Principais Tópicos Abordados

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1 BC0307 Transfo ormaçõe es Químicas Principais Tópicos Abordados.Indústrias químicas: Processo Haber Equilíbrio químico: Lei de Ação das Massas e constante de equilíbrio. Fatores que afetam o equilíbrio químico. Kp e Kc; Processo Solvay Solubilidade, Kps; Equilíbrio ácido-base Sistema tampão

2 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Sistemas em Equilibrio são: DINÂMICOS (está em movimento sempre) REVERSÍVEIS Podem ser direcionados Equilíbrio se estabelece desde que o sistema it seja fechado!

3 BC0307 Transfo ormaçõe es Químicas No equilíbrio, tanto de N 2 O 4 reage para formar NO 2 quanto de NO 2 reage para formar outra vez N 2 O 4 : N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) Incolor Marrom A seta dupla significa que o processo é dinâmico.

4 cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími Em geral, todos os sistemas químicos são caracterizados pelos seus QUOCIENTE DE REAÇÃO,,Q a A + b B c C + d D, Q. BSe Q = K, então o sistema está em equilíbrio.

5 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Para uma reação genérica qualquer a A + b B c C + d D Tem-se a CONSTANTE DE EQUILÍBRIO (a uma dada T) K = [C]c [D]d [A]a [B]b equilibrium constant conc. of products conc. of reactants Se K é conhecida, pode-se prever a concentração de produtos e reagentes no equilíbrio!

6 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas 2 NOCl(g) 2 NO(g) + Cl 2 (g) Foi colocado 2,00 mol de NOCl em um frasco de 1,00 L. No equilíbro encontra-se 0.66 mol/l de NO. Cl Calcule l K. Solução Faça uma tabela com as concentrações [NOCl NOCl] [NO] [Cl 2 ] I nicial 2, Reage/Forma Equilíbrio 0,66

7 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas 2 NOCl(g) 2 NO(g) + Cl 2 (g) Foi colocado 2,00 mol de NOCl em um frasco de 1,00 L. No equilíbro encontra-se 0.66 mol/l de NO. Cl Calcule l K. Solução Faça uma tabela com as concentrações [NOCl NOCl] [NO] [Cl 2 ] Inicial 2, Reage/Forma -0, ,66 +0,33 Equilíbrio 1,34 0,66 0,33

8 2 NOCl(g) 2 NO(g) + Cl 2 (g) BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas [NOCl NOCl] [NO] [Cl 2 ] Inicial 2, Reage/Forma -0,66 +0,66 +0,33 Equilíbrio 1,34 0,66 0,33 [NO]2 [Cl K [ ] 2 ] [NOCl] 2 2 K [NO]2 [Cl 2 ] 2 = (0.66) 2 (0.33) 2 = [NOCl] (1.34)

9 cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími Produto- ou Reagente Favorecida? Produto-favorecida Reagente-favorecida

10 BC0307 Transformações Químicas

11 Produto- ou Reagente Favorecida? BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas G < 0: reação é produto-favorecida G > 0: reação é reagente-favorecida G = -RT ln K Se K > 1, então ΔG é negativo Se K < 1, então ΔG é positivo

13 H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI(g) K c = 55.3 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas 1 o Passo: Faça uma tabela com as concentrações [H 2 ] [I 2 ] [HI] Inicial 1, , Reage/Forma -x -x +2x Equilíbrio 1,00-x 1,00-x +2x Seguindo as proporções estequiométricas, estabeleça quanto de cada substância reage/forma Etbl Estabeleça quanto de cada substância btâ tem-se no equilíbrio

14 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI(g) K c = o Passo: Monte a expressão de equilíbrio, Kc, e substitua as concetrações. [2x] 2 K c = = 55.3 [ x][ x] 3 o Passo: Resolva a expressão raiz quadrada dos dois lados [2x] 2 = = 2x x K c = 55.3 [ x][ x]

15 K c = [ x][ x] = x BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas x = 0,79 Portanto, no equilíbrio: [H 2 ] [I 2 ] [HI] Inicial 1,00 1,00 0 Reage/Forma -x -x +2x Equilíbrio 1,00-x 1,00-x +2x [H 2 ] = [I 2 ] = 1,00 - x = 0,21 M [HI] = 2x = 1,58 M

16 PROCESSO HABER-BOSCH Fit Fritz Haber Carl Bosch BC0307 Transformações Químicas

17 N 2 (g) +3H 2 (g) 2NH 3 (g) BC0307 Transfo ormaçõe es Químicas Não importaa composição iã iniciali i lde reagentes e produtos, a mesma proporção de concentrações é alcançada no equilíbrio.

18 Relação K c e K (ou K p )? [C]c [D] d Kc = [[A] a [B] b BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Em fase gasosa as concentrações podem ser expressas em atm. Kc está relacionado com o Kp através da equação K p ( RT) R = Constante dos gases perfeitos (0,0821 Latm/(K.mol); T = Temperatura (K) n = b-a = mols de produtos no estado gasoso mols de reagentes no estado gasoso. n K c

19 O que fazer para ter um rendimento elevado para esse processo? BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) O que acontecerá se: - Aumentarmos a temperatura; - Acrescentarmos ao sistema reacional NH3; - Retirarmos H2; - Aumentarmos a pressão; H = - 91,8 kj

20 BC0307 Transfo ormaçõe es Químicas Princípio de Le Châtelier: quando uma perturbação exterior é aplicada a um sistema em equilíbrio dinâmico, ele tende a se ajustar para reduzir ao mínimo a perturbação.

21 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) BC0307 Transformações Químicas

23 cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími À medida que diminui-se o volume, a pressão aumenta.

24 Variações na pressão não afetam as concentrações das espécies reagentes nas fases condensadas (por ex, numa solução aquosa) porque os líquidos e os sólidos são virtualmente incompressíveis. BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Por outro lado, as concentrações dos gases são geralmente afetadas por variações de pressão. Exemplo: considere os seguintes sistemas em equilíbrio (a) 2PbS(s)+3O 2 (g) 2PbO(s)+2SO 2 (g) (b) PCl 5 (g) PCl 3 (g)+cl 2 (g) (c) H 2 (g)+co 2 (g) H 2 O(g)+CO(g) Preveja o sentido da reação global, em cada um dos casos, como resultado de um aumento de pressão (diminuição de volume) no sistemaatemperaturaconstante.

25 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas A adição de calor (por ex. o aquecimento do recipiente) favorece a reação no sentido: se H > 0, a adição de calor favorece a reação direta, se H < 0, a adição de calor favorece a reação inversa. A remoção de calor (por ex. o resfriamento do recipiente), favorece a reação no sentido: se H > 0, o resfriamento favorece a reação inversa, se H < 0, o resfriamento favorece a reação direta.

26 A constante de equilíbrio depende da temperatura. BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas K=e G0 /RT Para uma reação endotérmica, H > 0 e o calor pode ser considerado um reagente. Para uma reação exotérmica, H < 0 e o calor pode ser considerado um produto.

27 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) H = 91,8 kj Utiliza um catalisador a base de ferro (catálise heterogênea) BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Elevadas temperaturas (500 C) e pressões (250 atm) A energia necessária é proveniente da queima de combustíveis fósseis (carvão, gás ou óleo) Hidrogênio é produzido a partir de gás natural (metano) ou outros hidrocarbonetos

29 endo [Co(H 2 O) 6 ] 2+ (aq) + 4Cl - (aq) [CoCl 4 ] 2- (aq) + 6H 2 O(l) exo BC0307 Transformações Químicas

30 Não tem efeito sobre o equilíbrio! BC0307 Transformações Químicas

31 Resumindo, fatores que afetam o equilíbrio químico BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas 1. Concentração 2. Pressão: só afeta de maneira considerável as reações envolvendo gases. 3. Volume: afeta os gases, uma vez que tanto líquidos como sólidos apresentam volume praticamente constante. 4. Temperatura: um aumento da temperatura favorece reações endotérmicas e uma diminuição de temperatura favorece reações exotérmicas.

32 BC0307 Transfo ormaçõe es Químicas Ernest Solvay Produção industrial de NaHCO 3 e Na 2 CO 3 a partir de matérias primas baratas: cloreto de sódio, amoníaco e carbonato de cálcio (pedra calcária) Utilizados para: Vidros, Sabões Papel, Fármacos etc.

33 REAÇÕES CaCO 3 CaO + CO 2 H = +43,4 Kcal C (amorfo) +O 2 CO 2 H = -96,5 Kcal BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas CaO + H 2 O Ca(OH) 2 H = -15,9 Kcal NH 3 + H 2 O NH 4 OH H = -8,4 Kcal 3 2 4, 2NH 4 OH + CO 2 (NH 4 ) 2 CO 3 + H 2 O H = -22,1 Kcal (NH 4 ) 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 2NH 4 HCO 3 NH 4 HCO 3 + NaCl NH 4 Cl + NaHCO 3 2NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O H = +30,7 Kcal 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 2NH 3 + CaCl 2 + 2H 2 O H = +10,7 Kcal

34 REAÇÃO GLOBAL: CaCO 3 + NaCl Na 2 CO 3 (s) + CaCl 2 (s) BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas

35 Etapas principais do Processo Solvay: 1. Saturação de uma solução aquosa de NaCl com amônia NH 3 + H 2 O NH 4 OH 2. Saturação desta solução com CO 2 NH 4 OH + CO 2 NH 4 HCO 3 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas 3. Reação do bicarbonato com NaCl NH 4 HCO 3 + NaCl NH 4 Cl + NaHCO 3 4. Precipitação do sal menos solúvel NaHCO 3 5. Produção do Na 2 CO 3 por calcinação 2NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 6. Recuperação da amônia 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 2NH 3 + CaCl 2 + 2H 2 O Química Nova 1998, v. 21 (1), p

36 cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími - Avaliação do equilíbrio heterogêneo: H 2 O CaCO 3 (s) Ca CO CO K= [Ca2+ 2- ].[CO 3 ] K. [CaCO 3 ] = [Ca 2+ 2 ].[CO 3 ] [CaCO 3 ] Kps = [Ca ]. [CO 3 ]

37 Para converter solubilidade em K ps cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími a solubilidade precisa ser convertida em solubilidade molar (através da massa molar); a solubilidade é convertida na concentração em quantidade de matéria de íons no equilíbrio (cálculo do equilíbrio), K ps é o produto da concentração de íons no equilíbrio.

38 Concentração necessária para ocorrer precipitação atingir o Kps cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími O conhecimento dos valores de Kps e das concentrações em solução permite controlar a precipitação de espécies de interesse: Se o produto iônico, Q, > K ps, a solução é supersaturada Se o produto iônico, Q, = K ps, a solução é dita saturada Se o produto iônico, Q, < K ps, a solução é insaturada e não há formação de precipitado

41 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Considere PbI 2 dissolvido em água PbI 2 (s) Pb 2 + (aq) + 2 I - (aq) Calcule K = - 3 ps se a solubilidade 1.30 x 10 M Resposta: Solubilidade = [Pb 2+ ] = 1.30 x 10-3 M [I - ] =? [I - ] = 2 x [Pb 2+ ] = 2.60 x 10-3 M

42 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Considere PbI 2 dissolvido em água PbI 2 (s) Pb 2 + (aq) + 2I - (aq) Calcule K = - 3 ps se a solubilidade 1.30 x 10 M Resposta: K ps ps = [Pb 2 + ] [I - ] 2 = [Pb 2 + ] {2 [Pb 2 + ]} 2 K ps = 4 [Pb 2 + ps ] 3 = 4 (solubilidade ) solubilidade) 3 K ps = 4 (1.30 x 10 3 ) 3 = 8.8 x 10

43 Hg 2 Cl 2 (s) Hg 2+ 2 (aq) + 2 Cl - (aq) cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími K 1 ps = 1.1 x = [Hg 2+ 2 ] [Cl - ] 2 Se [Hg 2+ = M, qual a [Cl - 2 ] ] necessária para iniciar a precipitação do Hg 2 Cl 2?

44 Hg 2 Cl 2 (s) Hg 2+ 2 (aq) + 2 Cl - (aq) cas BC0307 Transfo ormaçõe es Quími K ps = 1.1 x 10 = [Hg 2+ 2 ] [Cl ] 2 Reconheça que: Deve ser maior que Se [Hg 2+ 2 ] = M, qual [Cl - ] é necessária BCl2? para iniciar a precipitação p do Hg 2 2

45 Hg 2 Cl 2 (s) Hg (aq) + 2 Cl (aq aq) BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas K ps ps = 1.1 x = [Hg 2+ 2 ] [Cl - ] 2 Resposta Quanto tem-se de [Cl - ] quando [Cl ] = quando [Hg [Hg 2+ 2 K sp = 1.1 x 10-8 M 2+ ] = M, Se essa concentração de Cl - for ultrapassada, Hg 2 Cl 2 começa a precipitar.

46 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Ag + Pb 2+ AgCl Cl - PbCl 2 Como fazer para precipitar apenas o AgCl? Solução: manter a [Cl - ] em um valor suficiente para atingir o Kps do AgCl (1,7 x ), mas insuficiente i para o Kps do PbCl 2 (1,6 x 10-5 ).

47 Por exemplo: se [Ag + ] = [Pb 2+ ] = 0,01 M, temos: AgCl Ag + + Cl - BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas [ Cl ] 10 Kps 17, x10 1, 7x 10 8 [ Ag ] 001, PbCl 2 Pb Cl - 5 Kps 16, x10 [ Cl ] 2 [ Pb ] 001, 1,7x10-8 < [Cl - ] < 0,04 M 004, M

48 BC0307 Transfo ormaçõe es Químicas Ag(CH 3 CO 2 )(s) Ag + (aq) + CH 3 CO 2- (aq) O que acontece com o aquilíbrio i aoadicionar i AgNO 3? Forma se Ag(CH 3 CO 2 )(s) e ocorre a precipitação!

49 Exemplo: Qual a solubilidade molar do PbI 2 em NaI 0.10 M? BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Primeiro vamos analisar a solubilidade do PbI 2 em água pura: PbI 2 (s) Pb 2+ (aq) + 2I - (aq) K ps = 8, K ps = [Pb 2+ ][I - ] 2 8, = y(2y) 2 8, = 4y 3 8, /4 = y 3 y = 1,30 x10-3 mol/l Análise: NaI é solúvel em água e fornece o íon comum (I - ).

50 Análise: NaI é solúvel em água e fornece o íon comum (I - ). PbI 2 (s) Pb 2+ (aq) + 2I - (aq) K ps = [Pb 2+ ][I - ] 2 BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas Inicial 0 0,10 Variação +x +2x Equilíbrio +x +2x x+0 0,10 [ I ] 0,10 2 x K ps Portanto x(0,10) ( x 0,10 2 ou 0,10 x portanto a então 7, M consideração inicial Solubilidade em água pura = y = 1, M é válida) Solubilidade d em presença de I - adicionado i d = x = 79 7, M Princípio de Le Chatelier é obedecido!

51 Onde estudar? 1) ATKINS, P., JONES, L., Princípios de Química - Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 3 ed., Porto Alegre: Bookman, ) KOTZ, J. C., TREICHEL Jr., P., Química Geral e Reações Químicas, Vol. 1 e 2, 1 ed., São Paulo: Thomson Pioneira, BC0307 Transfo ormaçõe es Quími cas 3) BRADY, J., HOLUM, J.R., RUSSELL, J. W., Química - a Matéria e Suas Transformações, V. 2, 3 ed., Rio de Janeiro: LTC, ) BROWN, T.L., Le MAY Jr., H.E.; BURSTEN, B.E., Química - a Ciência Central, 9 ed., São Paulo: Pearson, ) BROWN, L. S., HOLME T.A., Química Geral Aplicada à Engenharia, São Paulo: Cengage, ) HOLUM, J.R., RUSSELL, J. W., BRADY, J., Química - a Matéria e Suas Transformações, V. 1, 3 ed., Rio de Janeiro: LTC, ) MAHAN, B.M., MYERS, R.J., Química um Curso Universitário, 4 ed., São Paulo: Ed. Blücher, ) MASTERTON, W.L., Princípios de Química, 6 ed., Rio de Janeiro: LTC, Conceitos que devem ser estudados: Processo Haber Equilíbrio químico: Lei de Ação das Massas e constante de equilíbrio, Fatores que afetam o equilíbrio químico, Princípio de Le Châtelier, Kp e Kc, Produto de solubilidade