar é endotérmica, e o aumento de temperatura favorece-a.
Em resumo
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Num equilíbrio, uma reação é endotérmica e a outra exotérmica.
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Aumentar a temperatura desloca o equilíbrio no sentido endotérmico; diminuir desloca-o no sentido exotérmico.
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A temperatura é a perturbação que altera $K_c$: em reações endotérmicas, $K_c$ aumenta com $T$; em exotérmicas, diminui.
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O catalisador não altera $K_c$ nem a posição do equilíbrio.
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Para prever: identifica o sentido endotérmico, aplica Le Châtelier e conclui sobre quantidades e $K_c$.