GQI 00042 Química Geral e Inorgânica

Experimental III Aula 08

Prof. Ednilsom Orestes

2º Semestre de 2013 09/09/2013 – 17/01/2014

Universidade Federal Fluminense

Instituto de Química de São Carlos

Departamento de Química Inorgânica

www.slideshare.net/Ednilsom

Produção de Amônia

• WWII: Aumento na demanda compostos nitrogenados.

𝑁𝑂32− para agricultura e para produção de armas

• Extração: Salitre do Chile. 𝑁𝑎𝑁𝑂3 ou 𝐾2𝑁𝑂3.

• Pouca quantidade e vulnerável ao ataque.

• Fixar N do ar? Como?

• Fritz Haber:

𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ⇌ 2𝑁𝐻3(𝑔)

• Problema: Reação não vai até o fim!

• Reagentes e Produtos coexistem na mistura final.

• A Reação “pára” e estabelece-se um equilíbrio entre 𝑁2, 𝐻2 e 𝑁𝐻3.

Equilíbrio Químico entre Reagentes e Produtos.

Produção de Amônia

?

𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ⇌ 2𝑁𝐻3(𝑔)

Compressão da mistura.

Aumento da pressão desloca o equilíbrio da reação no sentido de diminuir o número de moléculas de gás.

Produção Amônia.

? ?

Catalisadores

Produção Amônia.

? ?

Produção Amônia.

?

Produção Amônia.

O que é Equilíbrio?

Estrutura: Água e Gelo

Gelo + Água, 0°C

EQUILÍBRIO FÍSICO

Equilíbrio Químico

• Velocidade da formação de produtos (reação direta) é igual a velocidade da formação de reagentes (reação inversa). Implica na coexistência de reagentes e produtos na mistura.

• Caracterizado por uma composição fixa e específica do sistema (concentração ou pressão parcial). Tal composição é aquela que minimiza a variação de energia livre e fornece a constante de equilíbrio.

• É “dinâmico” (conversão reagentes em produtos é simultânea à conversão de produtos em reagentes) e responde às mudanças nas condições. Cada sistema responde de uma maneira específica e particular.

Evolução para o equilíbrio.

Dados de Equilíbrio e Constante de Equilíbrio da

Reação: 2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g) em 1000 K em

várias composições iniciais.

p(SO2) p(O2) p(SO3) p K

5,49 x 10-2 3,24 x 10-2 2,21 x 10-4 8,75 x 10-2 5,00 x 10-4

3,16 x 10-3 1,83 x 10-2 9,49 x 10-6 2,15 x 10-2 4,93 x 10-4

9,15 x 10-3 9,15 x 10-3 1,96 x 10-6 1,83 x 10-2 5,02 x 10-4

7,90 x 10-2 7,32 x 10-2 4,75 x 10-4 0,153 4,93 x 10-4

0,120 0,165 1,08 x 10-3 0,286 4,89 x 10-4

Gulberg e Waage, 1864

Constante de Equilíbrio

2

)(2)()(3

CO

gss

PK

COCOCaCO

22

)(

2

)()(2

2

OHCaK

OHCaOHCa aqaqs

2

2

2

)()()(

2

)(

Cu

ZnK

ZnCuZnCu aqssaq

Exemplos: a)

b)

c)

Relações entre Constantes de Equilíbrio.

Equação Química Constante de Equilíbrio

aA + bB ↔ cC + dD K1

cC + dD ↔ aA + bB K2 = 1/K1 = (K1)-1

naA + nbB ↔ ncC + ndD (K1)n

Relações entre K’s

Dada a reação: X2+3Y2 ↔ 2XY3 verificou-se no equilíbrio, a 1000 °C que as concentrações em moles/litro são: [X2] = 0,20 M; [Y2] = 0,20 M; [XY3] =

0,60 M.

O valor da constante de equilíbrio da reação química é de: 225,0

Uma mistura contendo 0,50 mol.L-1 de N2 e 0,80 mol.L-1 de H2 reage e alcança o equilíbrio em que concentração de amônia é 0,15 mol.L-1. Calcule a K.

278,0380,050,0

15,03

2

xx

K

)(3)(2)(2 23 ggg NHHN

N2 H2 NH3

Início 0,50 0,80 0,0

Variação -X - 3x 2x

Equilíbrio 0,50 - x 0,80 – 3x 0,15

Tem-se 3,12 g de PCl5 num recipiente de 500 mL com K= 78,3 à temperatura de 250,0 °C. Qual a composiçcão da mistura no equilíbrio?

5

23.

PCl

ClPCl

p

ppK

)(2)(3)(5 ggg ClPClPCl

PCl5 PCl3 Cl2

Início 1,30 0,0 0,0

Variação - x + x + x

Equilíbrio 1,30 - x x x

molg

g

M

mn

/4,208

12,3

barPap

m

KKmolJmolp

nRTpV

PCl

PCl

3,1103,1

105

523./3145,8

4,208

12,3

5

34

5

5

3,783,1

.

x

xxK

28,1

6,79

2

1

x

x

barp

barp

barxp

Cl

PCl

PCl

28,1

28,1

02,03,1

2

3

5

Porcentagem de decomposição = 95,0%

Adicionou-se 0,345 g de Cl2 (exercício anterior). Qual a composiçcão da mistura no equilíbrio?

)(2)(3)(5 ggg ClPClPCl

PCl5 PCl3 Cl2

Início 0,02 1,28 1,28 + 0,87

Variação + x - x - x

Equilíbrio 0,02 + x 1,28 - x 2,15 – x

molg

g

M

mn

/5,34

345,0

barp

m

KKmolJmolp

Cl

Cl

87,0

105

523./3145,801,0

2

2 34

3,7802,0

15,2.28,1

x

xxK

02,0

7,81

2

1

x

x

barxp

barxp

barxp

Cl

PCl

PCl

13,215,2

26,128,1

04,002,0

2

3

5

(1,28 – x) é uma pressão parcial.

Reações de Precipitação

𝐶𝑢𝐶𝑙2(𝑠) ⇌ 𝐶𝑢(𝑎𝑞)2+ + 2𝐶𝑙(𝑎𝑞)

− .

𝐴𝑔𝑁𝑂3(𝑎𝑞) + 𝐾𝐶𝑙(𝑎𝑞) ⇌ 𝐴𝑔𝐶𝑙(𝑠) + 𝐾𝑁𝑂3(𝑎𝑞).

Equilíbrio de Solubilidade

Aplicar conceito de Equilíbrio às soluções de sais.

Produto de Solubilidade: predizer a solubilidade de

um sal.

Insaturada Concentração de

soluto é menor que S. Qs < Ks

Saturada Concentração de soluto é igual a S.

Qs = Ks

Supersaturada Concentração de

soluto é maior que S. Qs > Ks

Coeficiente de solubilidade (S)

Máxima quantidade de soluto que é possível dissolver de uma quantidade fixa de solvente, a

determinadas temperatura e pressão

Fatores que influenciam na solubilidade

• Soluto e solvente

• Concentração (efeito do íon comum)

• Pressão

• Temperatura

• pH

• Origem do soluto e do solvente.

• Semelhante dissolve

semelhante.

Lei de Henry

Solubilidade gases vs Pressão

Mergulho em grandes profundidades - acúmulo de N2 corrente sangüínea.

Princípio de Le Chatelier

Solubilidade gases vs Temperatura

Solubilidade líquidos vs Temperatura

Efeito do Íon comum

• Usa Princípio de Le Chatelier para precipitar

íon de sal pouco solúvel.

• Adição de um 2o. Sal (ou ácido) fornece íons

(comuns) da solução.

• Solubilidade do sal origina diminui e ele

precipita.

pH

𝑍𝑛 𝑂𝐻 2(𝑠) ⇌ 𝑍𝑛(𝑎𝑞)2+ + 2𝑂𝐻(𝑎𝑞)

−

• Se 𝐻+ aumenta, ocorre consumo de 𝑂𝐻−: → solubilidade do sal aumenta.

• Se 𝑂𝐻− aumenta: → solubilidade do sal diminui.

Soluções da Ácidos e Bases Fracas

• Considerar Equíbrio entre [HA] e [A-].

• Calcular % de desprotonação.

OHHA in 3

% 100% 100 dp(%) 3

HA

OH

HA

A

Como calcular a força de um ácido?

Calcule o pH e a porcentagem de desprotonação de uma solução de 0,1 M de CH3COOH (Ka=1,8 x 10-5).

OHCOOHOHCOOHCH 3323

CH3COOH H3O+ CH3COO-

Início 0,10 0,0 0,0

Variação - x + x + x

Equilíbrio 0,1 - x x x

5108,11,0

.

x

xxKa

89,2103,1log

103,1

3

3

pH

x Porcentagem de desprotonação =

1,3%

Como calcular o Ka de um ácido fraco?

Encontre o valor de Ka para uma solução de um ácido fraco de concentração inicial de 0,010 M cujo pH em água é 2,95.

OHHAHA

AOH

in 3

3

4

2

5

3

2

33

104,10011,0010,0

0011,0

108,1

a

in

a

K

OHHA

OH

HA

AOHK

1

3

95,2

3

mol.L 0011,0

1010

OH

OH pH

Ácidos e Bases Polipróticos

76

1010

contribui.

6

3

7

3

pH

OH

OHw

• Fornecem mais de um próton, H+.

• 1a. desprotonação é quase completa.

• H2SO4, H3PO4, H2CO3, etc.

Ácidos e Bases Polipróticos

76

1010

contribui.

6

3

7

3

pH

OH

OHw

Muito diluído e/ou

Muito fraco

Considerar autoionização H2O.

• Qps < Kps : Sal dissolve.

• Qps = Kps : Equilíbrio.

•Qps > Kps : Sal precipita.