CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

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1 EQUILÍBRIO QUÍMICO

2 CONSTANTE DE EQUILÍBRIO A maneira de descrever a posição de equilíbrio de uma reação química é dar as concentrações de equilíbrio dos reagentes e produtos. A expressão da constante de equilíbrio, que é uma constante numérica, relaciona as concentrações entre reagentes e produtos no equilíbrio numa certa temperatura.

3 CONSTANTE DE EQUILÍBRIO H 2(g) + I 2(g) 2HI (g) Um grande número de experiências mostra que, no equilíbrio, a razão entre o quadrado da concentração de HI e o produto das concentrações de H 2 e I 2. [HI] 2 [H 2 ] [I 2 ]

4 CONCENTRAÇÕES INICIAIS E NO EQUILÍBRIO (moles/l) Equação H 2(g) + I 2(g) 2HI (g) Concentração inicial 0,0175 0, Variação de concentração no avanço da reação para o equilíbrio -0,0138-0, ,0276 Concentração no equilíbrio 0,0037 0,0037 0,0276

5 Substituindo esses valores das concentrações no equilíbrio na expressão mencionada anteriormente: [HI] 2 [H 2 ] [I 2 ] = (0,0276) 2 (0,0037) (0,0037) = 56

6 CONSTANTE DE EQUILÍBRIO Dada a equação simbólica: a A + b B c C + d D As concentrações de reagentes e produtos no equilíbrio são sempre relacionadas pela EXPRESSÃO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO Constante de equilíbrio = K = Concentração dos produtos [C] c [D] d [A] a [B] b Concentração dos reagentes

7 O SIGNIFICADO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO O valor da constante de equilíbrio mostra se a reação é favorável aos produtos ou aos reagentes. Pode ser usado para calcular a quantidade de produto presente no equilíbrio.

8 O SIGNIFICADO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO K >>1: A reação é favorável aos produtos; as concentrações dos produtos no equilíbrio são maiores do que as concentrações dos reagentes no equilíbrio. K <<1: A reação é favorável aos reagentes; as concentrações dos reagentes no equilíbrio são maiores do que as concentrações dos produtos no equilíbrio.

9 Reações que Envolvem Sólidos e Água 1/8 S 8(s) + O 2(g) SO 2(g) K = [SO 2 ] [S 8 ] 1/8 [O 2 ] [SO 2 ] Como o enxofre é um sólido molecular, e como a K = concentração das moléculas [O 2 ]

10 Reações que Envolvem Sólidos e Água NH 3(aq) + H 2 O (l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) K = [NH 4+ ] [OH - ] [NH 3 ]

11 EXERCÍCIO: Escreva as expressões da constante de equilíbrio para cada reação seguinte: a) PCl 5(g) PCl 3 (g) + Cl 2(g) b) Cu(OH) 2(s) Cu 2+ (aq) + 2OH - (aq) c) Cu(NH 3 ) 2+ 4 (aq) Cu 2+ (aq) + 4NH 3(aq) d) CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO -(aq) + H 3 O + (aq)

12 EXERCÍCIO: A mistura de nitrogênio, hidrogênio e amônia pode reagir até o equilíbrio. Quando se escreve a equação com os coeficientes inteiros, como vem a seguir, o valor de K c é 3,5 x 10 8, a 25 o C. N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) K 1 =3,5x10 8 ½ N 2(g) + 3/2 H 2(g) NH 3(g) K 2 =? 2NH 3(g) N 2(g) + 3H 2(g) K 3 =? Qual o valor de K 2, a constante de equilíbrio da Equação 2? Qual o valor de K 3, a constante de equilíbrio da reação inversa da primeira equação, isto é, da decomposição da amônia?

13 QUOCIENTE REACIONAL Butano Isobutano K c = [Isobutano] [Butano] = 2,5 a 298 K Se a concentração de um dos componentes for conhecida, somente um certo valor da concentração do outro composto obedecerá à expressão da constante de equilíbrio.

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15 QUOCIENTE REACIONAL Qualquer ponto do plano da figura, sobre a reta de equilíbrio ou fora desta, define uma razão [isobutano]/[butano]. Essa razão recebe o nome de: QUOCIENTE REACIONAL, Q E é igual a constante de equilíbrio K c quando a reação está em equilíbrio.

16 QUOCIENTE REACIONAL [Isobutano] Q c = = 4,0 [Butano] 3,0 = 1,3 O ponto representativo destas condições está na região inferior da figura. As concentrações não são concentrações de equilíbrio, pois Q c < K c. Haverá transformação do butano em isobutano para o equilíbrio para o equilíbrio ser atingido.

17 QUOCIENTE REACIONAL Dada qualquer reação: a A + b B c C + d D O quociente reacional, Q, se define pela equação Quociente reacional = Q = [C] c [D] d [A] a [B] b

18 QUOCIENTE REACIONAL A expressão de Q é formalmente igual à constante de equilíbrio, mas Q é diferente de K, pois as concentrações que estão envolvidas não são necessariamente as concentrações de equilíbrio.

19 QUOCIENTE REACIONAL Se Q < K, o sistema não está em equilíbrio e parte dos reagentes são convertidos em produtos. Se Q > K, o sistema não está em equilíbrio e parte dos produtos é convertida em reagentes. Se Q = K, o sistema está em equilíbrio.

20 EXERCÍCIOS As moléculas dos gás castanho-avermelhado, dióxido de nitrogênio, NO 2, combinam-se para formar o gás incolor tetróxido de dinitrogênio, N 2 O 4. Para este sistema, K c = 170 a 298 K 2 NO 2(g) N 2 O 4(g) Suponhamos que a concentração do NO 2 seja 0,015 M e a do N 2 O 4 seja 0,025 M. O quociente reacional Q c é maior ou menor do que K c? Ou é igual? Se o sistema não estiver em equilíbrio, em que direção a reação avançará para atingi-lo?

21 CÁLCULO DA CONSTATE DE EQUILÍBRIO Exemplo 1: Uma mistura de SO 2, O 2 e SO 3 atinge o equilíbrio a 852 K. As concentrações, neste equilíbrio, são [SO 2 ] = 3,61 x 10-3 mol / L, [O 2 ] = 6,11 x 10-4 mol/l e [SO 3 ]= 1,01 x 10-2 mol/l. Calcular a constante de equilíbrio K c da reação. 2 SO 2(g) + O 2(g) 2SO 3(g)

22 Exemplo 2: Num balão de 1,00 L colocam-se, a 1000 K, 1,00 mol de SO 2 e 1,00 mol de O 2. Quando o equilíbrio é atingido, o frasco contém 0,925 mol de SO 3. Calcular K c, a 1000 K, para esta reação. 2 SO 2(g) + O 2(g) 2SO 3(g)

23 CÁLCULOS COM A CONSTATE DE EQUILÍBRIO Exemplo 1: A constante de equilíbrio K c da reação H 2(g) + I 2(g) 2HI (g) É igual a 55,64 a 425 o C. Se 1,00 mol de H 2 e 1,00 mol de I 2 forem colocados num balão de 0,500 L a 425 o C, quais as concentrações de H 2, I 2 e HI no equilíbrio?

24 CÁLCULOS COM A CONSTATE DE EQUILÍBRIO A reação Exemplo 2: N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) Contribui para a poluição da atmosfera, sempre que se queimam um combustível em presença de ar, a temperatura elevada, como em um motor a gasolina. A K, K c = 1,0 x Uma amostra de ar é aquecida a K, num recipiente fechado. Antes da reação, [N 2 ] = 0,80 mol/l e [O 2 ] = 0,20 mol /L. Calcule a concentração de NO no equilíbrio.

25 PERTURBAÇÃO DE UM EQUILÍBRIO QUÍMICO: Há três maneiras comuns de perturbar o equilíbrio de um sistema reacional: 1) Alteração da temperatura. 2) Alteração da concentração de reagente ou de produto. 3) Alteração do volume.

26 EFEITO DA MODIFICAÇÃO DA TEMPERATURA SOBRE O EQUILÍBRIO É possível fazer uma previsão qualitativa sobre o efeito da modificação da temperatura sobre o equilíbrio de uma reação química desde que se saiba se a reação é exotérmica ou endotérmica.

27 N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) H o r = +180,5 kj Constante de Equilíbrio, K c Temperatura 4,5 x ,7 x K 900 K 1,7 x K As constantes de equilíbrio mostram que a concentração de NO aumenta e as concentrações de N 2 e de O 2 diminuem, no equilíbrio, quando a temperatura se eleva.

28 A variação de entalpia dessa reação é +180,5 kj e podemos considerar o calor como um reagente. O princípio de Le Chatelier nos diz que a injeção de energia (na forma térmica) provoca o deslocamento do equilíbrio no sentido de contrabalançar a injeção feita. A maneira de contrabalançar o excesso de energia é consumir parte do calor injetado através da reação entre o N 2 e o O 2 para dar maior quantidade de NO. A elevação da temperatura deve, então, ser acompanhada pelo aumento da produção de NO e do consumo de N 2 e de O 2. Como esses efeitos aumentam o numerador da expressão de K e diminuem o denominador, o valor de K deve aumentar.

29 2 NO 2(g) N 2 O 4(g) H o r = -57,2 kj Constante de Equilíbrio, K c Temperatura 273 K 298 K Neste caso, a reação é exotérmica, e podemos imaginar que o calor seja um produto da reação. Quando se abaixa a temperatura do sistema reacional, há a remoção de calor.

30 Conforme o princípio de Le Chatelier, esta remoção de calor será contrabalançada se o sistema desprender mais calor pela combinação do NO 2, formando maior quantidade de N 2 O 4. Então, a concentração do NO 2 diminui, a do N 2 O 4 aumenta e o valor de K fica maior quando a temperatura fica mais baixa.

31 ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA Provoca o deslocamento do equilíbrio no sentido que há absorção de energia térmica. DIMINUIÇÃO DA TEMPERATURA Provoca o deslocamento do equilíbrio no sentido que leva ao desprendimento de energia térmica.

32 EFEITO DA ADIÇÃO OU REMOÇÃO DE UM REAGENTE OU DE UM PRODUTO Se a concentração de um reagente ou produto for alterada em relação ao seu valor no equilíbrio, a uma temperatura constante, o sistema altera o equilíbrio para uma nova posição em o quociente reacional continua a ser igual a K.

33 Exemplo: Vamos trabalhar algebricamente o problema da perturbação do equilíbrio entre o butano e o isobutano. Imaginemos que há equilíbrio num balão de 1,00 L no qual [butano] = 0,500 mol/l e [isobutano] = 1,25 mol/l. Adiciona-se então, 1,50 mol/l de butano. Quais as novas concentrações do butano e de isobutano em equilíbrio?

34 EFEITO DA MODIFICAÇÃO DE VOLUME SOBRE O EQUILÍBRIO EM FASE GASOSA 2 NO 2(g) N 2 O 4(g) Gás castanhoavermelhado Gás incolor K c = [N 2 O 4 ] [NO 2 ] 2 = 170 a 298 K O que acontece a este equilíbrio se o volume do vaso que contém os gases for bruscamente reduzido à metade?

35 A concentração do gás aumenta quando o volume disponível diminui. Há a duplicação do volume dos dois gases. Isto significa que o sistema não está mais em equilíbrio. No equilíbrio [N 2 O 4 ] é 0,0280 mol/l e [NO 2 ] é 0,0128 mol/l. Quando dobrar: [N 2 O 4 ] é 0,0560 mol/l e [NO 2 ] é 0,0256 mol/l. O quociente reacional nestas circunstâncias passa a ser 85,5, um valor muito menor do que K.

36 Como Q é menor do que K, a quantidade de produto deve aumentar, á custa do reagente, e o equilíbrio se desloca favoravelmente no sentido da formação do N 2 O 4. 2 NO 2(g) N 2 O 4(g) Diminui o volume do vaso O equilíbrio desloca-se para a direita

37 Em qualquer reação que envolva gases: A redução do volume (aumento da pressão) é contrabalançada pelo deslocamento do equilíbrio para o lado da reação que tiver o menor número de moléculas de gases. Se o volume se expandir (a pressão diminui), o deslocamento será oposto: o equilíbrio se desloca para o lado da reação com maior número de moléculas de gases.