Equilíbrio Químico 01/02/2013

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1 01/02/2013 EQUILÍBRIO QUÍMICO Plano de Aula Objetivos Compreender a natureza e as características dos equilíbrios químicos; Compreender o significado da constante de equilíbrio, K; Compreender a utilização da constante de equilíbrio, K, em estudos quantitativos de equilíbrios químicos; 1

2 01/02/2013 Plano de Aula Bibliografia ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente Editora Bookman, Porto Alegre-RS, 965 pag. SOUZA, E de. Fundamentos de Termodinâmica e Cinética Química Editora UFMG, Belo Horizonte-MG, 341 pag. BRADY, J.E.; SENESE, F. Química a Matéria e suas Transformações Editora LTC, Rio de Janeiro-RJ, v.2, 455 pag. MASTERTON, W.L.; SLOWINSKI, E.J.; STANITSKI, C.L. Princípios de Química Editora LTC, Rio de Janeiro-RJ, 681 pag. KOTZ, J.C.; TREICHEL, P.M.; WEAVER, G.C. Química Geral e Reações Químicas Editora CENCAGE Learning, São Paulo SP, v.2, 1018 pag. Estalactites e estalagmites v1 = v2 E EQUILÍBRIO QUÍMICO 2

3 01/02/2013 Estalactites em laboratório: Ł TODAS AS REAÇÕES QUÍMICAS SÃO REVERSÍVEIS Estalactites em laboratório: Ł TODAS AS REAÇÕES QUÍMICAS SÃO REVERSÍVEIS 3

4 01/02/2013 Ionização do Ácido Acético Ł 1 mol CH 3 CO 2 H (1 mol/l) 0,0042 M CH 3 CO 2- e o,0042 M de H 3 O + O quociente de reação e a constante de equilíbrio Constante de Equilíbrio, K H 2 (g) + I 2 (g) D 2 HI (g) [HI] 2 [H 2 ][I 2 ] = K Calcular!!! Variação na concetração = Conc. em equilíbrio Conc. inicial 4

5 01/02/2013 Constante de Equilíbrio Coeficiente estequiométrico Ł o valor da constante K depende da reação e da temperatura Ł K não tem unidade Ł O valor da constante indica se a reação é produto-favorecida ou reagente-favorecida e Reações que envolvem sólidos S (s) + O 2 (g) D SO 2 (g) [SO 2 ] [O 2 ] = K Ł as concentrações de quaisquer reagente ou produto sólidos não são incluídas na expressão da constante de equilíbrio Constante de Equilíbrio e Reações em solução aquosa NH 3 (aq) + H 2 O (l) D NH 4+ (aq) + OH - (aq) [NH 4+ ][OH - ] [NH 3 ] = K Ł a concentração molar da água não é incluída na expressão da constante de equilíbrio e Reações que envolvem gases: K c e K p H 2 (g) + I 2 (g) D 2 HI (g) P HI 2 (P H 2 )(P I 2 ) = K p Ł K c = concentrações em mol/l Ł K p = valores em unidade de pressão LER Um exame mais detalhado Página 671 5

6 01/02/2013 Exercícios 1- Escreva as expressões das constantes de equilíbrio para cada uma das seguintes reações em termos das concentrações: PCl 5 (g) D PCl 3 (g) + Cl 2 (g) CO 2 (g) + C (s) D 2 CO (g) Cu(NH 3 ) 4 2+ (aq) D Cu 2+ (aq) + 4 NH 3 (aq) CH 3 CO 2 H (aq) + H 2 O (l) D CH 3 CO 2- (aq) + H 3 O + (aq) N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (l) D HCO 3- (aq) + H 3 O + (aq) O Significado da Constante de Equilíbrio K >> 1 a reação é produto-favorecida 6

7 01/02/2013 O Significado da Constante de Equilíbrio NO (g) + O 3 (g) D NO 2 (g) + O 2 (g) [NO 2 ][O 2 ] [NO][O 3 ] = K = 6 x 1034 a 25 C No equilíbrio [NO 2 ][O 2 ] >> [NO][O 3 ] O Significado da Constante de Equilíbrio 3/2 O 2 (g) D O 3 (g) [O 3 ] = K = 2,5 x a 25 C [O 2 ] 3/2 K << 1 a reação é reagente-favorecida No equilíbrio [O 2 ] 3/2 >> [O 3 ] 7

8 01/02/2013 Exercícios 1- As seguintes reações são regante-favorecidas ou produtofavorecidas? Cu(NH 3 ) 4 2+ (aq) D Cu 2+ (aq) + 4 NH 3 (aq) K = 1,5 x Cd(NH 3 ) 4 2+ (aq) D Cd 2+ (aq) + 4 NH 3 (aq) K = 1,0 x 10-7 Se cada reação apresentar uma concentração de reagentes de 0,10 M, em qual solução a concentração de NH 3 aumentará? O Quociente da Reação, Q aa + bb D cc + dd [C] c [D] d = Q E Quando não estão em equilíbrio [A] a [B] b Magnitude Relativa Q < K Q = K Q > K Direção da Reação Reagentes Produtos Reação em Equilíbrio Produtos Reagentes 8

9 01/02/2013 O Quociente da Reação, Q Se butano é igual a 1,0 mol/l, a concentração no equilíbrio de isobutano é?? [isobutano] = 2,5 x 1,0 mol/l [isobutano] = 2,5 mol/l Q < K e Não está no equilíbrio Reagentes Produtos Se butano é igual a 3,0 mol/l e isobutano é igual a 4,0 mol/l e a reção não está no equilíbrio, qual o valor de Q?? Q = 4,0/3,0 Q = 1,3 O Quoeciente da Reação, Q Butano D isobutano Q > K e Não está no equilíbrio Produtos reagentes Equilíbrio Equilíbrio 9

10 01/02/2013 Exercícios 1- Responda as seguintes questões em relação ao equilíbrio butano D isobutano (K = 2,5 a 298 K) a) O sistema está em equilíbrio quando [butano] = 0,97 M e [isobutano] = 2,18 M? Se não estiver em equilíbrio, em que direção a reação prossegue para atingir o equilíbrio? b) O sistema está em equilíbrio quando [butano] = 0,75 M e [isobutano] = 2,60 M? Se não estiver em equilíbrio, em que direção a reação prossegue para atingir o equilíbrio? Exercícios 2- A K, a constante de equilíbrio, K, para a formação de NO (g): N 2 (g) + O 2 (g) D 2 NO (g) é 4,0 x Você tem um frasco em que, a K, a concentração de N 2 é 0,50 mol/l, a de O 2 é 0,25 mol/l e a de NO é de 4,2 x 10-3 mol/l. O sistema está em equilíbrio? Se não estiver, em que direção a reação prosseguirá para atingir o equilíbrio? 10

11 01/02/2013 Exercícios 3- Uma solução aquosa de etanol e ácido acético, cada um com uma concentração inicial de 0,810 M, é aquecida a 100 C. Em equilíbrio, a concentração de ácido acético é de 0,748 M. Calcule K para a reação. C 2 H 5 OH (aq) + CH 3 CO 2 H (aq) D CH 3 CO 2 C 2 H 5 (aq) + H 2 O (l) Calculando Concentrações em Equilíbrio usando Constantes de Equilíbrio EXEMPLO H 2 (g) + I 2 (g) D 2 HI (g) K = 55,64 Se 1,00 mol de H 2 e 1,00 mol de I 2 são colocados em um frasco de 0,500 L a 425 C, quais são as concentrações de H 2, I 2 e HI quando o equilíbrio é alcançado? [HI] 2 [H 2 ][I 2 ] = K (2x) 2 (2,0-x)(2,0-x) = 55,64 (2x) 2 (2,0-x) 2 = 55,64 = 7,459 = 2x/(2,0-x) x = 1,58 11

12 01/02/2013 Exercícios 1- Em determinada temperatura, K = 33 para a reação H 2 (g) + I 2 (g) D 2 HI (g) Considere que as concentrações iniciais de H 2 e I 2 sejam ambas de 6,00 x 10-3 mol/l. Determine a concentração de cada reagente e cada produto no equilíbrio. Calculando Concentrações em que a solução é uma expressão quadrática EXEMPLO PCl 5 (g) D PCl 3 (g) + Cl 2 (g) K = 1,20 Se a concentração inicial de PCl 5 é 1,60 M, quais serão as concentrações de equilíbrio do reagente e dos produtos? [PCl 3 ][Cl 2 ] [PCl 5 ] = K (x)(x) (1,6-x) = 1,2 x2 + 1,2x 1,92 = 0 x = 0,91 e -2,11 [PCl 3 ] = [Cl 2 ] = 0,91 mol/l [PCl 5 ] = 1,60 0,91 = 0,69 mol/l 12

13 01/02/2013 Calculando Concentrações em que a solução é uma expressão quadrática EXEMPLO Muitos casos, aproximação realista I 2 (g) D 2 I (g) K = 5,60 x K = [I] 2 [I 2 ] Assumindo que a concentração inicial de I 2 temos: Reação I 2 (g) 2 I (g) Inicial 0,45 0 Variação -x 2x Equilíbrio 0,45-x 2x (2x) 2 = 5,6 x (0,45-x) (2x) 2 0,45 = 5,6 x x = 7,9 x 10-7 mol/l 0,45-x 0,45 é 0,45 M Calculando Concentrações em que a solução é uma expressão quadrática Muitos casos, aproximação realista A D B + C [B][C] [A] = K = (x)(x) [A] 0 - x Se 100 x K < [A] 0 adota-se que [A] 0 x [A] 0 Quando K 1 esta aproximação não pode ser feita 13

14 01/02/2013 Exercícios 1- A reação N 2 (g) + O 2 (g) D 2 NO (g) Contribui para a poluição do ar sempre que um combustível é queimado com ar em temperaturas elevadas, como um motor a gasolina. A K, K = 1,0 x10-5. Suponha que uma amostra de ar tenha [N 2 ] = 0,80 mol/l e [O 2 ] = 0,20 mol/l antes que ocorra qualquer reação. Calcule as concentrações de equilíbrio de reagentes e produtos após a mistura ter sido aquecida a K. Equações Balanceadas e Constantes de Equilíbrio Equação 1: N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) K 1 = 3,5 x 10 8 Equação 2: ½ N 2 (g) + 3/2 H 2 (g) D NH 3 (g) K 2 =??? [NH 3 ] 2 [N 2 ][H 2 ] 3 = K 1 [NH 3 ] [N 2 ] 1/2 [H 2 ] 3/2 = K 2 K 2 = 14

15 01/02/2013 Equações Balanceadas e Constantes de Equilíbrio Equação 1: N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) K 1 = 3,5 x 10 8 Equação 3: 2 NH 3 (g) D N 2 (g) + 3 H 2 (g) K 3 =??? [NH 3 ] 2 [N 2 ][H 2 ] 3 = K 1 [N 2 ][H 2 ] 3 [NH 3 ] 2 = K 3 K 3 = 1/K 1 Equações Balanceadas [ Processo Global Equação 1: AgCl (s) D Ag + (aq) + Cl - (aq) K 1 = 1,8 x Equação 2: Ag + (aq) + 2 NH 3 (aq) D Ag(NH 3 ) 2+ (aq) K 1 = 1,6 x 10 7 Equação global: AgCl (s) + 2 NH 3 (aq) D Ag(NH 3 ) 2+ (aq) + Cl - (aq) Equação global: K global = K 1 x K 2 15

16 01/02/2013 Perturbando um Variando a temperatura; Variando a concentração de um reagente ou produto; Variando o volume. Princípio de Le Chatelier diz que a posição de um equilíbrio químico sempre é deslocada no sentido que alivia ou minimiza a perturbação que é aplicada a um sistema. Q K Q = K Perturbando um Efeito da temperatura sobre a composição no equilíbrio Mudança na entalpia ( H): quantidade de calor absorvido ou liberado durante a ocorrência de uma reação química. S Processos endotérmicos: absorvem calor ( H > 0 e produtos menos estáveis que reagentes). N 2 (g) + O 2 (g) D 2 NO (g) H o reação = + 180,6 kj Constante de Equilíbrio, K Temperatura 4,5 x K 6,7 x K 1,7 x K [NO] k com a Temperatura 16

17 01/02/2013 Perturbando um Efeito da temperatura sobre a composição no equilíbrio S Processos exotérmicos: liberam calor ( H < 0 e produtos mais estáveis que reagentes). Constante de Equilíbrio, K Temperatura 2 NO 2 (g) D N 2 O 4 (g) K K H o reação = - 57,1 kj [NO 2 ] k com a Temperatura [N 2 O 4 ] m com a Temperatura Perturbando um Efeito da temperatura sobre a composição no equilíbrio Reações que envolvem sólidos, líquidos ou gases Perturbação ktemperatura mtemperatura Adição reagente Adição de produto Variação a medida que a mistura retorna ao Equilíbrio Energia térmica é consumida pelo sistema Energia térmica é gerada pelo sistema Parte do reagente adicionado é consumido Parte do produto adicionado é consumido Efeito sobre o Equilíbrio Deslocamento na direção endotérmica Deslocamento na direção exotérmica Aumenta a concentração de produto Aumenta a concentração de reagente Efeito sobre K Varia Varia Não varia Não varia 17

18 01/02/2013 Perturbando um Efeito da temperatura sobre a composição no equilíbrio Reações que envolvem gases Perturbação m volume k pressão k volume m pressão Variação a medida que a mistura retorna ao Equilíbrio Diminuição da pressão Aumento da pressão Efeito sobre o Equilíbrio Variação da composição para diminuir o número total de moléculas Variação da composição para aumentar o número total de moléculas Efeito sobre K Não varia Não varia Perturbando um Efeito da temperatura sobre a composição no equilíbrio Elemento em seu estado padrão H = 0 H 0 = H f0 (produtos) - H f0 (reagentes) Se a temperatura do sistema é aumentada, isto é, se calor é fornecido ao sistema, a posição do equilíbrio mudará em tal direção que consumirá pelo menos parte desta energia térmica extra. S Princípio de Le Chatelier: um aumento na temperatura favorece uma reação endotérmica, sobre um processo exotérmico. A + B D C + D + calor exotérmica T K T K T K T K endotérmica 18

19 01/02/2013 Exercícios 1- Considere o efeito da variação de temperatura nos seguintes equilíbrios: a) A concentração de NOCl aumenta ou diminui no equilíbrio à medida que a temperatura do sistema aumenta? 2 NOCl (g) D 2 NO (g) + Cl 2 (g) H o reação = + 77,1 kj b) A concentração de SO 3 aumenta ou diminui quando a temperatura aumenta? 2 SO 2 (g) + O 2 (g) D 2 SO 3 (g) H o reação = kj Perturbando um Efeito da adição ou remoção de um reagente ou produto 19

20 01/02/2013 Perturbando um Efeito da adição ou remoção de um reagente ou produto Ag(NH 3 ) 2 + D Ag NH 3 Se [Ag + ] a reação tende a se processar da esquerda para a direita. [Ag + ] a reação tende a se processar da direita para a esquerda. Exercícios 1- Considere que o equilíbrio tenha se estabalecido em um frasco de 1,00 L com [butano] = 0,500 mol/l e [isobutano] = 1,25 mol/l. Butano D Isobutano K = 2,5 Em seguida, 1,50 mol/l de butano são adicionados. Quais são as concentrações de butano e isobutano quando o equilíbrio é reestabelecido? 20

21 01/02/2013 Exercícios 2- Existe equilíbrio entre butano e isobutano quando [butano] = 0,200 mol/l e [isobutano] = 0,500 mol/l. São acrescentados 2,00 mol/l de isobutano à mistura. Quais são as concentrações de butano e isobutano após o restabelecimento do equilíbrio? Perturbando um Efeito de variações de volume em fase gasosa 2 NO 2 (g) D N 2 O 4 (g) Gás castanho Gás incolor [N 2 O 4 ] = 0,0280 mol/l e [NO 2 ] = 0,0128 mol/l [N 2 O 4 ] [NO 2 ] 2 = K = 170 Quando volume é reduzido a metade as concentrações dobram 2 NO 2 (g) D N 2 O 4 (g) diminuição no volume do recipiente Novo equilíbrio favorece o produto 21

22 01/02/2013 Perturbando um Efeito de variações de volume em fase gasosa 2 NO 2 (g) D N 2 O 4 (g) Gás castanho Gás incolor [N 2 O 4 ] [NO 2 ] 2 = K = 170 A [NO 2 ] diminui 2x mais rápido que o aumento da [N 2 O 4 ] m Vol. k Pressão " contrabalanceada para menor número de moléculas; k Vol. m Pressão " contrabalanceada para maior número de moléculas; H 2 (g) + I 2 (g) D 2 HI (g) alteração do volume não terá efeito Exercícios 1- A formação da amôniaa a partir de substâncias elementares é um processo industrial importante: 3 H 2 (g) + N 2 (g) D 2 NH 3 (g) a) Como varia a composição no equilíbrio quando se adiciona H 2 extra? E quando se adiciona NH 3 extra? b) Qual é o efeito no equilíbrio quando se aumenta o volume no sistema? A composição no equilíbrio muda ou permanece igual? 22

23 01/02/2013 Fixando aa + bb D cc + dd [C] c [D] d = Q E Quando não estão em equilíbrio [A] a [B] b Ł Q < K Ł Reagentes Produtos Ł Q = K Ł Reação em Equilíbrio Ł Q > K Ł Produtos Reagentes A D B + C [B][C] [A] = K = (x)(x) [A] 0 - x Se 100 x K < [A] 0 adota-se que [A] 0 x [A] 0 Fixando Equação global: K global = K 1 x K 2 x... Princípio de Le Chatelier diz que a posição de um equilíbrio químico sempre é deslocada no sentido que alivia ou minimiza a perturbação que é aplicada a um sistema. Perturbando um Variando a temperatura; Variando a concentração de um reagente ou produto; Variando o volume. 23

24 01/02/2013 Fixando Efeito da temperatura sobre a composição no equilíbrio A + B D C + D + calor exotérmica T K T K T K T K endotérmica Efeito da adição ou remoção de um reagente ou produto Se [C] a reação tende a se processar da esquerda para a direita. [C] a reação tende a se processar da direita para a esquerda. Fixando Efeito de variações de volume em fase gasosa m Vol. k Pressão " contrabalanceada para menor número de moléculas; k Vol. m Pressão " contrabalanceada para maior número de moléculas; 24