Aula de equil­brio quimico

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  1. 1. Equilbrio Qumico Um equilbrio qumico a situao em que a proporo entre os reagentes e produtos de uma reao qumica se mantm constante ao longo do tempo.
  2. 2. Claude Louis Berthollet Nacionalidade: Frana francs Nascimento: 9 de dezembro de 1748 Local: Talloires Morte: 6 de novembro de 1822 (73 anos) Local: Arcueil Atividade Campo(s): Qumica Instituies: Academia das Cincias da Frana
  3. 3. Teoricamente, toda a reao qumica ocorre nos dois sentidos: I. Dos reagentes so convertidos em produtos, e no se observa ocorrer o contrrio, so chamadas de irreversveis II. H tambm uma srie de reaes nas quais logo que certa quantidade de produtos formada, estes tornam a dar origem aos reagentes, essas reaes possuem o nome de reversveis O conceito de equilbrio qumico restringe-se s reaes reversveis.
  4. 4. Reversibilidade de Reaes Qumicas Um exemplo de reao reversvel a da produo da amnia (NH3), a partir do gs hidrognio (H2) e do gs nitrognio (N2) que faz parte do Processo de Haber. Nesta reao, quando as molculas de nitrognio e as de hidrognio colidem entre si, h certa chance da reao entre elas ocorrer, assim como quando molculas de amnia colidem entre si h certa chance de elas se dissociarem e de se reorganizarem em H2 e N2.
  5. 5. Chegar um momento em que tanto a velocidade de um dos sentidos quanto do outro sero idnticas, nesse ponto nenhuma das velocidades variar mais (se forem mantidas as condies do sistema onde a reao se processa) e ter-se- atingido o equilbrio qumico, conforme ilustrado nas figuras abaixo: Velocidade das reaes direta e inversa em funo do tempo Concentrao das substncias envolvidas em funo do tempo
  6. 6. Deve-se salientar que quando uma reao atinge o equilbrio ela no para. Ela continua se processando, porm tanto as reaes diretas como a inversa ocorrem mesma velocidade, e desse jeito a proporo entre os reagentes e os produtos no varia. Por outras palavras, estamos na presena de um equilbrio dinmico (e no de um equilbrio esttico). o Equilbrio dinmico, em fsica, o estado de um corpo que se encontra em movimento retilneo uniforme. o Equilbrio esttico o caso especial de equilbrio mecnico observado num objeto em repouso.
  7. 7. O equilbrio qumico atingido quando, na mistura reacional, as velocidades das reaes direta (reagentes formando produtos) e inversa (produtos formando regenerando os reagentes) ficam iguais. Uma vez atingido o equilbrio a proporo entre os reagentes e os produtos no necessariamente de 1:1 (l-se um para um). Essa proporo descrita por meio de uma relao matemtica. Constante de Equilbrio
  8. 8. Onde A, B, C e D representam as espcies qumicas envolvidas e a, b, c e d os seus respectivos coeficientes estequiomtricos. A frmula que descreve a proporo no equilbrio entre as espcies envolvidas :
  9. 9. Um exemplo disso a formao do trixido de enxofre (SO3) a partir do gs oxignio (O2) e do dixido de enxofre (SO2(g)) uma etapa do processo de fabricao do cido sulfrico: A constante de equilbrio desta reao dada por:
  10. 10. Lei de Guldberg-Waage
  11. 11. A velocidade de uma reao diretamente proporcional ao produto das concentraes molares dos reagentes, para cada temperatura, elevada a expoentes experimentalmente determinados. Vlida para reaes que se processam em apenas uma etapa.
  12. 12. Constante para a Soma de Reaes Se uma reao qumica pode ser expressa pela soma de duas ou mais reaes (ou etapas individuais), ento a constante de equilbrio da reao global ser a multiplicao das constantes de cada uma das reaes individuais.
  13. 13. Exemplo: Neste caso, a terceira reao igual soma da primeira mais duas vezes a segunda:
  14. 14. E a sua constante de equilbrio pode ser expressa por: Pode se perceber que caso uma reao aparea duas ou mais vezes na soma, ela aparece esse mesmo nmero de vezes na multiplicao.
  15. 15. Relao entre a Velocidade da Reao e a Constante de Equilbrio No equilbrio a velocidade tanto da reao inversa quanto a da direta so iguais. Por sua vez, a velocidade de uma reao depende de outra constante chamada de constante de velocidade (simbolizada aqui por k); e possvel encontrar uma relao entre as constantes de velocidade das reaes direta e indireta, e a constante de equilbrio.
  16. 16. Para demonstrar isso, considere-se o seguinte equilbrio genrico (supondo que as suas reaes ocorram cada qual em uma nica etapa): Agora vejamos as duas reaes que ocorrem nele, juntamente com a expresso de suas respectivas velocidades (r):
  17. 17. Uma vez que as velocidades de ambas as reaes so idnticas no equilbrio, pode-se igual-las: Rearranjando a equao, tem-se: Observemos que a expresso do membro esquerdo idntica frmula do equilbrio dessa reao. Ento podemos escrever:
  18. 18. Fatores que Alteram o Equilbrio Qumico Quando se aplica uma fora em um sistema em equilbrio, ele tende a se reajustar no sentido de diminuir os efeitos dessa fora.
  19. 19. Concentrao Considere o equilbrio qumico: Se adicionarmos mais dixido carbnico ao equilbrio, este se desloca para a direita, vejamos a razo! Aumento de CO2(g) acarreta em maior nmero de choques com C(s) e consequente aumento da velocidade da reao, o que favorece a formao de monxido de carbono CO(g). Dizemos ento que a concentrao do reagente interferiu sobre o equilbrio.
  20. 20. Presso Se considerarmos o equilbrio como sendo gasoso a uma temperatura constante, teremos um deslocamento do equilbrio no sentido de diminuir o aumento da presso. Exemplo: Repare que a soma da quantidade de mols para os reagentes (3 mol) maior do que o produto (2 mol). Um aumento de presso no sistema favorece a formao de SO3(g) porque nesse sentido h uma diminuio do nmero de mol do gs. O equilbrio tende a deslocar para o lado de menor volume (menor nmero de mol) e assim a presso tambm diminui. Se diminuirmos a presso haver uma expanso de volume dos reagentes e com isso o equilbrio desloca-se para a esquerda (maior nmero de mol).
  21. 21. Temperatura Considerando que em um equilbrio ocorre tanto reaes endotrmicas como exotrmicas, conforme a equao: Temos que: Aumento de temperatura do sistema: o equilbrio se desloca para a esquerda (Reao endotrmica), para que o calor seja absorvido e no afete o equilbrio. Diminuio de temperatura do sistema: o equilbrio deslocado para a direita. (Reao exotrmica) para compensar o calor retirado do equilbrio.
  22. 22. Equilbrio Heterogneo Quando todas as substncias envolvidas no equilbrio se encontram no mesmo estado fsico diz-se que temos um equilbrio homogneo, que o caso de todos os equilbrios apresentados aqui at ento. Analogamente, os equilbrios onde esto envolvidas mais de uma fase so chamados de equilbrios heterogneos, como o seguinte:
  23. 23. Na expresso da constante de equilbrio temos as concentraes das espcies envolvidas. A concentrao pode ser calculada dividindo-se o nmero de mols da substncia pelo volume que ela ocupa. O nmero de mols representa a quantidade de matria e, por isso, ele proporcional massa; assim o nmero de mols dividido pelo volume proporcional massa dividida pelo volume. Com isso, a expresso para a constante do ltimo equilbrio apresentado fica:
  24. 24. Equilbrio Gasoso Pela equao dos gases perfeitos tem-se que para cada gs de uma mistura gasosa: Onde Px a presso parcial de um gs x qualquer (ou seja, a presso que ele teria caso estivesse apenas ele no recipiente), V o volume ocupado pela mistura, nx o nmero de mols do gs, R a constante dos gases perfeitos, e T a temperatura em kelvin.
  25. 25. Rearranjando a equao, teremos: O membro esquerdo (nx/V) a frmula para o clculo da concentrao molar do gs. A constante R sempre a mesma e a temperatura T no varia em um sistema que permanece em equilbrio qumico, assim o nico fator que pode variar na equao em um equilbrio a presso Px. Dessa forma pode-se dizer que a concentrao do gs proporcional sua presso parcial.
  26. 26. Exemplo: Observe-se que agora a constante de equilbrio est representada por Kp, em vez de Kc (quando o clculo foi feito usando-se as concentraes dos gases). Essas duas constantes para um mesmo caso possuem valores diferentes uma da outra, ento importante especificar qual das duas se est usando quando se est lidando com um equilbrio.
  27. 27. Adio ou Remoo de reagentes (No serve para slidos) Tal resposta do equilbrio pode ser sumarizada pelo assim chamado Princpio de Le Chatelier: Quando uma perturbao externa aplicada a um sistema em equilbrio dinmico, o equilbrio tende a se ajustar para diminuir o efeito da perturbao. medida que as reaes se processam, as suas velocidades vo se aproximando at que se igualem e assim atingido novamente o equilbrio. A constante do equilbrio ser a mesma da de antes de se adicionar ou remover substncias.
  28. 28. Compresso Um equilbrio gasoso pode ser afetado pela compresso. De acordo com o princpio de Le Chatelier, com o aumento da presso o equilbrio tende a se deslocar no sentido de diminuir essa presso, o que significa favorecer a reao que resulte no menor nmero de molculas no estado gasoso. Nesse caso, a o valor da constante de equilbrio tambm no alterado. Para se observar tal efeito, considere-se esse equilbrio:
  29. 29. Se o valor de V (volume) diminuir, preciso que o nmero de mols do N2O4 aumente para que o valor da constante de equilbrio permanea o mesmo. Na reao, esse reagente representava metade do nmero de molculas do produto. O mesmo raciocnio pode ser aplicado em qualquer equilbrio gasoso.
  30. 30. Em um equilbrio, se uma reao endotrmica a outra necessariamente exotrmica, e vice-versa. Aumentar ou diminuir a temperatura far com que a velocidade de uma das reaes aumente e a da outra diminua. As velocidades das reaes se igualaro novamente depois de um tempo; porm nesse caso como temos o favorecimento e o desfavorecimento da formao de certas substncias,