Previsão do sentido de evolução do sistema
Na aula laboratorial, a Leonor mistura três gases num recipiente fechado e mede as concentrações. O professor pergunta-lhe: «O sistema já está em equilíbrio? Se não está, para que lado vai evoluir?» Não é preciso esperar nem repetir a experiência: basta um cálculo e uma comparação com $K_c$.
O que é o quociente da reação
Já sabes que, no equilíbrio, as concentrações obedecem a $K_c$. Mas um sistema nem sempre está em equilíbrio: logo depois de misturar os reagentes, ou depois de uma perturbação, as concentrações são outras.
Podes na mesma aplicar a expressão de $K_c$ a essas concentrações. O resultado chama-se quociente da reação, $Q_c$ (ou apenas $Q$).
A diferença é só esta: em $K_c$ as concentrações são as de equilíbrio (e $K_c$ só varia com a temperatura); em $Q$ são as do momento, e $Q$ muda à medida que o sistema evolui.
Comparar Q com Kc
Imagina o sistema $\text{A} \rightleftharpoons \text{B}$ com $K_c = 4$, ou seja, no equilíbrio $[\text{B}] = 4\,[\text{A}]$.
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Se $Q < K_c$ (por exemplo, $[\text{B}]$ ainda é pequeno): há produtos a menos. A reação direta predomina, $[\text{B}]$ aumenta e $Q$ aumenta até igualar $K_c$.
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Se $Q > K_c$ (há produtos a mais): predomina a reação inversa, $[\text{B}]$ diminui e $Q$ diminui até igualar $K_c$.
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Se $Q = K_c$: o sistema está em equilíbrio.
O sistema evolui sempre no sentido que aproxima Q de $K_c$.
Quando se calcula a expressão da constante de equilíbrio com as concentrações num instante qualquer — e não necessariamente no equilíbrio —, o valor obtido chama-se…
Quando se calcula a expressão da constante de equilíbrio com as concentrações num instante qualquer — e não necessariamente no equilíbrio —, o valor obtido chama-se quociente da reação, $Q$.
- a) Considera o sistema $\text{A} \rightleftharpoons \text{B}$. Num certo instante, a concentração de A está acima do seu valor de equilíbrio e a concentração de B está abaixo. Indica, justificando, em que sentido o sistema evolui até atingir o equilíbrio.
- b) Completa as frases: o sistema está em equilíbrio quando $Q$ é __ a $K_c$; se $Q$ for _ do que $K_c$, o sistema evolui no sentido direto; se $Q$ for ___ do que $K_c$, evolui no sentido inverso.
Calcular Q e decidir
O procedimento tem sempre os mesmos passos.
Durante a evolução, as concentrações variam na proporção dos coeficientes da equação. No sentido direto de $2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\,\text{SO}_3$, $[\text{SO}_3]$ aumenta, enquanto $[\text{SO}_2]$ e $[\text{O}_2]$ diminuem.
Para a reação $2\ \text{SO}2 + \text{O}2 \rightleftharpoons 2\ \text{SO}3$, $K_c = 4,0$ a certa temperatura. Num instante mediram-se as concentrações…
Para a reação $2\ \text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{SO}_3$, $K_c = 4,0$ a certa temperatura. Num instante mediram-se as concentrações $[\text{SO}_2] = 0,40\ \text{mol/dm}^3$, $[\text{O}_2] = 0,20\ \text{mol/dm}^3$ e $[\text{SO}_3] = 0,80\ \text{mol/dm}^3$.
- a) Calcula o quociente da reação, $Q$, nesse instante.
- b) Compara $Q$ com $K_c$ e indica se o sistema está em equilíbrio.
- c) Se não estiver, indica em que sentido evolui e descreve o que acontece, durante essa evolução, às concentrações de $\text{SO}_3$ e de $\text{SO}_2$.
A decomposição do pentacloreto de fósforo, $\text{PCl}5\ \text{(g)} \rightleftharpoons \text{PCl}3\ \text{(g)} + \text{Cl}2\ \text{(g)}$, tem $K_c = 0,050$ a…
A decomposição do pentacloreto de fósforo, $\text{PCl}_5\ \text{(g)} \rightleftharpoons \text{PCl}_3\ \text{(g)} + \text{Cl}_2\ \text{(g)}$, tem $K_c = 0,050$ a $250\ ^{\circ}\text{C}$. Num certo instante, as concentrações das três espécies são as representadas na figura.
- a) Lê na figura a concentração de cada espécie nesse instante.
- b) Calcula $Q$ com esses valores e compara-o com $K_c$.
- c) Indica em que sentido o sistema evolui e prevê o que acontece à altura de cada barra quando o equilíbrio for atingido: se aumenta ou se diminui.
Vários instantes, uma só conclusão
Por vezes tens uma tabela com as concentrações medidas em vários instantes. Calcula $Q$ em cada um, separadamente, e compara cada valor com o mesmo $K_c$.
Também podes ler as concentrações num gráfico de barras: a altura de cada barra dá o valor de $[\text{X}]$ nesse instante. Lê os valores com atenção às unidades e substitui-os em $Q$.
Fecha agora o gancho do início: a Leonor mede as concentrações, calcula $Q$ e compara-o com $K_c$. Se $Q = K_c$, o sistema já está em equilíbrio; se não, o sentido da evolução fica logo previsto.
Num recipiente fechado ocorre a reação $\text{H}2 + \text{I}2 \rightleftharpoons 2\ \text{HI}$, com $K_c = 50$ à temperatura da experiência. Em três instantes mediram-se…
Num recipiente fechado ocorre a reação $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{HI}$, com $K_c = 50$ à temperatura da experiência. Em três instantes mediram-se as concentrações registadas na tabela.
| Instante | [H₂] (mol/dm³) | [I₂] (mol/dm³) | [HI] (mol/dm³) |
|---|---|---|---|
| $t_1$ | 0,10 | 0,10 | 0,50 |
| $t_2$ | 0,10 | 0,20 | 1,00 |
| $t_3$ | 0,20 | 0,10 | 1,50 |
- a) Calcula o valor de $Q$ em cada um dos três instantes.
- b) Indica, para cada instante, se o sistema está em equilíbrio ou, caso contrário, em que sentido evolui.
- c) Explica por que razão a condição $Q = K_c$ corresponde ao estado de equilíbrio.
Em resumo
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O quociente da reação, $Q_c$, tem a mesma expressão que $K_c$, mas com as concentrações de um instante qualquer.
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$K_c$ só depende da temperatura; $Q_c$ varia à medida que o sistema evolui.
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$Q = K_c$: equilíbrio. $Q < K_c$: sentido direto. $Q > Kc$: sentido inverso.
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O sistema evolui sempre no sentido que aproxima $Q$ de $K_c$.
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Sólidos puros não entram em $Q$; os expoentes são os coeficientes estequiométricos.