1

Equilíbrio Químico

As reações químicas ocorrem somente quando as espécies químicas:

• Colidem;

• Estão com uma configuração adequada no momento da colisão;

• Colidem com energia suficiente para fornecer a energia de ativação (para

poder romper as ligações).

A taxa de uma reação química é o tempo que é utilizado, em segundos, para que

uma quantidade específica de reagente seja usada ou produto seja formado.

Taxa de uma reação = mol dm-3 s-1

Reações químicas podem ser afetadas por vários fatores tais como:

- variação na temperatura;

- variação na concentração dos reagentes em solução;

- variação na área superficial dos reagentes sólidos;

- variação na pressão em sistemas gasosos;

- uso ou não de catalisadores;

- presença ou não de luz.

Experimentação tem nos mostrado que o aumento da temperatura tem um grande

efeito na taxa da reação química.

Para muitas reações a taxa dobra para cada aumento de 10o C na temperatura.

Porque a temperatura tem um efeito tão grande na taxa da reação?

Aumentando a temperatura aumenta a energia cinética (KE) das partículas em

reação, e então vai haver mais colisões entre as partículas, mais importante ainda, as colisões

terão maior energia.

A relação entre energia cinética (KE) e velocidade das partículas (v) é dada pela

equação:

KE = ½ m v2

e desde que a massa das partículas (m) é constante para cada reação,

2

KE α v2

Se, v = 4, KE α 42 = 16

Se, v = 8, KE α 82 = 64

Dobrando a velocidade das partículas, quadruplica a energia cinética das mesmas.

Então, aumentos relativamente pequenos na temperatura têm um grande efeito na

energia cinética e portanto na taxa da reação.

Supor a reação química:

A + B C + D

A e B são reagentes da reação

C e D são produtos da reação

A seta, , indica que a reação é irreversível, isto é, só ocorre em um sentido, dos

reagentes para os produtos, neste caso. Ela pode ser direta (sentido dos reagentes para os

produtos) ou inversa (dos produtos para os reagentes).

Se tivermos outra reação do tipo:

A + B C + D

As setas, , em ambos os sentidos, indicam que a reação é reversível, isto é,

ocorre tanto no sentido dos reagentes para os produtos como destes para os reagentes. Neste

caso, dizemos que a reação estabelece um equilíbrio químico.

Este equilíbrio químico da reação vem a ser um equilíbrio dinâmico, isto é, a

velocidade da reação no sentido direto (vd) se iguala a velocidade da reação no sentido inverso

(vi).

vd = vi

Em uma reação química em equilíbrio, as concentrações dos reagentes e dos

produtos estão em estado estacionário, isto é, elas não estão mudando.

O conceito que descreve o equilíbrio químico, em termos quantitativos, foi proposto

pelos químicos noruegueses Cato Guldberg e Peter Waage em 1864, e foi chamado de Lei da

Ação das Massas: “a velocidade de uma reação química é diretamente proporcional às

concentrações dos reagentes”.

3

Observaram que o fator importante na determinação da velocidade ou taxa de uma

reação química não é apenas a quantidade de reagente, mas sim a quantidade de reagente por

unidade de volume.

Para um equilíbrio químico na forma de:

aA + bB cC + dD

o quociente da reação:

[C]c [D]d Qc = ---------------

[A]a [B]b

avaliado através das concentrações molares em equilíbrio (simbolizadas por [ ]) dos reagentes e

produtos, é igual a uma constante, Kc, a qual tem valor específico para uma dada reação

química e temperatura.

O valor da constante de equilíbrio, Kc, indica a extensão com que a reação química

favorece os reagentes ou os produtos no equilíbrio químico.

Equilíbrio químico no qual todas as substâncias que fazem parte da reação são de

mesma fase ou estado físico é chamado de equilíbrio químico homogêneo.

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

Processo Haber de síntese de amônia

O equilíbrio químico heterogêneo é aquele no qual uma substância, no mínimo, está

em uma fase diferente das outras.

Ex: H2O(l) H2O(g)

CaCl2(s) Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq)

Fatores que influem no equilíbrio químico

Se uma reação química está em equilíbrio, ela vai tender a permanecer no equilíbrio

e se ela não estiver em equilíbrio ela vai tender a alcançar o equilíbrio.

Quando se altera o estado de equilíbrio químico por uma ação direta, como o

aumento da concentração de um dos reagentes, o sistema reage no sentido de minimizar esta

alteração (Principio de Henri LeChatelier: “Quando um sistema químico está em equilíbrio e é

submetido a alguma perturbação, o sistema se ajusta no sentido de aliviar esta perturbação e

restaurar o equilíbrio no sistema”).

4

• Efeito da adição de reagentes

Em uma solução mais concentrada há mais partículas as quais também estão mais

próximas, então, as chances de colisão aumentam, e a taxa da reação aumentará.

5 g de sal 5 g de sal

Solução mais diluída Solução mais concentrada

O efeito da adição de reagentes a uma reação química em equilíbrio, é para

aumentar a concentração ou pressão parcial dos produtos. O efeito da adição de produtos a uma

reação química em equilíbrio é o inverso da adição de reagentes, ou seja, vai ocorrer o aumento

da regeneração da concentração ou pressão parcial dos reagentes.

Ex: Reação de síntese de Haber, para produção de amônia:

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

Supor a adição de H2(g) (reagente) na reação:

Aumentando a concentração de um dos reagentes, a reação se desloca para a direita,

no sentido de consumir este adicional, produzindo mais amônia (Principio de LeChatelier) e

com conseqüente diminuição de N2(g) e H2(g).

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

Inversamente, se adicionarmos amônia (produto) na reação:

O equilíbrio químico então vai se ajustar para minimizar este efeito e a reação vai se

deslocar para a esquerda:

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

Exercícios

Indique o sentido de deslocamento da reação quando variarmos a adição de

reagentes nas seguintes reações em equilíbrio:

a) CO(g) + 2 H2(g) CH3O(g) Adição de CO

b) PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) Adição de PCl3

5

c) N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Adição de H2

d) CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) Adição de H2

e) 4 NO(g) + 6 H2O(g) 4 NH3(g) + 5 O2(g) Adição de H2O

f) 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g) Adição de SO3

g) 2 NCl3(g) N2(g) + 3 Cl2(g) Adição de Cl2

h) CH3COOH(aq) H+(aq) + CH3COO-

(aq) Adição de CH3COOH

i) C2H6(g) H2(g) + C2H4(g) Adição de H2

• Efeito da pressão

Onde há maior pressão as partículas estarão mais próximas e as chances de colisão

aumentarão e as reações ocorrem mais rapidamente.

Menor pressão Maior pressão

Todos os equilíbrios químicos são afetados em alguma extensão pela pressão

exercida no sistema, porém, na maioria dos casos a constante de equilíbrio varia muito pouco

com a pressão. Quando gases estão envolvidos na reação em equilíbrio, o efeito da pressão se

torna mais significativo.

- Quando há aumento na pressão, a reação se desloca no sentido onde houver

menor número de moléculas de gás.

- Quando há diminuição na pressão, a reação se desloca no sentido onde houver

maior número de moléculas de gás.

- Quando não há mudança no número de moléculas no sistema em equilíbrio, a

variação na pressão não afeta o sistema.

Exercícios:

Indique o sentido de deslocamento da reação quando variarmos a pressão nas

seguintes reações em equilíbrio:

o o o o o ..

6

a) N2O4(g) 2 NO2(g) Diminuição

b) PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g) Diminuição

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

d) 2 CO(g) + O2(g) 2 CO2(g) Diminuição

e) N2(g) + O2(g) 2 NO(g) Aumento - não altera

f) 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) Diminuição

g) C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) Diminuição

h) 2 N2O(g) 2 N2(g) + O2(g) Aumento

i) 2 HBr(g) H2(g) + Br2(g) Aumento - não altera

j) CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) Aumento - não altera

k) CO(g) + H2O(l) CO2(g) + H2(g) Aumento

l) 4 FeS(s) + 7 O2(g) 2 Fe2O3(s) + 4 SO2(g) Aumento

m) 4 NH3(g) + 5 O2(g) 4 NO(g) + 6 H2O(l) Diminuição

n) C(s) + O2(g) CO2(g) Diminuição - não altera

• Efeito no volume

Quando gases estão envolvidos na reação em equilíbrio, o efeito do volume se torna

mais significativo.

- Quando há aumento no volume, a reação se desloca no sentido onde houver

maior número de moléculas de gás.

- Quando há diminuição no volume, a reação se desloca no sentido onde houver

menos número de moléculas de gás.

- Quando não há mudança no número de moléculas no sistema em equilíbrio, a

variação no volume não afeta o sistema.

Exercícios

Indique o sentido de deslocamento da reação quando variarmos o volume nas

seguintes reações em equilíbrio:

7

a) PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) Diminuição

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

c) 2 CO(g) + O2(g) 2 CO2(g) Diminuição

d) H2(g) + I2(g) 2 HI(g) Aumento - não altera

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

f) C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) Aumento

g) CO(g) + H2O(l) CO2(g) + H2(g) Aumento

h) 4 FeS(s) + 7 O2(g) 2 Fe2O3(s) + 4 SO2(g) Aumento

i) 4 NH3(g) + 5 O2(g) 4 NO(g) + 6 H2O(l) Diminuição

j) C(s) + O2(g) CO2(g) Diminuição - não altera

• Efeito da Temperatura

Alterações na temperatura de uma reação química perturbam o sistema em equilíbrio e

como conseqüência há alteração também no valor da constante de equilíbrio, a qual é

dependente da temperatura. Assim sendo, aquecendo ou esfriando um sistema em equilíbrio,

vai resultar em mudança no sentido da reação para a direita ou para a esquerda dependendo se a

reação é exotérmica ou endotérmica.

Reação exotérmica (a maioria das reações tendem a ser deste tipo) é descrita do

seguinte modo:

Reagentes Produtos + Energia (calor)

Se aumentarmos a temperatura no sistema, isto envolve a adição de calor na reação.

Isto é o mesmo que aumentar o produto da reação (Uma vez que energia aparece no lado direito

da equação, então ela pode ser considerada como produto). Assim sendo, a reação vai tender a

se deslocar para a esquerda no sentido de consumir este calor adicional (Lei de Chatelier),

fazendo com que diminua a concentração dos produtos e aumente a concentração de reagentes.

Diminuindo a temperatura de uma reação exotérmica em equilíbrio irá ter, como conseqüência,

um efeito inverso.

Reação endotérmica é descrita do seguinte modo:

Reagentes + Energia (calor) Produtos

8

A energia ou calor pode ser considerado como parte da reação, neste caso como um

dos reagentes. Aumentando a temperatura da reação endotérmica em equilíbrio, a reação se

desloca para a direita no sentido de maior formação de produtos. O inverso ocorre se

diminuirmos a temperatura.

Exercícios

Indique o sentido de deslocamento da reação quando variarmos a temperatura nas

seguintes reações em equilíbrio:

a) H2(g) + Cl2(g) 2 HCl(g) + 44.184 kj Diminuição

b) 50,2 kj + H2(g) + I2(g) 2 HI(g) Diminuição

c) CH4(g) + 2 O2(g) CO(g) + 2 H2O(l) + 887 kj Aumento

d) C(s) + O2(g) CO2(g) + 393 kj Diminuição

e) N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) + 46 kj Aumento

f) 2376 kj + 8 SO2(g) S8(s) + 16 O2(g) Diminuição

g) 75,3 kj + CH4(g) C(s) + 2 H2(g) Aumento