Equilíbrio Químico

Prof. Nunes

Universidade Federal do Ceará

Centro de Ciências

Departamento de Química Orgânica e Inorgânica

Química Geral e Orgânica

Equilíbrio QuímicoEquilíbrio Químico

DQOI - UFC

Prof. Dr. José Nunes da Silva [email protected]

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� A maioria das reaçõesreações químicasquímicas nuncanunca terminamterminam. Ou seja, quando os

reagentes são misturados em quantidades estequiométricas, eles não são

totalmente convertidos em produtos.

Conceitos BásicosConceitos Básicos

� Reações que não vão para a conclusão e que podem ocorrer em qualquer

direção são chamadas de reaçõesreações reversíveisreversíveis, as quais podem ser

representadas em termostermos geraisgerais da seguinte forma:

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� Quando A e B reagem para formar C e D na mesma proporção em que

C e D reagem para formar A e B, o sistemasistema estáestá emem equilíbrioequilíbrio.

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indica reversibilidadeindica reversibilidade

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�� EquilíbrioEquilíbrio QuímicoQuímico existe quando duas reações opostas ocorrem

simultaneamente, a mesma velocidade.

Conceitos BásicosConceitos Básicos

�� EquilíbriosEquilíbrios químicosquímicos são equilíbrios dinâmicos, isto é, moléculas individuais

estão continuamente reagindo, mesmo que a composição global da mistura da

reação não se altere.

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� No equilíbrioequilíbrio QuímicoQuímico a reação nunca para, mesmo quando as concentrações

permanecem constantes.

�� RealizouRealizou--sese oo seguinteseguinte experimentoexperimento::


3 H2(g) + N2(g) 2 NH3(g)

3 D2(g) + N2(g) 2 ND3(g)

MisturouMisturou--se o conteúdo dos 2 frascosse o conteúdo dos 2 frascos..

�� RealizouRealizou--sese oo seguinteseguinte experimentoexperimento::

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MisturouMisturou--se o conteúdo dos 2 frascosse o conteúdo dos 2 frascos..

NH3 + NDH2 + ND2H + ND3

H2 + HD + D2

A troca de átomos de HH e DD

nas moléculas deve resultar

de uma continuação de

reações diretas e reversas

na mistura.

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conc. Inicialconc. Inicial

∆∆ devido a reaçãodevido a reação

conc. no equilíbrioconc. no equilíbrio

ExpExp.. 11

ExpExp.. 22 conc. Inicialconc. Inicial

∆∆ devido a reaçãodevido a reação

conc. no equilíbrioconc. no equilíbrio

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Constante de Equilíbrio, Constante de Equilíbrio, KcKc

11

22

11

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22

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GeneralizandoGeneralizando::

No equilíbrio, as velocidades diretas e inversas são iguaisNo equilíbrio, as velocidades diretas e inversas são iguais

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� A constanteconstante dede equilíbrio,equilíbrio, KcKc, é definida como o produto das

concentrações (moles por litro) dos produtos elevadas à potência que

corresponde a seu coeficiente na equação balanceada, dividido pelo

produto das concentrações de reagentes, cada um elevado à potência que

corresponde ao seu coeficiente na equação balanceada.

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� A magnitude do KcKc é uma medida da extensão em que a reação ocorre.

ParaPara qualquerqualquer equaçãoequação químicaquímica balanceadabalanceada, o valorvalor dede KcKc:

1)1) éé constanteconstante aa umauma dadadada temperaturatemperatura;;

2)2) variavaria sese aa temperaturatemperatura variavaria;;

3)3) nãonão dependedepende dada concentraçãoconcentração inicialinicial.

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Constante de Equilíbrio x Constante de Equilíbrio x TemperaturaTemperatura

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ExercitandoExercitando

Nitrogênio e hidrogênio são colocados em um recipiente vazio de 5,00 litros a

500 °C. Quando o equilíbrio é estabelecido, 3,01 mol de N2, 2,10 mol de H2 e

0,565 mol de NH3 estão presentes. CalcularCalcular KcKc parapara aa seguinteseguinte reaçãoreação aa 500500 °°CC..

Solução:Solução:

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Colocamos 10,0 moles de N2O em um recipiente de 2,00 L, a uma dada

temperatura, onde ele se decompõe conforme a reação:

No equilíbrio, 2,20 moles de N2O permanecem. CalcularCalcular oo valorvalor dede KcKc parapara aa

reaçãoreação.

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00

reagiramreagiram

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Variações de Variações de KcKc com a Equação Balanceadacom a Equação Balanceada

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Escreva a expressãoexpressão para, e calcule o valorvalor numériconumérico, da constanteconstante dede

equilíbrioequilíbrio para cada uma das seguintes equações à mesma temperatura.equilíbrioequilíbrio para cada uma das seguintes equações à mesma temperatura.


DQOI - UFC16

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Escreva a expressãoexpressão para, e calcule o valorvalor numériconumérico, da constanteconstante dede

equilíbrioequilíbrio para cada uma das seguintes equações à mesma temperatura.equilíbrioequilíbrio para cada uma das seguintes equações à mesma temperatura.


DQOI - UFC17

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Se uma equação química puder ser expressa como a soma de duas ou mais

equações químicas, a constanteconstante dede equilíbrioequilíbrio para a reação global será o

produtoproduto dasdas constantesconstantes dede equilíbrioequilíbrio parapara asas reaçõesreações componentescomponentes.

2 P + 5Cl2 2 PCl5 KcKc = Kc= Kc11 x Kcx Kc22

Kc2PCl3 + Cl2 PCl5

Kc12 P + 3Cl2 2 PCl3

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QuocienteQuociente da Reação, da Reação, QQ

QQ << KK As concentraçõesconcentrações dosdos reagentesreagentes nono instanteinstante dede análiseanálise sãosão maismais

altasaltas queque nono equilíbrioequilíbrio, e a reaçãoreação temtem aa tendênciatendência aa seguirseguir nana

direçãodireção dosdos produtosprodutos.

QQ >> KK As concentraçõesconcentrações dosdos produtosprodutos nono instanteinstante dede análiseanálise sãosão maismais altasaltas

DQOI - UFC19

dodo queque nono equilíbrioequilíbrio,, e a reaçãoreação temtem aa tendênciatendência aa seguirseguir nana direçãodireção

dosdos reagentesreagentes.

QQ == KK A mistura tem sua composiçãocomposição dede equilíbrioequilíbrio, e não tem nenhuma

tendência a mudar em qualquer direção.

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QuocienteQuociente da Reação, da Reação, QQ

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Para a reação a seguir, calcule o valor de QQ e compare-o com o valor conhecido

de KcKc ((6565,,00)) para prever a direção da reação que leva ao equilíbrio.

EmEm umum dadodado instante,instante, asas concentraçõesconcentrações dasdas espéciesespécies foramforam determinadasdeterminadas::


< 65< 65

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A equação para a seguinte reação e o valor de KcKc a uma dada temperatura são

dados. Uma mistura em equilíbrio em um recipiente de 1,00 litro contém 00,,2525

molesmoles dede PClPCl55 e 00,,1616 molesmoles dede PClPCl33. QualQual aa concentraçãoconcentração dede equilíbrioequilíbrio dede ClCl22devedeve estarestar presente?presente?


DQOI - UFC22

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Para a seguinte reação, KcKc == 4949,,00 a uma dada temperatura. Se 0,400 moles de A

e de B são colocados em um recipiente de 2,00 litros a essa mesma temperatura,

quaisquais serãoserão asas concentraçõesconcentrações dede todastodas asas espéciesespécies nono equilíbrioequilíbrio?


Calculando as concentrações iniciais:Calculando as concentrações iniciais:

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Conferindo.....Conferindo.....

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Fatores que Alteram o EquilíbrioFatores que Alteram o Equilíbrio

� Uma vez que uma reação atingiu o equilíbrio, ela

permanecepermanece emem equilíbrioequilíbrio atéaté queque sejaseja perturbadaperturbada por

alguma mudança de condições.

� O princípio orientador é conhecido como PrincípioPrincípio dede

LeChatelierLeChatelier .

SeSe umauma alteraçãoalteração dasdas condiçõescondições (stress)(stress) éé aplicadaaplicada aa umum sistemasistema emem equilíbrio,equilíbrio,

oo sistemasistema sese deslocarádeslocará nana direçãodireção emem queque reduziráreduzirá oo stressstress,, ee umum novonovo

estadoestado dede equilíbrioequilíbrio seráserá atingidoatingido..

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Fatores que Alteram o EquilíbrioFatores que Alteram o Equilíbrio

TrêsTrês tipostipos dede mudançasmudanças pode perturbar o equilíbrio de uma reação.

1) Mudanças na concentração

2) Mudanças na pressão ou volume (para as reações que envolvem gases)

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2) Mudanças na pressão ou volume (para as reações que envolvem gases)

3) Mudanças na temperatura

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Mudanças na Mudanças na ConcentraçãoConcentração

A adição ou remoção de reagentes ou produtos alteraaltera oo valorvalor dede QQ, mas

nãonão alteraaltera oo valorvalor dede KcKc.

+ + HClHCl

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A adição ou remoção de reagentes ou produtos alteraaltera oo valorvalor dede QQ, mas

nãonão alteraaltera oo valorvalor dede KcKc.


+ AgNO+ AgNO33

ClCl--((aqaq)) + + AgAg++((aqaq)) ------> > AgClAgCl(s)(s)

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PbCl2(aq) + S2-(aq) PbSPbS(s)(s) + 2 Cl

-(aq)

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� Todavia, mudançasmudanças nana pressãopressão causam mudançasmudanças significativassignificativas nana

concentraçõesconcentrações dede gasesgases.

Mudanças no Mudanças no Volume Volume e na e na PressãoPressão

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� Tais mudanças, portanto, afetar o valor de QQ para as reaçõesreações

emem queque oo númeronúmero dede molesmoles dede reagentesreagentes gasososgasosos diferedifere dodo númeronúmero dede molesmoles

dede produtosprodutos gasososgasosos.

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Mudanças no Mudanças no Volume Volume e na e na PressãoPressão

VV PP

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VV PP não se alteranão se altera

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� Considere a seguinte reaçãoreação exotérmicaexotérmica em equilíbrio:

Mudanças na Mudanças na TemperaturaTemperatura

calorcalor

aumento de temperaturaaumento de temperatura

calorcalor

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calorcalor

diminuição de temperaturadiminuição de temperatura

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diminuição de temperaturadiminuição de temperatura aumento de temperaturaaumento de temperatura

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� Considere a seguinte reaçãoreação endotérmicaendotérmica em equilíbrio:


+ calorcalor+ calorcalor

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diminuição de temperaturadiminuição de temperaturaaumento de temperaturaaumento de temperatura

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� O processoprocesso HaberHaber é de grande de importância industrial e econômica. Nele,

o NN22 atmosféricoatmosférico é convertido em amônia,amônia, NHNH33, matéria prima para

inúmeros corantes , plásticos, explosivos, fertilizantes e fibras sintéticas.

Processo Haber Processo Haber –– Aplicação PráticaAplicação Prática

� Neste processo, o reação entre NN22 e H2 para produzir NHNH33 nunca atinge o

equilíbrio, mas se move em direção a ele.

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500500--10001000

atmatm

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250 250 ooCC

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� Muitas vezes, é mais conveniente medir pressõespressões em vez de

concentraçõesconcentrações de gases.

Pressões Parciais e Constantes de EquilíbrioPressões Parciais e Constantes de Equilíbrio

� Para uma reaçãoreação genéricagenérica, portanto:

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� Para o processoprocesso HaberHaber:

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Em uma mistura em equilíbrio na 500 °C, encontramos PNH3 = 0,147 atm,

PN2 = 6,00 atm, e PH2 = 3,70 atm.

CalculeCalcule aa KKPP 500 °C para a reação:


CalculeCalcule aa KKPP 500 °C para a reação:

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Relação entre Relação entre KcKc e e KpKp

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Vimos que para a reação de amônia a 500 °C, KcKc == 00,,286286. Podemos descrever

este equilíbrio emem termostermos dede pressõespressões parciaisparciais usando KpKp.

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ExercícioExercício

Adicionaram-se 10,0 gramas de SbCl5 a um recipiente de 5,00 litros a 448 °C e

permitiu-se que a reação atingisse o equilíbrio. QuantosQuantos gramasgramas dede SbClSbCl55 estãoestão

presentespresentes nono equilíbrio?equilíbrio?

ResolverResolver esteeste problemaproblema::

(a) com Kc e concentrações molares e

(b) utilizando Kp e pressões parciais.

Solução a)Solução a)

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Solução b)Solução b)

DQOI - UFC48

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Solução b)Solução b)

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Perturbação Alteração quando o sistema reacional retorna ao

equilíbrio

Efeito sobre o equilíbrio Efeito sobre Kc

+ reagenteparte do reagente adicionado

Perturbações x EfeitosPerturbações x Efeitos

+ reagenteparte do reagente adicionado

é consumido não há alteração

parte do produto

adicionado é consumido+ produto não há alteração

redução do volume pressão aumenta não há alteraçãomenor # moléculas

expansão do volume pressão diminui não há alteraçãomaior # moléculas

consumo de energia há alteraçãoendotérmicoelevação da T

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diminuição da T liberação de energia há alteraçãoexotérmico

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Equilíbrio HeterogêneoEquilíbrio Heterogêneo

�� HeterogêneosHeterogêneos equilíbriosequilíbrios envolvem espéciesespécies emem maismais dede umum fasefase.

� Considere a seguinte reação reversível a 25 °C.� Considere a seguinte reação reversível a 25 °C.

� Quando o equilíbrio é estabelecido para este sistema, um sólidosólido, um líquidolíquido

e um gásgás estão presentes.

�� NemNem sólidossólidos nemnem líquidoslíquidos sãosão significativamentesignificativamente afetadosafetados porpor

mudançasmudanças dede pressãopressão.

DQOI - UFC51

mudançasmudanças dede pressãopressão.

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Equilíbrio HeterogêneoEquilíbrio Heterogêneo

� A definição fundamental da constante de equilíbrio em termodinâmica é em

termos de atividadesatividades das substâncias envolvidas.

�� parapara qualquerqualquer líquidolíquido ouou sólidosólido puropuro,, aa atividadeatividade éé tomadatomada comocomo 11,,�� parapara qualquerqualquer líquidolíquido ouou sólidosólido puropuro,, aa atividadeatividade éé tomadatomada comocomo 11,,

entãoentão termostermos queque parapara líquidoslíquidos ee sólidossólidos purospuros nãonão aparecemaparecem nasnas

expressõesexpressões parapara KcKc dede heterogêneosheterogêneos equilíbriosequilíbrios..

�� Assim,Assim, parapara aa reaçãoreação::

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� Estas expressões de constante de equilíbrio indicam que

existe equilíbrioequilíbrio a uma dada temperatura por uma,uma, e

somente uma, concentraçãoconcentração e uma pressãopressão parcialparcial de

oxigêniooxigênio em contato com mercúriomercúrio líquidolíquido e óxidoóxido dede

mercúriomercúrio (II)(II) sólidosólido .

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Escrever tanto KcKc e KpKp para as seguintes reações reversíveis:

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O valor de KpKp é de 2727 para a decomposição térmica do clorato de potássio em

uma dada alta temperatura. Qual é a pressão parcial de oxigênio em um

recipiente fechado no qual o seguinte sistema está em equilíbrio nesta mesma

temperatura?temperatura?

SoluçãoSolução::

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