FCAV/ UNESP. Assunto: Equilíbrio Químico e Auto-ionização da Água. Docente: Prof a. Dr a. Luciana M. Saran

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1 FCAV/ UNESP Assunto: Equilíbrio Químico e Auto-ionização da Água Docente: Prof a. Dr a. Luciana M. Saran 1

2 1. Introdução Existem dois tipos de reações: a) aquelas em que, após determinado tempo, pelo menos um dos reagentes foi totalmente consumido; Ex.: Zn(s) + 2HCl(aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) b) aquelas que, após determinado tempo, apresentam quantidades de reagentes que não variam mais; 2

3 Ex.: H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) No caso da reação acima, após determinado tempo, atingi-se o Equilíbrio Químico, isto é: as quantidades de reagentes deixam de diminuir, permanecendo constantes; as quantidades de produtos deixam de aumentar, também permanecendo constantes. 3

4 2. A Constante de Equilíbrio As quantidades de reagentes e produtos existentes no equilíbrio, a uma dada temperatura, se relacionam através de uma grandeza denominada constante de equilíbrio, K. Para a equação simbólica a seguir: aa + bb K [C] [A] cc + dd c a [D] [B] d b 4

5 Para a reação a seguir, a 460 o C: H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) Inicialmente: 1,00 mol 1,00 mol No equilíbrio: 0,22 mol 0,22 mol 1,56 mols Supondo-se que o recipiente reacional tem um V = 10,0 L, as concentrações de equilíbrio são: [HI]eq = 0,156 mol/l; [H 2 ]eq = [I 2 ]eq = 0,022 mol/l 5

6 Para a reação de obtenção do HI a partir da reação do I 2 com H 2, a expressão da constante de equilíbrio é: K 2 [HI] [I ][H A 460 o C o valor de K para tal reação pode ser calculado: 2 2 ] K 2 (0,156mol / L) (0,022mol / L)(0,022mol / L) 50,3 6

7 Cada reação possui uma constante de equilíbrio característica, cujo valor depende da temperatura. O valor de K, depende dos coeficientes estequiométricos da equação química balanceada; por isso todo valor de constante de equilíbrio deve ser acompanhado da equação química a que se refere. Por exemplo, no caso da reação de obtenção do HI, K = 50,3, para a equação química balanceada escrita como: H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) 7

8 Se a equação anterior for multiplicada por 2, isto é: 2H 2 (g) + 2I 2 (g) 4HI(g) K = (50,3) 2 = 2,53x10 3 Se a equação for dividida por 2, isto é: (1/2)H 2 (g) + (1/2)I 2 (g) HI(g) K = (50,3) 1/2 = 7,09 8

9 2.1. Expressões da Constante de Equilíbrio para Reações que Envolvem Sólidos e Água Na expressão da constante de equilíbrio não devem ser incluídas substâncias no estado sólido ou líquido. Exemplos: a) C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) K [CO [O 2 2 ] ] 9

10 b) NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4+ (aq) + OH - (aq) K [NH ][OH [NH 2.2. Expressão da Constante de Equilíbrio É bastante comum que na expressão da constante de equilíbrio se exprimam as concentrações em mol/l e por isso o símbolo K recebe o índice c (de concentração) e torna-se K c ou simplesmente K. 4 3 ] ] 10

11 2.3. O Significado da Constante de Equilíbrio O valor da constante de equilíbrio mostra se a reação é favorável aos produtos ou aos reagentes. Quanto maior o valor da constante de equilíbrio, maior o rendimento da reação. K > 1: A reação é favorável aos produtos; as concentrações dos produtos no equilíbrio são maiores do que as dos reagentes. K < 1: A reação é favorável aos reagentes; as concentrações dos reagentes no equilíbrio são maiores do que as dos produtos. 11

12 Exemplos: NO(g) + O 3 (g) NO 2 (g) + O 2 (g) A 25 o C, K [NO ][O C 6x10 [NO][O 3 ] ] (3/2)O 2 (g) A 25 o C, O 3 (g) [O3 ] K C 2,5x10 3 / 2 [O ]

13 3. Perturbação do Equilíbrio Químico: Princípio de Le Chatelier Há três maneiras comuns de perturbar o equilíbrio de um sistema reacional: alteração da temperatura; alteração da concentração de reagente ou produto; alteração de volume. 13

14 Princípio de Le Chatelier: Quando qualquer um dos fatores que determinam as condições de equilíbrio de um sistema reacional sofre uma modificação, o sistema altera o seu estado de maneira a reduzir ou contrabalançar o efeito da modificação 14

15 Tabela 3.1: Efeito da adição de um reagente ou produto sobre o equilíbrio e sobre K. Perturbação Alteração quando o Sistema Reacional Retorna ao Equilíbrio Efeito sobre o Equilíbrio Efeito sobre K Adição de reagente Parte do reagente adicionado é consumida Deslocamento para a direita Não há alteração Adição de produto Parte do produto adicionado é consumido Deslocamento para a esquerda Não há alteração Fonte: Adaptado de KOTZ & TREICHEL, 2005 : p

16 Tabela 3.2: Efeito da modificação de temperatura sobre o equilíbrio e sobre K. Perturbação Alteração quando o Sistema Reacional Retorna ao Equilíbrio Efeito sobre o Equilíbrio Efeito sobre K Elevação de temperatura Há consumo de energia térmica Deslocamento no sentido endotérmico Há alteração Abaixamento de temperatura Há desprendimento de energia térmica Deslocamento no sentido exotérmico Há alteração Fonte: Adaptado de KOTZ & TREICHEL, 2005 : p

17 Tabela 3.3: Efeito da modificação de volume sobre o equilíbrio em fase gasosa. Perturbação Alteração quando o Sistema Reacional Retorna ao Equilíbrio Efeito sobre o Equilíbrio Efeito sobre K Redução do volume, aumento de pressão A pressão diminui Deslocamento no sentido do menor número de moléculas de gás Não há alteração Expansão do volume, diminuição de pressão A pressão aumenta Deslocamento no sentido do maior número de moléculas de gás Não há alteração Fonte: Adaptado de KOTZ & TREICHEL, 2005 : p

18 4. Água Fórmula molecular: H 2 O. Geometria: angular. (a) Fórmula estrutural (estrutura de Lewis). (b) Modelo de esferas e bastões. Fonte: BROWN et al., 2005 : p

19 4. Água Molécula de H 2 O: apresenta ligações H-O polares. A molécula de H 2 O é polar (µ = 1,85 D). Fonte: BETTELHEIM et al., 2012 : p

20 4. Água Entre as moléculas de H 2 O ocorre um tipo de interação denominada ligação de hidrogênio. Ligação de hidrogênio: força de atração, não covalente, entre a carga parcial positiva de um átomo de H ligado a um átomo de elevada eletronegatividade (geralmente O ou N) e carga parcial negativa de um oxigênio ou nitrogênio próximos. 20

21 4. Água H (a) (b) (c) Duas moléculas de água unidas por ligação de hidrogênio. (a) Fórmulas estruturais. (b) Modelos de esferas e bastões. (c) Mapas de densidade eletrônica. Fonte: BETTELHEIM et al., 2012 : p

22 4. Água Ligações de hidrogênio entre moléculas de água. 22

23 4. Água Ligações de hidrogênio não se restringem à água. Formam-se entre duas moléculas sempre que uma delas tem um átomo de hidrogênio ligado ao O ou N, e a outra, um átomo de O ou N com carga parcial negativa. Exemplo 1: Ligação de hidrogênio entre a molécula de um éter e da água. Fonte: BARBOSA, 2004 : p

24 Exemplo 2: Fonte: BARBOSA, 2004 : p

25 Exemplo 3: Ligações de hidrogênio entre moléculas de ácido carboxílico. Fonte: BARBOSA, 2004 : p

26 4. Água Excelente solvente (solvente universal). Capaz de dissolver diferentes compostos iônicos e moleculares. - Exemplo: dissolução do NaCl (sólido iônico) em H 2 O. Fonte: BETTELHEIM et al., 2012 : p

27 Interação Íon-Dipolo: Fonte: BARBOSA, 2004 : p

28 4. Água Etanol, glicose e ácido ascóbico ou vitamina C, são exemplos de compostos moleculares solúveis em água. Glicose Etanol Vitamina C Fonte: BROWN et al., 2005 : p

29 Exercício 1: determine se cada uma das seguintes substâncias apresenta maior probabilidade de se dissolver em tetracloreto de carbono (CCl 4 ) ou em água: (a) hexano, C 7 H 16 ; (b) sulfato de sódio, Na 2 SO 4 ; (c) cloreto de hidrogênio, HCl; (d) iodo, I 2. 29

30 Exercício 2: coloque as substâncias a seguir, em ordem crescente de solubilidade em água: (a) pentano, C 5 H 12 ; (b) pentan-1-ol, C 5 H 10 OH; (c) pentano-1,5-diol, C 5 H 10 (OH) 2 ; (d) 1-cloropentano, C 5 H 11 Cl. 30

31 Exercício 3: dada a seguir, a fórmula estrutural da vitamina A, explique por que essa vitamina é solúvel em solventes apolares e nos tecidos gordurosos (que são apolares) e insolúvel em água. Fonte: BROWN et al., 2005 : p

32 Exercício 4: dadas a seguir, as fórmulas estruturais dos álcoois butan-1-ol, pentan-1-ol e undecan-1-ol, coloque-os em ordem de solubilidade crescente: (a) em água; (b) hexano (C 6 H 14 ). Justifique sua resposta. Fonte: BARBOSA, 2004 : p

33 5. Auto-ionização da Água Água Pura: considerada, em geral, não condutora de eletricidade. Na realidade, já foi demonstrado por medidas precisas que a água apresenta uma condução pequena de eletricidade, que decorre da sua auto-ionização, isto é: H 2 O(l) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + OH - (aq) ou H 2 O(l) H + (aq) + OH - (aq) 33

34 5. Auto-ionização da Água A expressão que representa o equilíbrio de auto-ionização da água é a seguinte: K w = [H + ].[OH - ] ou K w = [H 3 O + ].[OH - ] K w : constante do produto iônico da água A 25ºC, o valor das concentrações dos íons é: [H 3 O + ] = [OH - ] = 1,0x10-7 mol/l e portanto, K w = (1,0x10-7 mol/l) x (1,0x10-7 mol/l) K w = 1,0x10-14 mol 2 /L 2 34

35 Condições para que uma solução seja considerada ácida, neutra ou alcalina (básica): se [H 3 O + ] = [OH - ] a solução é neutra; se [H 3 O + ] > [OH - ] a solução é ácida; se [H 3 O + ] < [OH - ] a solução é alcalina ou básica. A água pura é neutra, pois apresenta concentrações iguais de H 3 O + e OH -. Conforme já visto, a 25ºC, tais concentrações são iguais a 1,0x10-7 mol/l. A equação referente a ionização da água é importante porque se aplica não só à água pura, mas também a qualquer solução aquosa. 35

36 EXERCÍCIO 5: O corpo humano contém aproximadamente 70% de água em massa. Na temperatura normal do corpo humano, 37 C, a concentração do íon H + em água pura é 1,54x10-7 mol/l. Qual o valor de K w nesta temperatura? Resp.: 2,37x

37 EXERCÍCIO 6: A 50 C o produto iônico da água, K w, é 5,5x10-14 mol 2 /L 2. Calcule [H 3 O + ] e [OH - ] numa solução neutra a 50 C? Resp.: 2,35x10-7 mol/l 37

38 EXERCÍCIO 7: explique como é afetado o equilíbrio de auto-ionização da água, pela adição de HCl. Considere a adição de 0,010 mol de HCl a 1L de água pura e calcule a concentração molar de OH - na solução resultante. 38

39 EXERCÍCIO 8: explique como é afetado o equilíbrio de auto-ionização da água, pela adição de NaOH. Considere a adição de 0,010 mol de NaOH a 1L de água pura e calcule a concentração molar de H 3 O + na solução resultante. 39

40 6. Bibliografia Consultada BARBOSA, L. C. de A. Introdução à química orgânica. 1. ed. São Paulo: Prentice Hall, BETELLHEIM, F. A.; BROWN, W. H.; CAMPEBELL, M. K.; FARRELL, S. O. Introdução à química geral. 9. ed. São Paulo:Cengage Learning, BROWN, T. L.; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E.; BURDGE, J. R. Química a ciência central. 9. ed. São Paulo:Pearson Prentice Hall, KOTZ, J. C.; TREICHEL Jr., P. M. Química geral 2 e reações químicas. 5. ed. São Paulo:Pioneira Thomson Learning,