UNIDADE 1 –QUÍMICA E INDÚSTRIA: Equilíbrios e Desequilíbrios

1.4. Produção Industrial de Amoníaco

Extensão d

a re

acção R

eve

rsibilid

ade d

a re

acção E

quilíbrio

Quím

ico

Quociente de Reacção

Relação entre Q e Kc

Relação entre Kc e extensão

Equilíb

rio Dinâm

ico

Constante equilíbrio

Principio de Le Châtelier

Reacção Completa

A(g)+2B(g) AB2(g) Reagente em excesso

Início da reacção Final da reacção

Produto de reacção

16-04-2012

Exemplos de Reacções Completas

Combustão do Carvão

C(s) + O2 CO2(g)

C O2 CO2 C CO2 O2

O oxigénio esgotou-se apesar de ainda haver Carvão.

A reacção termina.

t

C

t

C

Há esgotamento total de pelo menos um dos reagentes ou fica com uma concentração não mensurável

16-04-2012

Reacção Incompleta

A(g)+2B(g) AB2(g)

Nenhum dos reagente se esgota na totalidade.

Início da reacção Final da reacção

Produto de reacção

16-04-2012

Exemplos de Reacções Incompletas

Síntese do amoníaco

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

N2 H2 NH3 N2 NH3 H2

No final existe uma mistura de todos os reagentes e produtos.

C C

t t

16-04-2012

Qual será o motivo disto acontecer?

2NO2(g) N2O4(g) ∆H=-57 kJ.mol-1 castanho incolor

16-04-2012

Porque os óculos foto cromáticos mudam de cor? Porque motivo o resto de refrigerante que fica muito tempo dentro do congelador apresenta gosto diferente? Como funcionam os testes de humidade caseiro?

16-04-2012

Óculos Fotocromáticos: óculos que possuem lentes que

mudam de cor, conforme a intensidade luminosa.

A reação que ocorre nas lentes dos óculos é a seguinte: AgCl(s) + Energia Ag+(aq) + Cl-(aq)

hf

Refrigerantes com gás no congelador

H2CO3(aq) + Energia H2O(l) + CO2(g)

Formação de H2CO3 diminuição da concentração de CO2 T

Alteração do sabor 16-04-2012

[CoCl4]2- + 6 H2O [Co(H2O)6]

2+ + 4Cl-

Reacções Químicas Reversíveis: são transformações químicas em que os reagentes formam os produtos da reacção e estes reagem entre si para formar reagentes.

Reacção Directa

Reacção Inversa

As duas reacções:

-ocorrem simultaneamente

-podem ter velocidades diferentes

-ocorrem em condições diferentes

Reagentes Produtos

Produtos Reagentes

16-04-2012

EXERCÍCIO DE AULA

(30 minutos)

Condições de trabalho:

- Grupos de 3 pessoas no máximo

- Entrega de um documento por grupo

Tema: Reversibilidade

16-04-2012

E o acontecerá se o sistema reaccional passar a ser fechado?

16-04-2012

16-04-2012

E o acontecerá se o sistema reaccional passar a ser fechado?

A B

Gráfico Concentração versus Tempo

-A concentração do reagente A vai diminuindo e a do produto B vai aumentando

-A partir do instante t, detecta-se que a composição quantitativa da mistura reaccional permanece constante.

Gráfico Velocidade versus Tempo

-A rapidez do consumo de A vai diminuir ao longo do tempo, enquanto a rapidez da formação B vai aumentando.

-As velocidades das reacções directa e inversa atingem o mesmo valor.

Atinge-se o Estado de Equilíbrio 16-04-2012

Equilíbrio Químico Estático ou Dinâmico?

Dinâmico: A reacção não pára!

A reacção continua a ocorrer nos 2 sentidos. 16-04-2012

Caracterização do Equilíbrio Químico

Macroscopicamente:

- Ocorre em sistema fechado

- Os intervenientes não se esgotam no decorrer do tempo

- Não há nenhuma alteração de qualquer propriedade microscópica (cor, composição qualitativa e quantitativa do sistema…)

- Atinge-se independentemente de se partir dos reagentes e produtos.

Submicroscopicamente:

- As reacções directa e inversa continuam a processar-se, ambas com a mesma rapidez (Equilíbrio Dinâmico)

- Responde a alterações nas condições de equilíbrio até alcançar uma nova situação de equilíbrio

Início Fim

Copo 1 K2Cr2O7(s) + água (Tamb) K2Cr2O7(s) K+(aq) + Cr2O7 2-(aq)

Copo 2 K+(aq) + Cr2O7 2-(aq) (Televada) K+(aq) + Cr2O7

2-(aq) K2Cr2O7(s)

16-04-2012

Situações Reversíveis de Não-Equílibrio

Transformação reversível de Diamante e Grafite

C diamante Cgrafite Velocidade das reacções tão

lentas que nunca chegam a atingir o equilíbrio

Transformação reversível do Ozono

3O2 2O3 Velocidade da reacção directa e inversa nunca se igualam porque dependem de factores externos. -A reacção directa depende do nº de fotões UV

que irão quebrar a ligação O=O

- A reacção inversa é acelerada devido à presença de radicais livres

16-04-2012

Classificação de Equilíbrio Químico em função do número de fases

Homogéneo: Todos os componentes encontram-se na

mesma fase

Heterógéneo: Pelo menos dois componentes da mistura reaccional encontram-se em

fases distintas

NH3(aq)+H2O(l) NH4+(aq)+ HO-(aq) AgCl(s) Ag+(aq) + Cl-(aq)

Fase ≠ Estado Físico 16-04-2012

EXERCÍCIO DE AULA

(20 minutos)

Condições de trabalho:

- Grupos de 3 pessoas no máximo

- Entrega de um documento por grupo

Tema: Constante de equilíbrio químico

16-04-2012

Constante de Equilíbrio Químico

aA + bB cC + dD, à temperatura T

CONCLUSÕES:

1. Estado de equilíbrio ≠ Constante de Equilíbrio

2. Existem infinitos estados de equilíbrio, mas só uma Kc para a mesma T

3. O valor da Constante de Equilíbrio:

- Depende da estequimetria da reacção

- Depende da temperatura

- Não depende da composição inicial do sistema reaccional

4. A composição do sistema num estado de equilíbrio:

- Não depende da estequiometria da reacção

- Depende da temperatura

- Depende da composição inicial do sistema reaccional

Adimensional

be

a

e

d

e

c

e

BA

DCKc

16-04-2012

EXEMPLO 1

2

2

2

cNOCl

Cl]NO[K

Quantidade Química /mol

NOCl NO Cl2

ni 2,00 0,00 0,00

∆n -2x +2x x

ne 2,00-2x

2,00-2x0,33=1,34

2x

0,66

x

0,33

Concentração de equilíbrio/mol.dm-3

1,34 = 1,34

1

O,66 = 0,66

1

0,33 = 0,33

1

Num reactor de capacidade 1,00 L, colocaram-se 2,00 mol de NOCl que vão reagir segundo a equação química 2NOCl(g) 2NO(g) + Cl2(g). Quando se atingiu o equilíbrio, a quantidade química de monóxido de azoto (NO) era de 0,66 mol. Calcular a constante de equilíbrio Kc, a 25ºC, para esta reacção.

A partir da estequiometria da reacção, pode concluir-se que: - quando se forma 2x mol de NO, reagem 2x mol de NOCl; - quando se forma 2x mol de NO, formam-se x mol de Cl2

16-04-2012

Como se pode saber se o sistema está ou não em equilibro a uma determinada temperatura?

aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g), à temperatura T

Macroscopicamente pode não ser observável nenhuma alteração, mas o sistema pode não estar em equilíbrio químico.

ba

dc

BA

DCQ

Se Q = Kc o sistema está em equilíbrio

Se Q ≠ Kc o sistema não está em equilíbrio

be

a

e

d

e

c

e

BA

DCKc

Os sólidos e líquidos não entram

16-04-2012

Se

Q ≠ Kc

Se

Q = Kc

Q < Kc

Q > Kc

O sistema está em equilíbrio químico e por isso não irá evoluir para nenhum dos sentidos

O sistema vai evoluir no sentido directo

O sistema vai evoluir no sentido inverso 16-04-2012

Constante de Equilíbrio Químico versus Extensão das Reacções

Situações de Kc Situação no equilíbrio

1. Valores elevados de Kc (Kc >>1)

H2(g) + I2(g) 2HI(g) Kc = 4,0x1031 a 300 K

Domínio dos produtos sobre os reagentes, o que implica maior extensão da reacção directa

2. Valores Intermédios de Kc

2BrCl(g) Br2(g) + Cl2(g) Kc = 5 a 100K

Não há predominância de reagentes sobre os produtos ou vice-versa. A extensão das duas reacções é idêntica

3. Valores Pequenos de Kc (Kc <<<1)

Fe2(g) 2Fe(g) Kc = 7,3x10-13a 500 K

Domínio dos reagentes sobre os produtos, o que implica maior extensão da reacção inversa

Extensão ≠ Rapidez 16-04-2012

Metodologia para a resolução de exercícios envolvendo equilíbrio químico

É dada a Reacção Química Não

Procurar equação da reacção Escrever a equação da reacção

Sim

Escrever a expressão de Kc A reacção está em equilíbrio?

Sim Não

São dadas as concentrações iniciais ou de equilíbrio?

Determinar Kc

Equilíbrio Iniciais

Introduzir as concentrações de

equilíbrio na expressão de Kc e

resolver

Determinar concentrações de equilíbrio usando a estequiometria e o

método x

Comparar com o Kc

para ver o sentido da evolução da

reacção

16-04-2012

22

2][

HCO

OHCOKc

EXEMPLO 1

Introduzem-se num reactor de V dm3, 1 mol de cada componente reaccional, à temperatura de 1070ºC. A reacção química tem Kc = 0,90 e pode ser traduzida pela seguinte equação: CO2(g) + H2 (g) CO(g) + H2O(g).

Determinar a composição do sistema quando se atingiu o equilíbrio químico.

001001001

001001

22

2 ,

V

,

V

,V

,

V

,

HCO

OH]CO[Q

Quantidade Química /mol

CO2 H2 CO H2

ni 1,00 1,00 1,00 1,00

∆n +x +x -x -x

ne 1,00+x 1,00+x 1,00-x 1,00-x

Concentração de equilíbrio/mol.dm-3

1,00+x

V

1,00+x

V

1,00-x

V

1,00-x

V

O sistema reaccional evolui no sentido inverso

> Kc

16-04-2012

Quantidade

Química /mol

NOCl NO Cl2

ni 2,00 0,00 0,00

∆n -2x +2x x

ne 2,00-2x

2,00-2x0,66=

1,34

2x

0,66

0,33

Concentração de equilíbrio/mol.d

m-3

1,34 = 1,34

1

O,66 = 0,66

1

0,33 = 0,33

1

22

2][

HCO

OHCOKc

EXEMPLO 1

mol,,,)OH(n)CO(n

mol,,,)H(nCOn

xv,x

)x,(,x)x,(,

V

x,

V

x,V

x,

V

x,

HCO

OH]CO[Kc

ee

ee

790260001

0310260001

380260

0019000190001001

001001

2

22

22

22

2

Composição no equilíbrio

mol,,,)OH(n)CO(n

mol,,,)H(nCOn

xv,x

)x,(,x)x,(,

V

x,

V

x,V

x,

V

x,

HCO

OH]CO[Kc

ee

ee

790260001

0310260001

380260

0019000190001001

001001

2

22

22

22

2

16-04-2012

EXERCÍCIO DE AULA

(45 minutos)

Condições de trabalho:

- Grupos de 2/3 pessoas no máximo

- Entrega de um documento por grupo

Tema: Princípio de Le Châtelier

16-04-2012