equilÍbrio quÍmico - joinville.udesc.br · equilÍbrio quÍmico quando que ˇamos um pato de...

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Profa. Marcia M. Meier

QUÍMICA GERAL II


Galo meteorológico, muda de cor em função da umidade do ambiente.


Quando queimamos um palito de fósforo, a combustãoprocessa-se até que toda a madeira seja consumida, cessando areação. Esse tipo de reação é denominadade “irreversível”, pois se processa em um único sentido: o deconsumo dos reagentes.Na reação irreversível os reagentes são totalmente consumidosNa reação irreversível os reagentes são totalmente consumidosou pelo menos um deles (limitante).

Porém, existem várias reações em nosso cotidiano quesão reversíveis, ou seja, tanto os reagentes quanto osprodutos são consumidos e formados simultaneamente.Portanto, as reações de ida e volta processam-sesimultaneamente.


As reações químicas reversíveis atingem o equilíbrio quando as

velocidades da reação de ida = velocidade da reação de volta

Diz-se que há um equilíbrio dinâmico.

No Equilíbrio Dinâmico não há um momento sequer em que o “objeto de estudo” esteja parado. No equilíbrio químico, reagentes transformam-se em produtos e produtos voltam à reagentes com a mesma velocidade, de modo

que não se percebe uma mudança nas concentrações das espécies presentes.


Concentrações de produtos e reagentes coexistem sem alteração de concentração


No equilíbrio, a quantidade de produtos e reagentes não se altera,

mas as reações diretas ( →) e inversa (←) continuam a ocorrer, porém na

mesma velocidade.


Considere uma reação genérica: A → B, mas A ← B

Co

nce

ntr

ação

A A

Co

nce

ntr

ação

B B

Concentrações não se modificam ao atingir o

equilíbrio

Velocidades das reações são iguais ao atingir o equilíbrio.


• Considere o processo de Haber:

• Se começarmos com uma mistura de nitrogênio ehidrogênio (em quaisquer proporções), a reação

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

hidrogênio (em quaisquer proporções), a reaçãoalcançará o equilíbrio com uma concentração constantede nitrogênio, hidrogênio e amônia.

• No entanto, se começarmos apenas com amônia enenhum nitrogênio ou hidrogênio, a reação prosseguiráe N2 e H2 serão produzidos até que o equilíbrio sejaalcançado.


Equilíbrio atingido partindo de H2/N2 na proporção 3/1

Equilíbrio atingido partindo de NH3

Não importa a composição inicial de reagentes e produtos, amesma proporção de concentrações é alcançada no equilíbrio.

EQUILÍBRIO QUÍMICO E ∆G

Na reação reversível:O sistema chega ao equilíbrio quando atinge sua energia de Gibbs mínima.

Na reação Irreversível:

A reação direta e inversa são espontâneas para síntese daamônia! Portanto, é uma reação reversível (em vermelho).

Na reação Irreversível:O ∆G mínimo é atingido quando os reagentes são convertidos completamente a produtos

A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

Em 1864, Cato Maximilian Guldberg e Peter Waage postularama Lei da Ação da Massa que relaciona as atividades oupressões parciais dos reagentes e produtos presentes noequilíbrio em qualquer reação.

Atividade (a): representa a população de espécies químicasAtividade (a): representa a população de espécies químicasrealmente ativas para reagir. Portanto, parte das espécies nãoestão ativas.

A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO TERMODINÂMICA

Considere: aA + bB cC + dD

Para soluções de Concentração molar: Para gases:

Sendo que [A] o = 1 mol/L e Po = 1 bar

Para soluções Para gases

Adimensional!


Para soluções Para gases

Exercício:Exercício:Escreva as expressões das constantes termodinâmicas para as reações:

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

b) 2O3(g) 3O2 (g)

c) NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)


NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)

Solvente: sua concentração praticamente não muda ao longo da reação;

G = Go então sua atividade (a) = 1G = G então sua atividade (a) = 1

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

Substâncias sólidas: está presente na forma pura, não dissolvida, portanto não há alteração de concentração;

G = Go então sua atividade (a) = 1

• Quando todos os reagentes e produtos estão em uma fase, o equilíbrio é homogêneo.

• Se um ou mais reagentes ou produtos estão em uma fase diferente, o equilíbrio é heterogêneo.

• Considere:CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)


– experimentalmente, a quantidade de CO2 não parece depender das quantidades de CaO e CaCO3. Por quê?

• A concentração de um sólido ou um líquido puro é sua densidadedividida pela massa molar.

• Nem a densidade nem a massa molar é uma variável, as concentraçõesde sólidos e líquidos puros são constantes.



Kc Kp KConstante de equilíbrio em termos de concentrações

Constante de equilíbrio em termos de pressões

Constante de equilíbrio em termos de atividades

Tipos de constantes de equilíbrio:

concentrações atividades

Unidades em termos de concentração, mol/L

Unidades em termos de unidades de pressão, Pa, bar, mmHg

Sem unidades (atividades sãoadimensionais)

Usada para reações em solução

Usada para reações na fase gasosa

Usada para todas as reações


O equilíbrio pode ser perturbado de diferentes maneiras

Aquecimento


Exercício:Determine a constante de equilíbrio para a reação abaixo:N2O4 (g) 2NO2(g)

Diversos experimentos foram realizados partindo de diferentes concentrações, cujos valores obtidos são:

42

2

ON

2NO ==

P

PKP


RELAÇÃO ENTRE KP E KC

Como transformar Kp em Kc?

Muitos carbonatos de metais, como o calcário, decompõem-se quando aquecidos, formando óxido metálico e gás:

RELAÇÃO ENTRE KP E KC

Como transformar Kp em Kc?

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

Kp em KcKp = 5,8 x 105

∆n= 2(mols produto) – 4(mols reagentes)= -2

Generalizando:

Kc = 3,5 x108

SIGNIFICADO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

Quando nominador = denominador K = 1

Quando nominador > denominador K >1 produto – favorecida

Quando nominador < denominador K<1 reagente - favorecida

RELAÇÃO ENTRE K E ∆G

RELAÇÃO ENTRE K E ∆G

Exercício: Experimentalmente o metanol é sintetizado usando a reação a seguir. Calcule a constante de equilíbrio para a reação a 298K.

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)

∆Gfo CO(g)= -137,2 kJ/mol; CH3OH(g)= -162,0 kJ/mol

Resposta; ∆GRo = -24,8 Kj/mol, lnK = 10,01, K = 2,2x104.

Chemistry3 pg. 334


Determinando o sentido de reação• Para uma reação, a constante de equilíbrio, K, tem um valor numérico

particular quando os reagents e produtos estão em equilíbrio.Entretanto, quando os reagents e produtos em uma reação não estãoem equilíbrio é conveniente calcular o quociente de reação, Q.

• Definimos Q, o quociente da reação, para uma reação geral que não está• Definimos Q, o quociente da reação, para uma reação geral que não estáno equilíbrio

• Q = K somente no equilíbrio.

aA + bB cC + dD

ba

dc

PP

PPQ

BA

DC=

Ou concentrações.Diferença com K:Concentrações emqualquer ponto àmedida que a reaçãotranscorre.

DIREÇÃO DA REAÇÃO

Determinando o sentido de reaçãoVantagens do uso de Q:

1) Q informa se uma reação está em equilíbrio (quando Q=K)

2) Ao comparar Q e K podemos prever quais das mudançasocorrerão nas concentrações de reagentes e produtos, antes doequilíbrio ser atingido:

Q>K

Q<K Q=K

Q>K

Exemplo:a) Qual será a concentração de equilíbrio do isobutano quando a [butano]equilíbrio = 0,8 mol/L?[isobutano] = K[butano] = 2,50 x 0,80 mol/L = 2,0 mol/L

B) Agora suponha que ao acompanhar a reação ao longo do tempo, em determinado


reação ao longo do tempo, em determinado momento, fora do equilíbrio, você coletou amostras e encontrou [butano] = 3 mol/L e [isobutano]= 4 mol/L a 298K. Qual será o valor de Q?Q = 4,0 / 3,0 = 1,3

Avalie se neste instante a reação direta ou inversa é favorecida.Como Q<K então a reação é produto-favorecida.

DETERMINANDO A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

Quando os valores experimentais das concentrações de todos os reagentes e produtos no equilíbrio são conhecidos, pode-se calcular uma constante de equilíbrio substituindo-se os dados na expressão da constante de equilíbrio.

Exercício 1:Considere a reação de oxidação do dióxido de enxofre:

2SO2 (g) + O2(g) 2SO3(g)

Em um experimento realizado a 852 K, determina-se que as concentrações no equilíbrio são [SO2] = 3,61 x 10-3 mol/L, [O2] = 6,11 x 10-4 mol/L e [SO3]= 1,01 x 10-2 mol/L. Determine o valor de K.

K = 1,28 x 104 a 852 K

MANIPULANDO AS CONSTANTES DE EQUILÍBRIO

1) As reações químicas diretas e inversas são recíprocas entre si e as constantes de equilíbrio também são relacionadas.COMO?

2SO2 (g) + O2(g) 2SO3(g) a 852 K Kdireta = 1,28 x 104

2SO3(g) 2SO2 (g) + O2(g) a 852 K Kinversa= 7,81 x 10-5


2) Ao multiplicarmos uma equação química por um fator x, K será elevado a este fator x.Por exemplo:

N2O4(g) 2NO2(g) 46.6

42

2

ON

2NO ==

P

PKeq

x2

2N2O4(g) 4NO2(g) 73,412

ON

4NO2

42

2 ===P

PKK eqeq

x2


3) Ao somarmos equações químicas (Lei de Hess) as constantes de equilíbrio são multiplicadas.Por exemplo:

AgCl(s) Ag+(aq) + Cl-(aq) K1 = [Ag+].[Cl-]= 1,8 x 10-10

Ag+(aq) + 2NH3(aq) Ag(NH3)2+(aq)

Reação Global: AgCl(s) + 2NH3(aq) Ag(NH3)2+(aq) + Cl-(aq)

= 2,9 x 10-3


Resumindo• A constante de equilíbrio para o sentido inverso é o inverso daquela para o

sentido direto.

• Quando uma reação é multiplicada por um número, A constante de equilíbrio é elevada àquela potência.elevada àquela potência.

• A constante de equilíbrio para uma reação que é a soma de outras reações é o produto das constantes de equilíbrio para as reações individuais.

PERTURBANDO O EQUILÍBRIO – PRINCÍPIO DE LE CHATELIER

Qual o desejo de um químico?

Atingir o máximo rendimento possível em uma reação química!


Fatores que interferem no equilíbrio


Se a concentração de um reagente ou produto é alterada em uma reação a temperatura constante, o sistema será perturbado. No entanto, o equilíbrio será restabelecido e as concentrações de produtos e reagentes serão diferentes da situação inicial, mas o valor da constante K não altera.

EFEITO DA ADIÇÃO/REMOÇÃO DE COMPONENTES

valor da constante K não altera.

Suponha que o equilíbrio da reaçãotenha sido estabelecido em umfrasco de 1,0 L com 0,500 mol/L debutano e 1,25 mol/L de isobutano.Em seguida 1,50 mol/L de butanosão adicionados. Quais serão asconcentrações de butano e deisobutano quando o equilíbrio érestabelecido?


EFEITO DA ADIÇÃO/REMOÇÃO DE COMPONENTES

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

O que ocorre se removermos constantemente a NH3 produzida?


TEMPERATURA BAIXA TEMPERATURA ELEVADA

EFEITO DA TEMPERATURA

+ calor

∆H>0



Somos rodeados por N2 e O2 e sabemos que não ocorre reação entre estes elementos em condições ordinárias. Em qual situação é possível que ocorra reação?

N2(g) + O2(g) 2NO(g) ∆Horeação = +180,6 kJ N2(g) + O2(g) 2NO(g) ∆H reação = +180,6 kJ

K Temperatura

4,5 x 10-31 298K

6,7 x 10-10 900K

1,7 x10-3 2.300K

N2(g) + O2(g) + calor 2NO(g)



2SO2 (g) + O2(g) 2SO3(g) ∆Horeação = -198 kJ

Se a temperatura aumentar como a reação abaixo será perturbada?



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

O que ocorre se aquecermos o sistema?Lembrando que a reação é exotérmica:

+ calor

Dados experimentais



Reação exotérmica--------------equilíbrio desloca-se para gerar mais reagentes

Reação endotérmica------------equilíbrio desloca-se para gerar mais produtos

AUMENTANDO A TEMPERATURA:

Van´t Hoff encontrou uma relação entre os parâmetros termodinâmicos, T e K:

Ao igualar ∆Gr = ∆Hr -T ∆Sr com ∆Gr = - RT lnK

Ao analisar lnK1 – lnK2 e considerando que a entropia é constante no intervalo de temperatura considerado, obtém:

Equação de Van´t Hoff



Exemplo: A constante de equilíbrio para a reação2NO(g) N2O4(g)

Foi medida em uma faixa de temperaturas. Os resultados são apresentados na tabela. Calcule ∆H e ∆S da reação a partir do gráfico de lnK vs. 1/T


EFEITO DA PRESSÃO/VOLUME

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

O que ocorre se aumentarmos a pressão no sistema?

4 moles de gás 2 moles de gás4 moles de gás 2 moles de gás

Ao aumentarmos a pressão as moléculas estarão mais próximas para se chocarem e reagirem, além disso a reação direta (geração de amônia) gera menos gás que o lado esquerdo da reação (reagentes), portanto o sistema tenderá a aumentar rendimento aumentando a pressão.

AUMENTO DA PRESSÃO DESLOCA A REAÇÃO PARA O MENOR VOLUME GASOSO!



Exercício:O que ocorrerá a esta reação quando a pressão for aumentada à mesma temperatura?

PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)

equilÍbrio quÍmico - joinville.udesc.br · equilÍbrio quÍmico quando que ˇamos um pato de...

Documents