E-books PCNA Vol. 1 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 EQUILÍBRO QUÍMICO
2 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 APRESENTAÇÃO... 4 CAPÍTULO 8... 5 1. INTRODUÇÃO... 5 2. REAÇÃO REVERSÍVEL... 6 3. CLASSIFICAÇÃO DO EQUILÍBRIO... 7 3.1. EQUILÍBRIO HOMOGÊNEO... 7 3.2. EQUILÍBRIO HETEROGÊNEO... 8 4. CONSTANTE DE EQUILÍBRIO (KC)... 8 5. PROPRIEDADES DAS CONSTANTES... 9 5.1. REAÇÃO INVERSA... 9 5.2. ADIÇÃO DE UMA REAÇÃO... 10 5.3. MULTIPLICAÇÃO DE UMA REAÇÃO... 10 5.4. DIVISÃO DE UMA REAÇÃO... 10 5.5. REAÇÃO COM SUBSTÂNCIA PURA LÍQUIDA OU SÓLIDA. 11 6. CONSTANTE DE EQUILÍBRIO EM FUNÇÃO DAS PRESSÕES PARCIAIS (KP)... 11 7. PRINCÍPIO DE LE CHATELIER... 14 7.1. PRINCÍPIO DE LE CHATELIER... 15 7.2. INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO... 15 Página 2
3 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 7.3. INFLUÊNCIA DA PRESSÃO... 16 7.4. INFLUÊNCIA NA TEMPERATURA... 16 7.5. INFLUÊNCIA DA PRESENÇA DE CATALISADOR... 17 8. CONSTANTE DE ACIDEZ (KA) E CONSTANTE DE BASICIDADE (KB)... 17 9. EFEITO DO ÍON COMUM... 19 Página 3
4 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 APRESENTAÇÃO Ao chegar à UFPA, você tem a possibilidade de cursar gratuitamente cursos de nivelamento em Ciências Básicas (Física, Química e Matemática). Assistindo às aulas no próprio ambiente em que cursará sua graduação, isso auxiliará você a adquirir o conhecimento necessário para enfrentar melhor o programa curricular do seu curso. Então seja Bem-vindo ao Curso de Nivelamento em Química Elementar do PCNA. Este é o oitavo de uma série de dez E-books que vão lhe acompanhar durante o curso, o professor utilizará este material como apoio às suas aulas e é fundamental que você o leia e acompanhe as atividades propostas. A série E-books PCNA-Química foi desenvolvida com o propósito de apresentar o conteúdo do curso de Química Elementar. Neste fascículo você irá encontrar o conteúdo de Equilíbrio químico. É bom lembrar que não se pode aprender Química sem alguns pré-requisitos, que muitas vezes não valorizamos por acharmos simples e descomplicados, todavia, atenção e compreensão se fazem necessária. Página 4
5 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 Capítulo 8 1. Introdução Um sistema em equilíbrio é identificado por algumas características importantes e obrigatórias. Tanto a matéria quanto a energia não são introduzidas ou removidas do sistema (sistema isolado). As propriedades macroscópicas do sistema não variam com o tempo, isso ocorre porque, microscopicamente, ocorrem reações químicas (reversíveis) simultâneas em ambos os sentidos com a mesma rapidez. Para uma reação qualquer representada por: A + B v1 C + D A + B v2 C + D Onde: V1 velocidade da reação direta; V2 velocidade da reação inversa. Página 5
6 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 2. Reação reversível Atinge-se o equilíbrio quando v1=v2. Reação Reversível é aquela que ocorre simultaneamente nos dois sentidos. Ao mesmo tempo, os reagentes se transformam em produtos e os produtos se transformam em reagentes. No gráfico abaixo, os regentes são representados por B e os produtos por A. Figura (8.1) Equilíbrio químico (velocidades iguais) Figura (8.2) Equilíbrio químico (concentrações constantes) Página 6
7 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 No início da reação, há uma grande quantidade de reagentes. À medida que o tempo vai passando, essa quantidade vai diminuindo e a velocidade também. Enquanto isso, no início da reação não há produtos, a quantidade é zero. Ao decorrer da reação, os produtos vão sendo formados e a velocidade inicial é zero e vai aumentando até igualar com a velocidade dos reagentes. Neste momento, as velocidades permanecerão iguais as concentrações constantes. As concentrações também serão constantes. Quando as velocidades dos produtos e dos reagentes chegam neste ponto dizemos que a reação está em equilíbrio. 3. Classificação do Equilíbrio Podemos classificar os equilíbrios em função das fases das substâncias envolvidas na reação química. 3.1. Equilíbrio Homogêneo Página 7
8 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 É aquele onde todas as substâncias estão na mesma fase (estado físico). Geralmente, ocorrem em sistemas gasosos e aquosos. 3.2. Equilíbrio Heterogêneo É aquele onde as substâncias estão em fases diferentes. Geralmente envolvem substâncias sólidas e líquidas. 4. Constante de equilíbrio (Kc) Observe a seguinte reação química, sendo a reação direta 1 e a reação inversa 2. De acordo com a lei cinética ou lei da velocidade: Página 8
9 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 No instante do equilíbrio: Isolando k: A divisão de duas constantes em matemática origina uma terceira constante: KC = constante de equilíbrio em função das concentrações Então: 5. Propriedades das Constantes É possível, a partir das constantes de equilíbrio da reação direta, obter a constante de equilíbrio da reação inversa. Também podemos multiplicar as constantes. 5.1. Reação Inversa Página 9
10 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 Seja a reação química: A constante de equilíbrio (kc) da reação inversa será o inverso de k c da reação direta. 5.2. Adição de uma Reação Se duas reações são adicionadas, o novo KC será o produto das constantes originais. 5.3. Multiplicação de uma Reação Se duas reações são multiplicadas por um determinado número, a sua nova KC será elevada à este valor. Veja o modelo: 5.4. Divisão de uma Reação Página 10
11 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 Se duas reações são divididas por um determinada número, a sua nova KC será a sua raiz. Veja o modelo: 5.5. Reação com Substância Pura Líquida ou Sólida As substâncias puras líquidas e sólidas possuem concentração constante, onde o valor está incorporado ao da constante Kc. Por este motivo, nas expressões de constante de equilíbrio não se coloca as suas concentrações no cálculo da Kc. Exemplo: 6. Constante de Equilíbrio em Função das Pressões Parciais (Kp) Se uma determinada reação química apresentar substâncias no estado gasoso, a constante de equilíbrio pode ser dada em função das suas pressões parciais. Exemplo: Página 11
12 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 Para o cálculo da pressão parcial, utiliza-se o conceito de fração molar (x). Calcula-se a fração molar e, em seguida, a pressão parcial do gás. Exemplo resolvido 1: 3 mols de PCl5(g) são colocados em um recipiente, atingindo o seguinte equilíbrio: No momento do equilíbrio, 60% do reagente sofre dissociação. Sabendo que a pressão total do sistema é 4,8atm, calcule o valor de Kp: A) Calcular a quantidade de mols, sendo 60%: B) Montar a tabela do equilíbrio químico: Página 12
13 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 PCl5 PCl3 Cl2 Início 3 - - Reagiu/formou 1,8 1,8 1,8 Equilíbrio 3-1,8=1,2 1,8 1,8 C) Calcular as frações molares: nt = número total de mols D) Calcular a pressão parcial dos gases: Página 13
14 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 O somatório das pressões parciais deve ser igual à pressão total: Ou seja: E) Calcular a Kp : 7. Princípio de Le Chatelier Para que um sistema esteja em equilíbrio químico, a velocidade da reação direta deve ser igual à velocidade da reação inversa. As condições que envolvem estas reações não devem ser modificadas. Caso isso ocorra, haverá uma alteração no equilíbrio. Estas modificações podem ser: - concentração de reagentes e produtos; - pressão; - temperatura; - presença de catalisador. Estas modificações podem beneficiar a reação em um dos sentidos (direto ou inverso). Chamamos estas perturbações de deslocamento do equilíbrio. Página 14
15 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 Deslocamento do equilíbrio é toda e qualquer alteração da velocidade da reação direta ou da reação inversa causando modificações nas concentrações das substâncias e levando o sistema a um novo estado de equilíbrio químico. Quando a velocidade da reação direta aumenta é porque o equilíbrio está se deslocando para a direita. Quando a velocidade da reação inversa aumenta é porque o equilíbrio está se deslocando para a esquerda. 7.1. Princípio de Le Chatelier O estudo dos deslocamentos de equilíbrio foi desenvolvido pelo químico francês Le Chatelier. É possível prever o que acontece com a reação de acordo com a alteração que é feita. Enunciado de Le Chatelier: Quando um fator externo age sobre um sistema em equilíbrio este se desloca procurando minimizar a ação do fator aplicado. 7.2. Influência da Concentração Um aumento em qualquer das concentrações resulta em um deslocamento de equilíbrio para o outro lado. A retirada de alguma substância provoca o deslocamento para o seu lado. Durante as modificações os valores de todas as concentrações são alteradas, porém o valor de Kc mantém-se o mesmo. Sendo: Página 15
16 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 7.3. Influência da Pressão A pressão de um gás está associada ao volume deste gás. O aumento da pressão beneficia a reação com menor volume e a diminuição da pressão beneficia a reação com maior volume. Aumento do volume do gás = EXPANSÃO Diminuição do volume do gás = CONTRAÇÃO 7.4. Influência na Temperatura Kc. É a única alteração que pode modificar o valor da Página 16
17 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 O aumento da temperatura beneficia a reação endotérmica. A diminuição da temperatura beneficia a reação exotérmica. 7.5. Influência da Presença de Catalisador A presença de um catalisador (substância química que acelera a reação química) não altera o valor da Kc. O catalisador promove a diminuição do momento do equilíbrio. Altera tanto na reação direta como na reação inversa. 8. Constante de Acidez (Ka) e Constante de Basicidade (Kb) Quando um ácido entra em contato com água dizemos que ocorreu uma ionização. Para as bases, utilizamos o termo dissociação. Veja o que acontece quando o ácido clorídrico é adicionado em água: Página 17
18 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 A sua constante de equilíbrio é dada por: Observe que a substância líquida (água) não deve participar da constante de equilíbrio porque a sua concentração é constante. Então, se a concentração de água for multiplicada por Kc teremos o aparecimento de uma nova constante, a constante de acidez Ka. A constante de acidez indica a força do ácido. Quanto menor o valor do Ka, mais fraco é o ácido, menos ionizado é este ácido. Utiliza-se esta constante para os ácidos fracos. Ácido forte não tem Ka, já que dissociam completamente e não apresentam equilíbrio (reação direta e inversa). A constante de basicidade é dada por Kb e indica a força da base e o seu grau de dissociação. É semelhante ao Ka, porém agora refere-se às bases. Página 18
19 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 9. Efeito do íon comum Em um equilíbrio de íons, a adição de espécies químicas pode contemplar íons que já existam no sistema ou não. Se o íon adicionado já existe no equilíbrio (íon comum), seu comportamento será como na adição de qualquer substância que já existe na reação. Se for adicionada alguma espécie que não possui no sistema e ela reagir com algum presente no equilíbrio, devemos estudar o efeito da diminuição da concentração desta segunda substância. Se a substância adicionada não reagir no equilíbrio, seu acréscimo não modificará o sistema. Veja o exemplo a seguir: De acordo com o lado que o equilíbrio se desloca a solução troca de cor. Veja o que pode acontecer se for adicionado a esta reação: - adição de HCl(aq) o ácido HCl se ioniza formando o íon cátion H+(aq). Provoca, portanto, o aumento da concentração deste íon no sistema. Desloca o equilíbrio para a direita até consumir o excesso adicionado. O íon H+(aq) é o íon comum ao sistema. Página 19
20 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 8 - adição de NaOH a base NaOH se dissocia formando o íon ânion OH-(aq) que reage com o cátion H+(aq) provocando a formação de água e diminuindo a concentração de H+(aq). Desloca o equilíbrio para a esquerda para repor a quantidade removida deste íon. O íon OH-(aq) é o íon não-comum ao equilíbrio. Página 20