Equilíbrio Químico 1. Introdução Para a reação hipotética geral: aa + bb cc + dd (1) a constante de equilíbrio é dada pela expressão: K = a C c. a D d a A a. a B b (2) Se considerarmos que uma reação ocorra inteiramente na fase líquida, e aproximando que as atividades são iguais às concentrações, a Equação 2 pode ser reescrita como: K = [C]c. [D] d [A] a. [B] b (3) Onde os colchetes indicam que as concentrações são expressas em mol/l. Com o objetivo de determinar a constante de equilíbrio, K, a estequiometria da reação em análise deve ser conhecida (a, b, c, d). Além disso, deve-se dispor de um método analítico para determinar a concentração das espécies químicas envolvidas no equilíbrio. Uma forma de simplificar a determinação da concentração das espécies químicas envolvidas é determinar a concentração em equilíbrio de uma única espécie, se a concentração inicial de todas as espécies são conhecidas e conhecendo-se a estequiometria da reação, determinação a concentração das demais espécies químicas envolvidas. Você utilizará esta forma simplificada para determinar o valor de K para a reação do acetato de etila em presença de água. O acetato de etila é um solvente muito empregado em sínteses orgânicas e por ser um éster é facilmente hidrolisado em etanol e ácido acético. A reação inversa, ácido acético em presença de etanol é chamada de esterificação. Na reação de esterificação: CH 3 COOH + C 2 H 5 OH CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O (5) (4) onde a = b = c = d = 1 (6) Portanto: K = [CH 3COOC 2 H 5 ][H 2 O] [CH 3 COOH][C 2 H 5 OH] (7) K = (n ester V ) (n água V ) ( n ác.acético V ) ( n etanol V ) = n ester. n água n ác.acético. n etanol (8) 1
onde n representa o número de mols do éster (acetato de etila), água, ácido acético e etanol, respectivamente, em qualquer mistura em equilíbrio, de volume total V. Como os volumes se compensam, não é necessário determinar o volume da mistura em equilíbrio. Para a reação estudada, o calor de reação ( H) é muito próximo a zero, e assim, a constante de equilíbrio (K c) é quase independente da temperatura. Não é necessário, portanto, estudar a reação em temperatura constante. A reação de hidrólise do acetato de etila é lenta, portanto, para acelerar o processo utilizaremos um catalisador HCl. O tempo necessário para que o equilíbrio seja alcançado diminui quando se usa ácido clorídrico como catalisador. 2. Objetivos Determinar a constante de equilíbrio da reação de hidrólise do acetato de etila (reação 4) por análise química da mistura em equilíbrio. 3. Metodologia: Tabela 1: Misturas reacionais para a determinação da constante de equilíbrio da reação 4. Solução HCl 3 mol/l Volumes / ml Éster H2O Etanol Ác. Acético glacial 0 5-5 - - 1 5 5 - - - 2 5 2 3 - - 3 5 4-1 - 4 5 4 - - 1 5 5 - - 4 1 Densidade 1,0435 0,9003 0,9982 0,7893 1,0492 (g/ml) Massa molar (g/mol) 36,5 88 18 46 60 [NaOH] = mol/l Número de mols iniciais Éster H2O Etanol Ác. Acético A massa de água em cada frasco é obtida pela soma da massa da água pura e da massa de água contida na solução de HCl 3,0 mol/l. A massa de água na solução de HCl é obtida subtraindo a massa de HCl contida em 5 ml desta solução. A quantidade de ácido acético no equilíbrio de cada frasco é obtida pela subtração do volume (em ml) de NaOH 1,0 mol/l usado na titulação da amostra 0 pelo volume de NaOH 1,0 mol/l utilizado na titulação das amostras em equilíbrio. Nas amostras 4 e 5, o ácido acético é adicionado na solução original, e esta quantidade deve ser considerada nos cálculos das quantidades em equilíbrio dos outros reagentes. Para cada mol de ácido acético que reagiu, um mol de etanol desaparece da solução, um mol de acetato de etila é produzido e um mol de água também surge na mistura. Se os número de mols de cada um dos quatro reagentes na mistura original é conhecido, sabendo-se também o número de mols de ácido acético que reagiu, pode-se 2
determinar os números de mols dos demais reagentes em equilíbrio e, então, a constante de equilíbrio (K c). 4. Experimental Materiais por equipe 6 erlenmeyers com rolhas Fenolftaleína 1 bureta de 25 ml Acetato de etila Pipetas de 5, 2 e 1 ml Ácido acético glacial HCl 3,0 mol/l Álcool etílico 99,8% NaOH 1,0 mol/l Procedimento Identifique os 6 erlenmeyers de sua equipe e, então, pipete as quantidades indicadas na tabela acima nos respectivos erlenmeyers e tampe-os imediatamente. Vede bem para evitar evaporação. Espere que o equilíbrio seja atingido. Mantenha sua amostra devidamente identificada à temperatura ambiente, agitando de vez em quando, durante uma semana. Faça a titulação das amostras com solução de NaOH 1,0 mol/l, usando fenolftaleína como indicador. Determine a quantidade de ácido acético presente no equilíbrio e, baseado na estequiometria da reação, dos demais reagentes, preenchendo a Tabela 2 na folha de dados. Calcule a constante de equilíbrio em cada amostra. 5. Discussão dos Resultados Calcule a constante de equilíbrio para cada amostra e compare os resultados. A partir das diferentes composições iniciais e dos resultados obtidos, discuta o princípio de Le Chatellier. 3
Folha de Dados - Equilíbrio Químico do Acetato de Etila Nomes: Tabela 2: Composição das amostras após o equilíbrio e constante de equilíbrio calculada para cada caso. Amostra 0 1 2 3 4 5 NaOH gasto na titulação / ml Número de mols no equilíbrio Éster H2O Etanol Ác. Acético Kc Observações: A partir das diferentes composições iniciais e dos resultados obtidos, discuta o princípio de Le Chatellier. Utilize esta folha e mais quantas forem necessárias para apresentar os cálculos efetuados para responder os dados nas Tabelas 1 e 2. 4
Questionário Equilíbrio Químico do Acetato de Etila Nomes: 1) Qual a relação matemática entre as constantes de equilíbrio das reações (4) e (5)? 2) O que ocorrerá com a amostra 1 em equilíbrio, se perturbarmos o equilíbrio acrescentando ácido acético à solução? Quais variações ocorrerão nas concentrações das espécies químicas? 3) Por que o ácido clorídrico atua como catalisador? Relembre seus conceitos de reações orgânicas. 4) Partindo de G 1 o = -RT 1 ln K 1, onde 1 representa a temperatura 1, demonstre como chegar na equação que demonstra a dependência de K em função da Temperatura, K(T). Qual o nome dado a esta equação? 5) A constante de equilíbrio K para a síntese da amônia é 6,8 x 10 5 a 298K. Preveja seu valor a 400K. 5