Disciplina: Química I Unidade VI

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1 chamadas de prótons. Em 1932, Chadwick isolou o nêutron, cuja existência já era prevista por Rutherford. Portanto, o modelo atômico clássico é constituído de um núcleo, onde se encontram os prótons e nêutrons, e de uma eletrosfera, onde estão os elétrons orbitando em torno do núcleo. Disciplina: Química I Unidade VI Professor: Marcelino Vieira Lopes, Me.Eng. - Modelo atômico clássico N um átomo n total é zero, o núm número de elétro nesse caso, pode número atômico. Exempl o O átomo de m atômico 12 (Z = 12 Significado: no existem 12 próton existem 12 próton 10 PV2D-06-QUI-11 Ca

2 Química I Ementa: Estrutura do átomo: Matéria e Energia. Ligações Químicas. Soluções Químicas. Reações Químicas. Laboratório Químico. Química Orgânica. Termoquímica. Eletroquímica.. As Indústrias Químicas. 2

3 Programa (Plano de Ensino) UNIDADE 1 ESTRUTURA DO ÁTOMO 1.1 MATÉRIA E ENERGIA; 1.2 Constituição elementar da matéria; 1.3 Átomos e elementos químicos; 1.4 Átomos e íons; 1.5 Tabela Periódica; 1.6 Distribuição eletrônica. UNIDADE 2 LIGAÇÕES QUÍMICAS 2.1 Ligações Iônicas: a formação das ligações iônicas; 2.2 Ligações Covalentes: covalentes normal e coordenada; 2.3 Ligação Metálica: estrutura dos sólidos metálicos. 3

4 Programa UNIDADE 3 REAÇÕES QUÍMICAS 3.1.Reações químicas Balanceamentos das reações químicas por método: - das tentativas e - oxi-redução; Cálculos estequiométricos nas reações químicas. 3.2 LABORATÓRIO QUÍMICO Objetivos; Alguns aspetos de segurança no Laboratório. UNIDADE 4 TERMOQUÍMICA 4.1 A Primeira Lei da Termodinâmica; 4.2 Calor, Entalpia e Calorimetria; 4.3 Equações Termoquímicas. 4

5 Programa UNIDADE 5 ELETROQUÍMICA 5.1 Introdução a pilha de Daniel 5.2 Células galvânicas, 5.3 Potenciais de Eletrodo; 5.4 Células Eletrolíticas; 5.5 Eletroquímica Industrial 5.6 Corrosão e Técnicas Anticorrosivas com base na eletroquímica UNIDADE 6 EQULÍBRIO QUÍMICO 6.1 Equilíbrios Químicos Homogêneos; 6.2 Lei do, Princípios de Le Chatelier; 6.3 Cálculos de Equilíbrio. 5

6 Programa UNIDADE 7 AS INDÚSTRIAS QUÍMICAS 7.1 Origem, histórico e desenvolvimento de processos químicos; 7.2 Matérias Primas; 7.3 Tecnologias Orgânicas, Inorgânicas; 7.4 Contaminações Industriais e o Meio Ambiente; 7.5 Tratamento de Efluentes. 6

7 Bibliografia FELTRE, Ricardo. Fundamentos da química. 2 ed. São Paulo: Moderna, TITO, Francisco M. P.; CANTO, Eduardo L. Química na abordagem do cotidiano. Volume 1. 4 ed. São Paulo: Moderna, HARTMANN, Selmo L. Química. 1 ed. Nitero i, RJ: EAD/UNIVERSO,

8 UNIDADE 6 EQULÍBRIO QUÍMICO 8

9 Conceito de equilíbrio Um equilíbrio químico é a situação em que a proporção entre as quantidades de reagentes e produtos em uma reação química se mantém constante ao longo do tempo. 9

10 Teoricamente, toda a reação química ocorre nos dois sentidos: Reagentes produtos Produtos reagentes e Contudo, em certas reações, como a de combustão, virtualmente 100% dos reagentes são convertidos em produtos, e não se observa o contrário ocorrer (ou pelo menos não em escala mensurável); tais reações são chamadas de irreversíveis. 10

11 Há também uma série de reações nas quais logo que certa quantidade de produto(s) é formada, este(s) torna(m) a dar origem ao(s) reagente(s); essas reações possuem o nome de reversíveis. O conceito de equilíbrio químico praticamente restringe-se às reações reversíveis. 11

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13 Reversibilidade de reações químicas Um exemplo de reação reversível é a da produção da amônia (NH 3 ), a partir do gás hidrogênio (H 2 ) e do gás nitrogênio (N 2 ) que faz parte do Processo de Haber: N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) Note-se que a seta dupla ( ) significa que a reação ocorre nos dois sentidos, e que o subscrito (g) indica que a substância se encontra na fase gasosa. 13

14 Considere o N 2 O 4 congelado e incolor. À temperatura ambiente, ele se decompõe em NO 2 marrom: N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g). Em um determinado momento, a cor pára de se alterar e temos a mistura de N 2 O 4 e NO 2. Equilíbrio químico é o ponto em que as concentrações de todas as espécies são constantes

15 Para um sistema qualquer representado por: A + B V1 V2 C + D A rapidez varia a partir do inicio da reação até atingir a situação de equlibrio. O gráfico a seguir mostra essa variação. 15

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17 Considerando-se as variações de reagentes e produtos, temos: 17

18 Deve-se salientar que quando uma reação atinge o equilíbrio ela não para. Ela continua se processando, porém tanto a reação direta como a inversa ocorrem à mesma velocidade, e desse jeito a proporção entre os reagentes e os produtos não variam. Por outras palavras, estamos na presença de um equilíbrio dinâmico. 18

19 No equilíbrio, tanto de N 2 O 4 reage para formar NO 2 quanto de NO 2 reage para formar outra vez N 2 O 4 : N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) A seta dupla significa que o processo é dinâmico. Considere Reação direta: A B Velocidade = k[a] Reação inversa: B A Velocidade = k[b] No equilíbrio V A = V B = k[a] = k[b]. 19

20 A + B C + D Para um equilíbrio escrevemos: À medida que a reação progride [A] e [B] diminuem para uma constante, [C] e [D] aumentam de zero para uma constante. Quando [A], [B] e [C], [D] são constantes, o equilíbrio é alcançado. k[a] diminui para uma constante, k[b] aumenta de zero para uma constante. Quando k[a] = k[b], o equilíbrio é alcançado. 20

21 Equilíbrio Homogêneo e Heterogêneo Quando todas as substâncias envolvidas no equilíbrio se encontram no mesmo estado físico diz-se que temos um equilíbrio homogêneo, que é o caso de todos os equilíbrios apresentados aqui até então. N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) 21

22 Analogamente, os equilíbrios onde estão envolvidas mais de uma fase são chamados de equilíbrios heterogêneos, como o seguinte: Ni (s) + 4CO (g) Ni(CO) 4(g) Note-se que o subscrito (s) significa que a espécie se encontra no estado sólido. Equilíbrios heterogêneos, como este, frequentemente apresentam ao menos um sólido ou um líquido. 22

23 Considere o gráfico abaixo: a)qual variável o eixo das ordenadas representa, considerando-se que o sistema atinge o equilibrio a partir de determinado tempo? Justifique. b)indique no gráfico, o momento em que a reação entra em equlíbrio. c)escreva uma equação genérica que possa ser representada pelo gráfico, identificando os reagentes e os produtos pelas respectivas cores das curvas. 23

24 Quando uma reação química exotérmica atinge o equilíbrio, são válidas todas as afirmativas abaixo, exceto: a) As velocidades da reação nos sentidos direto e inverso se igualam. b) A energia de ativação é a mesma nos sentidos direto e inverso. c) A reação ocorre com liberação de calor. d) As concentrações de reagentes e produtos permanecem inalteradas. e) A reação inversa é endotérmica 24

25 Represente, por meio de gráfico, a rapidez da reação direta e da reação inversa até atingir o estado de equilíbrio para a reação: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) 25

26 Considere a reação entre nitrogênio e hidrogênio: (v1 e v2 são as velocidades das reações direta e inversa) Quando se estabelece o equilíbrio químico é possível afirmar que: a) [N2] = [H2]. b) [NH3] = constante. c) [N2] = [NH3]. d) v2 > v1. e) v1 > v2. 26

27 Constantes de equilíbrio As constantes de equilíbrio, representadas por K, são determinadas a partir de dados experimentais. Por conta da análise de uma grande quantidade de dados, chegou-se a uma expressão genérica para todos os equilíbrios: K = [produtos]/[reagentes] 27

28 Constantes de equilíbrio (Kc) As constantes de equilíbrio determinadas com base nas concentrações em mol/l, são representadas por Kc. 28

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30 Portanto, Onde: 30

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34 A constante de equilíbrio Para uma reação geral aa + bb cc + dd a expressão da constante de equilíbrio para tudo em solução é onde K eq é A constante de equilíbrio. 34

35 Escreva a expressão da constante de equilíbrio para as equações abaixos: a)2no (g) + Cl 2 (g) 2NOCl (g) b)fe(s) + Cu 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Cu (s) c)co 2 (g) + Ca(OH) 2 (aq) CaCO 3 (s) + H 2 O (l) 35

36 Constantes de equilíbrio e pressões parciais (Kp) Para os gases, também se pode escrever a expressão da lei de equilíbrio químico, K, em termos de pressões parciais. Para o equilíbrio: 36

37 Para expressar a lei de equilíbrio em termos das pressões parciais, basta que apenas uma das espécies do equilíbrio esteja no estado gasoso. Escreva a expressão da constante de equlíbrio Kp para as seguintes reações: a)h 2 (g) + I 2 (g) 2HI (g) b)caco 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) 37

38 A constante de equilíbrio Ordem de grandeza das constantes de equilíbrio A constante de equilíbrio, K, é a razão entre produtos e reagentes. Conseqüentemente, quanto maior for K, mais produtos estarão presentes no equilíbrio. De modo inverso, quanto menor for K, mais reagentes estarão presentes no equilíbrio. 38

39 A constante de equilíbrio Ordem de grandeza das constantes de equilíbrio Se K >> 1, então os produtos predominam no equilíbrio e o equilíbrio encontra-se à direita. Se K << 1, então os reagentes predominam no equilíbrio e o equilíbrio encontra-se à esquerda. 39

40 A constante de equilíbrio O sentido da equação química e K eq Um equilíbrio pode ser abordado a partir de qualquer sentido. N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) Sentido direto: temos: 40

41 A constante de equilíbrio O sentido da equação química e K eq No sentido inverso: 2NO 2 (g) N 2 O 4 (g) 41

42 A constante de equilíbrio Outras maneiras de manipular as equações químicas e os valores de K eq A reação 2N 2 O 4 (g) 4NO 2 (g) tem o qual é o quadrado da constante de equilíbrio para N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) 42

43 A constante de equilíbrio Outras maneiras de se trabalhar as equações químicas e os valores de K eq A constante de equilíbrio para o sentido inverso é o inverso daquela para o sentido direto. N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) Direto: Kc = (P NO2 ) 2 / (P N2O4 )= 6,46 (a 100 o C) 43 Inverso: Kc= (P N2O4 )/(P NO2 ) 2 = 1/6,46 = 0,155 (a 100 o C)

44 Quando uma reação é multiplicada por um número, a constante de equilíbrio é elevada àquela potência. N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) Kc = (P NO2 ) 2 / (P N2O4 )= 6,46 (a 100 o C) 2N 2 O 4 (g) 4NO 2 (g) Kc = (P NO2 ) 4 / (P N2O4 ) 2 = (6,46) 2 = 41,7 (a 100 o C) 44

45 Constante para a soma de reações Se uma reação química pode ser expressa pela soma de duas ou mais reações (ou etapas individuais), então: Kc da reação global será a multiplicação das constantes de cada uma das reações individuais. 45

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48 Em determinadas condições de T e P, existe 0,5 mol/l de N2O4 em equilíbrio com 2 mol/l de NO2, segundo a equação: N2O4 (g) 2NO2 (g). Qual o valor da constante (Kc ) desse equilíbrio nessas condições e indique o sentido da reação. 48