15 Equilíbrio Químico

Nomes: Jucimar 14238

Thiago 14248

Professor: Élcio Barrak

15.1 Conceito de equilíbrio químico

Haverá equilíbrio químico somente quando as velocidades das reações opostas forem iguais numa reação reversível.

A + B C + D reação direta

C + D A + B reação inversa

A + B C + D reação reversível

Exemplos:• Equilíbrio entre a água líquida e gasosa.

• O processo Haber para obtenção da amônia.

)g(2)l(2 OHOH

)g(3)g(2)g(2 NH2H3N

Características:

• Igualdade das velocidades • Equilíbrio dinâmico

• Características macroscópicas e microscópicas

• Sistema fechado

15.2 Equilíbrios heterogêneos

Quando as substâncias de uma reação possuem fases diferentes caracterizamos o equilíbrio como heterogêneo.

Exemplo:

)aq()aq(2

)s(2 Cl2PbPbCl

)s(2)g()s(3 COCaCOCaCO

15.3 A constante de equilíbrio

Em 1864, Cato Maximilian Guldberg (1836-1902) e Peter Waage (1833-1900) postularam a lei da ação das massas, que expressa a relação entre as concentrações dos reagentes e produtos presentes no equilíbrio em qualquer reação.

Suponha que tenhamos a seguinte equação geral de equilíbrio:

De acordo com a lei de ação das massas, a condição de equilíbrio é expressa pela seguinte equação, quando todos os reagentes e produtos estiverem na fase gasosa:

Quando os reagentes e os produtos estão em solução, a condição de equilíbrio é expressa pelo mesmo tipo de equação, mas com concentrações em quantidade de matéria por litro:

dDcCbBaA

)P()P()P()P(

KBA

DCba

dc

eq

]B[]A[]D[]C[

K ba

dc

eq

Exemplo:

Para o processo Haber, a expressão de equilíbrio é:

)P(P

)P(K

2H2N

3NH3

2

eq

322 NH2H3N

• A expressão da constante de equilíbrio depende apenas da estequiometria da reação, e não de seu mecanismo.

• O valor da constante de equilíbrio a certa temperatura não depende das quantidades iniciais de reagentes e produtos. Também não importa se outras substâncias estão presentes, desde que elas não reajam com reagentes ou produtos.

• O valor da constante de equilíbrio varia apenas com a temperatura.

Lei da ação das massas

Pressões parciais iniciais e no equilíbrio (P) de e a 100ºC

Experimento Pressão parcial inicial de (atm)

Pressão parcial inicial de (atm)

Pressão parcial de no equil. (atm)

Pressão parcial de no equil. (atm)

1 0,0 0,612 0,0429 0,526 6,45

2 0,0 0,919 0,0857 0,744 6,46

3 0,0 1,22 0,138 0,944 6,46

4 0,612 0,0 0,138 0,944 6,46

ON 42 NO2 K eqON 42 NO2

NO2

)g(2)g(42 NO2ON

ON 42

P

)P(K

42

2

2

eq

ON

NO

Ordem de grandeza das constantes de equilíbrio

Em geral,

1: equilíbrio encontra-se à direita; predominam os produtos.

1: equilíbrio encontra-se à esquerda; predominam os reagentes.

K eq

K eq

Reagentes Produtos

Reagentes Produtos

O sentido da equação química e

• Uma vez que um equilíbrio pode ser abordado a partir de qualquer sentido, o sentido no qual escrevemos a equação química para um equilíbrio é arbitrário.

K eq

Por exemplo, podemos representar o equilíbrio como:

Para essa equação, podemos escrever:

(a 100ºC)

Poderíamos igualmente considerar esse mesmo equilíbrio em termos da reação inversa:

A expressão de equilíbrio seria dada por:

(a 100ºC)

NOON 242

)g(2)g(42 NO2ON

46,6ON

NO

P

)P(K

42

2

2

eq

)g(42)g(2 ONNO2

155,0

NO

ON

)P(P

K2

242

eq

Outras maneiras de manipular as equações

químicas e os valores de

1) Exatamente como os valores de das reações direta e inversa são recíprocos um ao outro, as constantes de equilíbrio das reações apresentadas de outras maneiras também estão relacionadas.

K eq

K eq

Por exemplo, se fôssemos multiplicar o equilíbrio original por 2, teríamos:

A expressão da constante de equilíbrio para essa equação é:

NOON 242

)g(2)g(42 NO4ON2

2

42

2

4

eq )P(

)P(K

ON

NO

2) Algumas vezes, como em problemas nos quais utilizamos a lei de Hess, devemos usar as equações montadas em duas ou mais etapas. Obtemos a equação líquida somando as equações individuais e cancelando os termos idênticos.

Considere as duas reações seguintes, e suas constantes de equilíbrio a 100ºC:

•

•

A soma dessas duas equações é:

e a expressão da constante de equilíbrio para a equação líquida é:

)g(2)g()g( BrNO2NOBr2 42,0eqK

)g()g(2)g(2 BrCl2ClBr 2,7eqK

)g()g()g(2)g( BrCl2NO2ClNOBr2

2ClNOBr2

BrCl2

NO2

eqP)P(

)P()P(K

Como a expressão da constante de equilíbrio da equação líquida é o produto das duas expressões, sua constante de equilíbrio é o produto das duas constantes de equilíbrio individuais:

0,42 x 7,2 = 3,0

Para resumir:

• A constante de equilíbrio de uma reação no sentido inverso é o inverso da constante de equilíbrio da reação no sentido direto.

• A constante de equilíbrio de uma reação multiplicada por um número é a constante de equilíbrio elevada à potência igual àquele número.

• A constante de equilíbrio para uma reação líquida montada em duas etapas é o produto das constantes de equilíbrio para as etapas individuais.

Unidades das constantes de equilíbrio

Os valores que substituímos na expressão de equilíbrio são na realidade razões entre pressão e pressão de referência, , ou entre a concentração mol por litro e uma concentração de referência, .

Dividindo cada pressão parcial pela pressão de referência (1 atm), ou cada concentração molar por uma concentração de referência (1 mol/L), obtemos uma constante de equilíbrio que é adimensional.

refP

ref][

15.4 Cálculo das constantes de equilíbrio

O método é semelhante ao descrito na lei da ação das massas.

• Tabelamos as concentrações iniciais e no equilíbrio de todas as espécies químicas na expressão da constante de equilíbrio.

• Calculamos a variação de concentração para as espécies cuja concentração inicial e no equilíbrio são conhecidas.

• Usando os coeficientes da equação química balanceada, calculamos as variações de concentração para todas as outras espécies no equilíbrio.

• Calculamos as concentrações no equilíbrio, usando as concentrações iniciais e as variações ocorridas.

15.5 Aplicações das constantes de equilíbrio

Vimos que a ordem de grandeza de indica a extensão na qual uma reação prosseguirá.

A constante de equilíbrio também permite-nos:• Determinar o sentido no qual uma mistura de

reação prosseguirá para atingir o equilíbrio;

• Calcular as concentrações de reagentes e produtos quando o equilíbrio foi atingido

refK

Determinando o sentido da reação

Quando substituímos as pressões parciais ou concentrações dos produtos e reagentes na expressão da constante de equilíbrio, o resultado é conhecido como quociente da

reação representado pela letra Q. O quociente da reação será igual à constante de equilíbrio, , apenas se o sistema estiver em equilíbrio:

Quando Q > , as substâncias do lado direito da equação química reagirão para formar as substâncias da esquerda.

Se Q < , a reação atingirá o equilíbrio formando mais

produtos; ela caminha da esquerda para a direita.

eqK

eqK

eqK

eqK eqK eqK> Q < Q= Q

Cálculo das concentrações no equilíbrio

Exemplo:

CT

K

P

atmP

atmP

eq

NH

H

N

º500

1045,1

?

928,0

432,0

5

3

2

2

)g(3)g(2)g(2 NH2H3N

15.6 Princípio de Le Châtelier

Um sistema em equilíbrio é perturbado pela variação de temperatura, pressão ou concentração de um dos componentes; o sistema desloca sua posição de equilíbrio de tal forma a neutralizar o efeito do distúrbio.

Denominado por princípio de deslocamento de equilíbrio.

O princípio do deslocamento de equilíbrio se baseia na variação de:

• Concentração

• Pressão e volume

• Temperatura

Variação da concentração

Quando aumentamos a concentração de uma substância num sistema em equilíbrio, deslocamos o equilíbrio no sentido de consumir essa substância.

Quando diminuímos a concentração de uma substância num sistema em equilíbrio, deslocamos o equilíbrio no sentido de produzir essa substância.

)g(3)g(2)g(2 NH2H3N

Variação de pressão e volume

Um aumento da pressão no sistema desloca o equilíbrio no sentido da reação que ocorre com contração de volume.

Um diminuição da pressão no sistema desloca o equilíbrio no sentido da reação que ocorre com expansão de volume.

)g(2)g(42 NO2ON

Variação de temperatura

Aumentando a temperatura, o equilíbrio se desloca para o lado endotérmico da reação.

Diminuindo a temperatura o equilíbrio se desloca para o lado exotérmico da reação.

0H )g(3)g(2)g(2 NH2H3N

Efeito dos catalisadores

Com catalisador, a energia de ativação da reação diminui aumentando a sua velocidade, fazendo com que o equilíbrio seja atingido rapidamente.

Obs.: O catalisador nunca desloca o equilíbrio.

Referência Bibliográfica

• QUÍMICA: A CIÊNCIA CENTRAL

9ª Edição (Brown, LeMay, Bursten), Editora Pearson.