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Equilíbrio químico · A constante de equilíbrio

O significado do valor da constante de equilíbrio

Na aula laboratorial, a turma da Leonor estudou duas reações em recipiente fechado. Numa, ao fim de pouco tempo, quase não restava reagente. Na outra, quase nada reagiu. Ambas chegaram a equilíbrio, e no entanto os sistemas são muito diferentes. Que número da expressão de $K_c$ nos diz isto logo à partida? É o que vais descobrir neste apartado.

O que nos diz o valor de Kc

Para a reação $a\,\text{A} + b\,\text{B} \rightleftharpoons c\,\text{C} + d\,\text{D}$, em sistema homogéneo, a constante de equilíbrio escreve-se

$$K_c = \dfrac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$

As concentrações são as do equilíbrio, em mol/dm³. Os produtos estão no numerador e os reagentes no denominador. Por isso:

  • se $K_c$ é grande, o numerador é grande em relação ao denominador: no equilíbrio há muito mais produtos do que reagentes;

  • se $K_c$ é pequeno, passa-se o contrário: predominam os reagentes.

Na prática, usam-se estes intervalos aproximados, a uma dada temperatura. Repara que são apenas um critério orientativo: o valor de $K_c$ depende também dos coeficientes estequiométricos da equação e tem unidades que variam de reação para reação, por isso só se comparam valores de reações semelhantes e à mesma temperatura.

Valor de $K_c$ No equilíbrio predominam… Extensão da reação direta
$K_c \gg 1$ (por exemplo, $K_c > 10^{3}$) os produtos muito extensa (praticamente completa)
$K_c \approx 1$ reagentes e produtos em quantidades comparáveis intermédia
$K_c \ll 1$ (por exemplo, $Kc < 10^{-3}$) os reagentes pouco extensa (quase não ocorre)
Escala logarítmica de Kc: à esquerda predominam os reagentes, ao centro há quantidades comparáveis e à direita predominam os produtos. reagentes produtos 10⁻³ 1 10³ Kc aumenta →
Pratica★☆☆Por começar
Para cada valor de $K_c$ seguinte, indica se, no equilíbrio, predominam os reagentes ou os produtos, e classifica a reação como muito extensa ou pouco extensa no sentido…

Para cada valor de $K_c$ seguinte, indica se, no equilíbrio, predominam os reagentes ou os produtos, e classifica a reação como muito extensa ou pouco extensa no sentido direto.

  1. a) $K_c = 3,2 \cdot 10^{18}$
  2. b) $K_c = 4,0$
  3. c) $K_c = 1,8 \cdot 10^{-5}$
  4. d) $K_c = 2,4 \cdot 10^{-33}$
Resolver

Kc depende da temperatura

O valor de $K_c$ não é fixo para uma reação: depende da temperatura. Para uma dada temperatura é constante, qualquer que seja a composição inicial. Se mudares a temperatura, o sistema atinge outro equilíbrio, com outro $K_c$.

Pelo contrário, alterar as concentrações ou a pressão faz variar as quantidades presentes, mas não muda o valor de $K_c$ (a temperatura constante). Isto vai ser muito importante nos apartados sobre o Princípio de Le Châtelier.

Como $K_c$ varia com $T$, é preciso indicar sempre a temperatura quando se dá o seu valor.

A relação entre o sentido da variação de $K_c$ e o calor da reação é esta:

O porquê vem do Princípio de Le Châtelier: ao aquecer, o sistema tende a opor-se à perturbação absorvendo energia, ou seja, favorece o sentido endotérmico. Se esse sentido é o direto, formam-se mais produtos e $K_c$ aumenta; se é o inverso, formam-se mais reagentes e $K_c$ diminui.

Dois gráficos esquemáticos de Kc em função da temperatura: numa reação endotérmica Kc aumenta com T; numa exotérmica Kc diminui com T. Endotérmica Exotérmica T T Kc Kc
Pratica★★☆Por começar
A tabela apresenta valores aproximados de $K_c$ para o equilíbrio…

A tabela apresenta valores aproximados de $K_c$ para o equilíbrio $\text{H}_2\ \text{(g)} + \text{CO}_2\ \text{(g)} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{O}\ \text{(g)} + \text{CO}\ \text{(g)}$ a três temperaturas.

T (K) 600 800 1 000
Kc 0,4 1,0 2,5
  1. a) Descreve como varia o valor de $K_c$ quando a temperatura aumenta.
  2. b) Conclui, justificando, se a reação direta é endotérmica ou exotérmica.
  3. c) Indica como varia a extensão da reação direta com o aumento da temperatura.
Resolver

Vamos ao gancho do início: a Leonor tinha duas reações, uma com produtos quase em exclusivo e outra com quase só reagentes. Bastava comparar os valores de $K_c$ à mesma temperatura: o maior corresponde à reação mais extensa.

Em resumo

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