BC Transformações Químicas

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1 Transformações Químicas BC0307 Prof. Anderson O. Ribeiro BC 0307 Transformações Químicas ANDERSON ORZARI RIBEIRO Bloco B, 10º andar - Sala

2 Transformações Químicas BC0307 Prof. Anderson O. Ribeiro BC 0307 Transformações Químicas AULA 10 Equilíbrio Químico: Constante de equilíbrio de concentração CAPÍTULO 09 Peter Atkins, Loretta Jones, Princípios de Química - Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 3 ed., Porto Alegre: Bookman, EXERCÍCIOS: Lista 4, de 4.1 a 4.26

3 Átomos/Íons Molécula Aglomerados + Reação + Transf. Química O dobro de átomos

4 Se começarmos uma reação com os reagentes puros ou os produtos puros, a mistura sempre tenderá para uma composição entre os reagentes e produtos definida pela constante de equilíbrio (K). Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

5 N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) K p = (P NH3 ) 2 P N2. (P H2 ) 2 K = atividade dos produtos atividade dos reagentes ½ H 2(g) + ½ I 2(g) D HI (g) C (s) + ½ O 2(g) D CO (g) HCO 2 H (aq) + H 2 O (l) D HCO 2 - (aq) + H 3 O + (aq)

6 Energia livre molar ( G r ) da reação em determinado instante é a diferença entre a energia livre molar dos reagentes e produtos. N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) G r = G r o + R.T. ln (P NH3 ) 2 P N2. (P H2 ) 2 G r = G r o + (lnq) Q quociente de reação Q = atividade dos produtos atividade dos reagentes Q = (P NH3 ) 2 P N2. (P H2 ) 2

7 Em um sistema em equilíbrio, as velocidades das reações em ambas as direções são iguais, não promovendo nenhuma mudança líquida no sistema ( G r = 0) Em um sistema em equilíbrio, Q = K Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

8 Em um sistema em equilíbrio: Q = K e G r = 0 N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) G r = G o + R.T. ln (P NH3 ) 2 G r = G o r + R.T.lnQ 0 = G o r + R.T.lnK G o r = - R.T.lnK P N2. (P H2 ) 2 Se K>>>1, produto favorecida, G < 0 Se K<<<1, reagente favorecida, G > 0

9 Mais sobre equações químicas balanceadas e a constante de equilíbrio (K) - Em reações que envolvem sólidos ou líquidos puros (e solventes) C (s) + ½ O 2(g) D CO (g) ou K c = 4, a 25 o C HCO 2 H (aq) + H 2 O (l) D HCO 2 - (aq) + H 3 O + (aq) K c = 5, a 25 o C

10 Mais sobre equações químicas balanceadas e a constante de equilíbrio (K) - Em reações diretas e inversas - Em reações balanceadas com diferentes coeficientes

11 Mais sobre equações químicas balanceadas e a constante de equilíbrio (K) Em reações com mais de uma etapa C (s) + ½ O 2(g) D CO (g) CO (g) + ½ O 2(g) D CO 2(g) C (s) + O 2(g) D CO 2(g)

12 Relação entre K c e K p? K p = K c (RT) n n = (número total de mols de produtos gasosos) (número total de mols de reagentes gasosos) K p = 5,8.10 5, a 25 o C N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) K c = 3,5.10 8, a 25 o C K p = K c (RT) n 5, = K c (0, ,15) -2 K c = 3,5.10 8

13 Exercícios de aplicação 1) Considere que 1,0 mol de dióxido de enxofre e 1,0 mol de gás oxigênio sejam colocados em um frasco de 1 litro a 1000 K. Quando o equilíbrio é atingido, forma-se 0,925 mol de trióxido de enxofre. Calcule a constante de equilíbrio nesta temperatura. K c = 16,8 a 1000 K 2) Suponha que um tanque contenha inicialmente H 2 S com uma pressão de 10,00 atm, a 800 K. Quando a reação 2 H 2 S (g) D 2 H 2(g) + S 2(g) atinge o equilíbrio, a pressão do S 2 é 0,020 atm. Calcule a constante de equilíbrio desta reação. K p = 3,2.10-7, a 800 K

14 Exercícios de aplicação 3) A constante de equilíbrio K = 55,64 para a reação H 2(g) + I 2(g) D 2 HI (g) foi determinada a 425 o C. Se 1,00 mol de H 2 e 1,00 mol de I 2 são colocados em um frasco de 0,5 litros a 425 o C, quais são as concentrações de todas as espécies no equilíbrio? [H 2 ] = [I 2 ] = 0,42 mol.l -1 [HI] = 3,16 mol.l -1 4) Para a reação PCl 5(g) D PCl 3(g) + Cl 2(g) sabe-se que K = 1,20 a determinada temperatura. Se a concentração inicial de PCl 5 for 1,60 mol.l -1, quais serão as concentrações no equilíbrio do reagente e dos produtos? [PCl 5 ] = 0,69 mol.l -1 [PCl 3 ] = [Cl 2 ] = 0,91 mol.l -1

15 Se começarmos uma reação com os reagentes puros ou os produtos puros, a mistura sempre tenderá para uma composição entre os reagentes e produtos definida pela constante de equilíbrio (K). Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

16 Princípio de Le Châtelier "quando um sistema em equilíbrio é perturbado, por variação de concentração, de pressão total, ou de temperatura, a alteração que nele se opera é de molde a reduzir o efeito imediato daquela Perturbação. Henri L. Le Châtelier ( ) - Temperatura - Concentração de reagentes - Pressão e Volume Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

17 Efeito da Adição e Remoção de Reagentes N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

18 Efeito da Adição e Remoção de Reagentes Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

19 Efeito da variação de volume e pressão (reação envolvendo gases) Efeito da Pressão N 2 (g) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) Compressão Expansão Para uma reação envolvendo gases, a tensão causada pela diminuição de volume (aumento de pressão) será contrabalanceada pela mudança de composição do equilíbrio em direção a um menor número de moléculas. Não altera o valor de K p! Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

20 Efeito da variação de temperatura A adição de calor favorece a reação no sentido contrário: 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 da diminuição: se H > 0, o resfriamento favorece a reação inversa, se H < 0, o resfriamento favorece a reação direta. A temperatura pode ser interpretada como um reagente ou produto

21 Efeito da variação de volume e pressão (reação envolvendo gases) Exemplo: Considere o seguinte sistema em equilíbrio: N 2 F 4 (g) D 2NF 2 (g) Hº = 38,5 KJ Preveja as alterações no equilíbrio se (a) (b) (c) (d) A mistura reacional for aquecida a volume constante; O gás NF 2 for removido da mistura reacional a temperatura e volume constantes; A pressão da mistura reacional diminuir a temperatura constante; Um gás inerte, como o hélio, for adicionado à mistura reacional a volume e temperatura constante.

22 Variação da temperatura no equilíbrio químico Exemplo: N 2(g) + 3H 2(g) D 2NH 3(g) H o = - 92,2 KJ.mol -1 t (K) K p 298 6, , O que acontecerá se: - Aumentarmos a temperatura; - Retirarmos NH 3 do sistema reacional; - Aumentarmos a pressão;

23 Fixação industrial de nitrogênio Fritz Haber: vencedor do premio Nobel de química em Síntese da amônia (NH 3 ) a partir de hidrogênio (H 2 ) e nitrogênio (N 2 ). Carl Bosch: vencedor do prêmio Nobel da química em 1931: escala industrial na síntese de amônia. Processo Haber-Bosch N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Catalisadores, temperatura e pressão elevadas Uso em explosivos durante a I e a II Guerras Mundiais (em 1913 a produção alemã já era de ton de amônia)

24 Equilíbrio Químico Toda reação química tende a um equilíbrio dinâmico, que afeta o rendimento de produtos, tanto em processos industriais quanto em células vivas Para reação de síntese de amônia: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

25 Processo Haber (Fritz Haber, ) N 2 (s) + 3 H 2 (g) D 2 NH 3 (g) Alta pressão: desloca o equilíbrio. Retirada da amônia formada Alta temperatura Kg NH 3 /ano EUA (80% fertilizante) Figuras re Tabelas eitradas de: Peter Atkins and Loretta Jones, Chemical Principles:The Quest for Insight, 3 th Ed, 2004, W. H. Freeman & Company.

26 Processo Haber (Fritz Haber, ) O N 2 e o H 2 são bombeados para dentro de uma câmara. Os gases pré-aquecidos são passados através de uma bobina de aquecimento até a câmara de catalisador. A câmara de catalisador é mantida a C sob alta pressão. A corrente de gás do produto (contendo N 2, H 2 e NH 3 ) é passada através de uma unidade de refrigeração. Na unidade de refrigeração, a amônia se liquefaz enquanto o N 2 ou o H 2 não. Figuras re Tabelas eitradas de: Kotz, J. C., Treichel Jr., P. M, Química Geral 1 e 2, São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2005.

27 RESUMO: Efeito das alterações na composição do equilíbrio Perturbação Adição de reagente Adição de produto Redução do volume ou aumento da pressão Expansão do volume ou diminuição da pressão Elevação da temperatura Abaixamento da temperatura Alteração quando o sistema reacional retorna ao equilíbrio Parte do reagente adicionado é consumida Parte do produto adicionado é consumida A pressão diminui Efeito sobre o equilíbrio Deslocamento para a direita Deslocamento para a esquerda Deslocamento no sentido de menor número de moléculas de gás A pressão aumenta Deslocamento no sentido de maior número de moléculas de gás Há consumo de energia térmica Há desprendimento de energia térmica Deslocamento no sentido endotérmico Deslocamento no sentido exotérmico Efeito sobre K Não há alteração* Não há alteração* Não há alteração Não há alteração Há alteração Há alteração * Não se aplica para adição de solventes e sólidos puros