Equilíbrio Químico. Equilíbrio. Sistema em equilíbrio. Equilíbrio físico Dinâmico. H 2 O (l) H 2 O (g)

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1 Química 3 ano Equilíbrio Parte I Décio Helena Fev/8 Parte I Equilíbrio Sistema em equilíbrio Equilíbrio físico Dinâmico H O (g) H O (l) No equilíbrio físico a água líquida evapora na mesma velocidade que a água vapor condensa. 1

2 Conceito de reações reversíveis Experimento I tempo ( C) início CO (g) + NO (g) fim situação final Conceito de reações reversíveis Experimento II tempo ( C) início CO (g) + NO (g) fim situação final Conceito de reações reversíveis Experiência I ( C) instável CO (g) + NO (g) Experiência II CO (g) + NO (g) instável CO (g) + NO (g) CO (g) + NO (g)

3 Conceito de reações reversíveis instável ( C) instável 1 CO (g) + NO (g) instável 1 CO (g) + NO (g) instável Reação reversível é aquela que se processa nos dois sentidos. É a reação na qual os reagentes se transformam nos produtos, e estes, à medida que se formam, regeneram os reagentes iniciais. Conceito de reações reversíveis Outros exemplos: NO (g) N O 4(g) (5 C) (castanho) H (g) + I (g) HI (g) (4 C) N (g) (violeta) + 3H (g) NH 3(g) (5 C) SO (g) + O (g) SO 3(g) (7 C) Curiosidade Conceito de reações reversíveis Como Napoleão Bonaparte ajudou a descobrir as reações reversíveis? Nós podemos agradecer a Napoleão por trazer o conceito de reversibilidade de reação para a Química. Napoleão recrutou o químico francês, J. Berthellot, para acompanhá-lo como consultor científico na sua expedição ao Egito em Uma vez no Egito, Berthellot percebeu depósitos de carbonato de sódio nas bordas de alguns lagos de água salgada que lá se encontravam. Ele já conhecia a reação: Na CO 3 + CaCl CaCO 3 + NaCl E o processo de produção já era conhecido e realizado em laboratório. Ele imediatamente percebeu que o Na CO 3 devia ter sido formado pelo processo inverso, ocasionado pela alta concentração de sal na lenta evaporação da água. Isso levou Berthellot a questionar a opinião daquela época, de que a reação poderia acontecer numa única direção. Seu trabalho, Essai de statique chimique (183), mostrou suas especulações sobre afinidade química e sobre excesso de produtos que numa reação poderiam direcioná-la no sentido inverso. 3

4 Tempo de reação (min) CO (g) + NO (g) CO (g) + NO (g) (6 C) 1, 1, A reação vai começar 1,5,5,5,5,3,3,68,68 A reação está caminhando 3,4,4,76,76 4,8,8 5 6,8,8,8,8 A reação chegou ao equilíbrio Tempo de reação (min) CO (g) + NO (g) CO (g) + NO (g) (6 C) ,1,1,1,8,8,1,79, 79,8,8,1,79,79,8,8,1,79,79 A reação chegou ao equilíbrio 6,8,8 Colocando num gráfico, os valores das concentrações dos reagentes da tabela anterior em função do tempo, teremos: Concentração (mol/l) 1,,8,6,4 Reagentes da reação Tempo (min) 4

5 Colocando num gráfico, os valores das concentrações dos produtos da tabela anterior em função do tempo, teremos: Concentração (mol/l),8 Produtos da reação,6, Tempo (min) Colocando num mesmo gráfico, os valores das concentrações dos produtos e reagentes da tabela anterior em função do tempo, teremos: Concentração (mol/l) 1,,8 Produtos da reação,6,4 Equilíbrio estado inicial reação caminhando estado de equilíbrio Reagentes da reação Tempo (min) Colocando num mesmo gráfico, os valores das concentrações dos produtos e reagentes da tabela anterior em função do tempo, teremos: Concentração (mol/l) 1,,8 Produtos (CO e NO),6,4 Reagentes (CO e NO ) Equilíbrio estado inicial reação caminhando 4 estado de equilíbrio Tempo (min) 5

6 Generalizando: Fazendo o cálculo da variação da concentração por intervalo de tempo do reagente: 1,,8 Concentração (mol/l) Reagente da reação (CO e NO ) [ ] 1, -,5,5mol/L t 1 1min v 1,5/1,5 mol.l -1.min -1,6 1 Tempo (min) Fazendo o cálculo da variação da concentração por intervalo de tempo do reagente: Concentração (mol/l) Reagente da reação (CO e NO ) 1,,8 [ ],5,3,18mol/L t 1 1min v,18/1,18 mol.l -1.min -1,6,4 1 Tempo (min) 6

7 O que acontece com as velocidades das reações direta e inversa no equilíbrio? velocidade v 1 reação direta V 1 V v reação inversa t Tempo (min) Equilíbrio químico é o estado, também chamado de estacionário, no qual as velocidades das reações direta e inversa se igualam. Continua, portanto, havendo reação, tanto direta e inversamente e conseqüentemente o equilíbrio é um equilíbrio dinâmico. Vale a pena lembrar que o equilíbrio químico só pode ser atingido em sistemas fechados (onde não há troca de matéria e energia). Resumindo: 7

8 Equilíbrios homogêneo e heterogêneo Equilíbrios homogêneos são os que ocorrem em reações nas quais todos os reagentes e produtos formam um sistema homogêneo. Exemplos Sistemas gasosos: H (g) + I (g) HI (g) Soluções: CH 3 COOH (aq) + C H 5 OH (aq) CH 3 COOC H 5(aq) + H O (l) Equilíbrios homogêneo e heterogêneo Equilíbrios heterogêneos são os que ocorrem em reações nas quais os reagentes e produtos formam um sistema heterogêneo. Exemplos Substâncias sólidas e gasosas: C (s) + O (g) CO (g) Solução saturada e o precipitado correspondente: BaSO 4(s) Ba + (aq) + SO 4 - (aq) Grau de equilíbrio É o quociente entre a quantidade de um reagente (em mols) que realmente reagiu, até o equilíbrio, e a quantidade inicial (em mols) desse reagente. α Quantidade de mols que reagiu Quantidade inicial de mols <α < 1 e < α % < 1 α 1 (ou 1%) rendimento da reação é grande α Próximo de - rendimento da reação é pequeno - 8

9 Grau de equilíbrio Tempo de reação (min) CO (g) + NO (g) CO (g) + NO (g) (6 C) início 1, 1, final,8,8 Quantidade de mols que reagiu α Quantidade inicial de mols ou 1,6,,8 α % 8%,8 ou,8 1 Constante de equilíbrio Na reação, em sistema fechado e à 6 C, temos : CO (g) + NO (g) CO (g) + NO (g) velocidade da reação direta: velocidade da reação inversa: V 1 k 1 [CO] [NO ] V k [CO ] [NO] no equilíbrio as velocidades da reação direta e inversa são iguais: V 1 V k 1 [CO] [NO ] k [CO ] [NO] ou k 1 k [CO ] [NO] [CO] [NO ] Constante de equilíbrio k 1 [CO ] [NO] k [CO] [NO ] k 1 k [CO ] [NO] K c [CO] [NO ] K c é chamado de constante de equilíbrio em termos de concentrações em mol/l 9

10 Constante de equilíbrio O valor numérico da constante de equilíbrio não depende das unidades utilizadas na expressão. Utilizando concentração em mol/l, podemos colocar o índice c na constante de equilíbrio. K c, indicando então que estão sendo utilizadas concentrações (mol/l). Pode haver uma infinidade de estados de equilíbrio diferentes, mas o valor numérico de K c permanece constante enquanto a temperatura se mantiver inalterada. Genericamente podemos escrever: a A + b B x X + y Y (sistema fechado à temperatura constante) K c [X] x [Y] y [A] a [B] b Constante de equilíbrio Expressão da lei da ação das massas (Q) Tempo de reação (min) CO (g) + NO (g) CO (g) + NO (g) (6 C) Q [CO ] [NO] [CO] [NO ] 1, 1, 1,5,5,5,5 1,,3,3,68,68 4,5 Q < K 3,4,4,76,76 1,3 4,8,8 16, 5,8,8 16, 6,8,8 16, Constante de equilíbrio CO (g) + NO (g) CO (g) + NO (g) (6 C) 1º experimento concentrações iniciais (mol/l) concentrações no equilíbrio(mol/l) 1, 1,,8,8 Q [CO ] [NO] [CO] [NO ],8.,8 Q. 16 º experimento concentrações iniciais (mol/l) concentrações no equilíbrio (mol/l), 1,53 1,,53,947 Q [CO ] [NO] [CO] [NO ],947.,947,947 Q 1,53.,

11 Constante de equilíbrio O valor de K é igual em todos os casos. Independentemente da maneira pela qual o equilíbrio foi estabelecido, o valor de K é uma constante do equilíbrio a 6 C. Essa constante é conhecida como constante de equilíbrio, K, para uma reação àquela temperatura. No equilíbrio: Q K Essa igualdade descreve a condição que é obedecida por um sistema em equilíbrio, por isso ela é a condição de equilíbrio. Constante de equilíbrio Se Q > K, indica que a proporção dos produtos em relação aos reagentes é muito grande, favorecendo assim a reação inversa. Se Q < K, indica que a proporção dos produtos em relação aos reagentes é muito pequena, favorecendo assim a reação direta. Q > Kc Q Kc Q < Kc A quantidade de produtos é As quantidades obedecem à A quantidade de reagentes maior que a desejada para o equilíbrio Lei da Ação das Massas é maior que a desejada para o equilíbrio O sistema ainda não atingiu o equilíbrio A reação inversa tem maior velocidade O sistema está em equilíbrio As reações direta e inversa possuem a mesma velocidade Ainda não há equilíbrio A reação direta tem maior velocidade Para o equilíbrio: Constante de equilíbrio para reações reversíveis A (g) + B (g) X (g) + Y (g) K [X] [Y] [A] [B] Então deve ser verdadeiro que: [A] [B] K [X] [Y] E ainda: K 1 K 11

12 Constante de equilíbrio Observações importantes: A variação de α é limitada: < α < 1 A variação de K c não tem limitações O valor de K c depende de como é escrita a equação química K c recebe nomes particulares, dependendo da reação considerada Para gases, muitas vezes a constante de equilíbrio é escrita em função de pressões parciais, normalmente em atmosferas. Utilizando pressões parciais, podemos colocar o índice p na constante de equilíbrio. K p, indicando então que estão sendo utilizadas pressões parciais (atm). Genericamente podemos escrever: a A (g) + b B (g) x X (g) + y Y (g) (sistema fechado à temperatura constante) K p p Xx.p y Y p Aa. p b B Onde p x, p y, p A, p B Pressão Parcial de um Gás Pressão Parcial de um Gás Contribuição de um gás em relação a pressão total. p A x A. p T Contribuição Relação entre o n de mols do gás e o n de mols total. Fração Molar (x) 1

13 Muitos carbonatos de metais, como o calcário, se decompõe pelo calor e formam o óxido metálico e o CO gasoso. CaCO 3(s) CaO (s) + CO (g) O equilíbrio desta reação pode ser expresso ou em termos de concentração (mol/l) do CO : Kc [CO ] ou em termos de pressão do CO : Kp pco Lei dos gases ideais n p. R. T Concentração em mol/l. R.T v Para esta reação, portanto, podemos escrever: Kp [CO ] RT e como Kc [CO ] Kp Kc. (R.T) Os valores de Kc e Kp não são iguais; o Kp da decomposição do CaCO 3(s) é igual ao produto entre Kc e o fator RT. A reação de formação da amônia: N (g) + 3 H (g) NH 3(g) Tem a constante de equilíbrio em termos das pressões parciais igual a: K p p atm p NH3 5 5,8.1 3 N. p H 5 o C A constante de equilíbrio Kc em termos das concentrações tem o mesmo valor que Kp ou valor diferente? Podemos chegar à resposta pela substituição de cada pressão parcial em Kp, pela expressão equivalente [mol/l] (RT), o que dá. 13

14 K {[ NH ].( RT. )} [ NH ] 3 3 p 3 {[ N].( RT. )}.{[ H ].( RT. )} [ N].[ H ].( RT. ) K ( RT ) c 5 Kc K p 5,8.1 (,8.98) K c 3,5.1 8 mol -.L K c K p K p K c.(rt) n n n o total de mols dos produtos gasosos n o total de mols dos reagentes gasosos CaCO 3(s) CaO (s) + CO (g) 1mol n 1 1 N (g) + 3 H (g) NH 3(g) 4 mols mols n 4 K c K p n zero n o total de mols dos produtos gasosos n o total de mols dos reagentes gasosos HI (g) H (g) + I (g) mols mols n 14

15 Equilíbrio Referências Metz, Clyde R. Metz, Físico-Química, Coleção Schaum, McGraw-Hill do Brasil Moore, Walter J., Físico-Química, EDUSP Russel, John B., Química geral, McGraw-Hill Ensino do Equilíbrio Dinâmico História do equilíbrio químico Livro online sobre Chemical Equilibrium Thinquest quil.htm 15

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