O conceito de equilíbrio sob a perspectiva da cinética química

Uma maneira possível de se trabalhar o conceito de equilíbrio químico nas aulas de químicas é utilizando uma abordagem que fundamenta o estado de equilíbrio sob a perspectiva da cinética química. O objeto de estudo da cinética química é a velocidade com que as reações químicas acontecem e os fatores externos que afetam essa velocidade (KOTZ, 2005). Esses fatores permitem aos químicos interferirem nos processos, tornando-os mais rápidos ou mais lentos. Alguns desses fatores são os catalisadores, a temperatura, a concentração dos reagentes e outros.

É também de interesse da cinética química compreender os mecanismos das reações químicas, que são os percursos seguidos pelos átomos e substâncias durante a ocorrência das reações ou o caminho pelo qual os reagentes se transformam em produtos. As reações podem ocorrer em uma ou várias etapas. Cada etapa é chamada de processo elementar, ou seja, é um evento simples no qual algum tipo de transformação acontece (MAHAN; MYERS, 2003). Dessa forma, o mecanismo de uma reação abrange todos os processos elementares que caracterizam a reação global.

Como dito anteriormente, a cinética química estuda a velocidade com que as reações ocorrem. “A velocidade de uma reação química refere-se à variação na concentração de uma substância por unidade de tempo” (KOTZ, 2005, p. 3). A velocidade média da reação pode ser determinada a partir das variações das concentrações molares das substâncias consumidas (nesse caso, os reagentes) ou das substâncias formadas (produtos) divididas pela variação do tempo, que pode ser dado em minutos, horas, segundos e etc. Para uma reação química genérica e devidamente balanceada,

a expressão que possibilita determinar a velocidade média dessa reação (VR) é dada pela expressão: V =−1 a ∆[A] ∆t = −1 b ∆[B] ∆t = 1 c ∆[C] ∆t = 1 d ∆[D] ∆t (1)

Como podemos observar o sinal de menos aparece somente para os quocientes referentes aos reagentes. Os valores das concentrações dos reagentes são decrescentes ao longo do tempo, portanto, a diferença entre a concentração final e inicial resulta num valor negativo. Nesse caso, acrescentar o sinal de menos na expressão da velocidade assegura que o valor da velocidade média seja um valor positivo. É importante destacar que qualquer um dos termos da igualdade pode determinar o valor da velocidade média da reação. Considerando que cada um desses termos foi multiplicado pelo inverso do coeficiente estequiométrico de cada substância no momento do balanceamento.

Falar em velocidade de mudança da concentração de uma dada espécie da reação é se referir à velocidade da reação. Durante a ocorrência da reação química pode ser determinada a velocidade em algum instante específico, nesse caso será determinada a velocidade instantânea da reação. Esta por sua vez, pode ser determinada a partir da inclinação da tangente à curva da concentração versus tempo em determinado instante. (KOTZ, 2005).

Traçando uma tangente à curva (concentração/tempo) no início da reação têm-se a velocidade inicial. Se isso for repetido em intervalos de tempo regulares, percebe-se que existe uma relação de proporcionalidade entre a concentração do reagente e a velocidade da reação, dessa forma, uma equação de velocidade pode ser determinada. Para Atkins (2001, p. 647), “essa equação é um exemplo de lei de velocidade, uma expressão para a velocidade de reação instantânea em termos da concentração de uma espécie em qualquer instante”. A equação da lei de velocidade pode ser expressa genericamente da seguinte maneira:

velocidade da reação = k · [reagente]x (2)

Nessa equação, k, é a chamada constante de velocidade, que depende da temperatura. O x é o expoente que se refere aos coeficientes estequiométricos da equação química balanceada, frequentemente. Eles podem ser números inteiros positivos (na maioria das vezes) ou fracionários, sendo assim, determinados experimentalmente.

A partir daqui, pode-se então trabalhar o conceito de equilíbrio químico cineticamente. Conhecer as velocidades das reações possibilita prever quão rapidamente uma mistura

reacional se aproximará do estado de equilíbrio (ATKINS, 2001). Os termos aqui apresentados – o estado de equilíbrio e a velocidade das reações – estabelecem entre si uma relação importante que permite explicar o conceito de equilíbrio químico, numa abordagem em sala de aula. Cineticamente falando, o equilíbrio químico será estabelecido no momento em que as velocidades das reações direta e inversa forem iguais. Portanto, esta é a maneira mais simples de abordar o conceito citado.

Essa igualdade das reações é possível devido à reversibilidade apresentada pelas reações nos dois sentidos da equação química. Ou seja, os reagentes e os produtos vão coexistir em equilíbrio, em determinadas condições de concentração e temperatura. Essa observação é possível devido a uma característica essencial do equilíbrio químico, a sua natureza dinâmica. Isto decorre da situação de permanência de igualdade das velocidades das reações químicas opostas (MAHAN, 1995). Dessa forma, entende-se que essa permanência de igualdade está associada à dinamicidade do processo e vice-versa.

Considerando a reação química genérica descrita anteriormente, as expressões para as velocidades das reações direta e inversa são respectivamente:

vd = kd · [A]a ·[B]b (3)

vi = ki · [C]c · [D]d (4)

No início da reação a velocidade da reação inversa ainda é desprezível, pois ainda não há produto formado. Ao decorrer do tempo, a velocidade da reação inversa aumentará até se igualar a da direta. Assim, no equilíbrio, “a velocidade da reação inversa equilibra a velocidade da reação direta, e os reagentes e os produtos estão presentes nas quantidades dadas pela constante de equilíbrio” (ATKINS, 2001, p. 211).

Considerando a igualdade das duas expressões de velocidades surge a chamada constante de equilíbrio químico da reação (K). Ela é basicamente a razão das constantes de velocidade das reações opostas. Antes de expressar essa constante, não devemos esquecer-nos de falar do quociente de reação (QR) e sua relação com a constante de equilíbrio. Existe uma

relação entre as concentrações das substâncias dos reagentes e dos produtos no equilíbrio. Se as concentrações dos produtos forem divididas pelas concentrações dos reagentes, sob quaisquer condições, obtêm-se o quociente da reação.

Q = [C]c ·[D]d

Entretanto, se o valor do quociente apresentar um valor constante está se falando da constante de equilíbrio, isso se o estado de equilíbrio for alcançado. Assim,

K = Q = [C]c ·[D]d

[A]a _{· [B]}b

A constante de equilíbrio K (considerando um valor de temperatura constante) pode ser determinada em termos de concentração molar (Kc) ou a partir das pressões parciais dos

reagentes (KP). A partir dessas grandezas pode-se falar na extensão da reação, nos aspectos

quantitativos do conceito de equilíbrio. Quando se obtém um valor alto de K, significa que quando estabelecido o equilíbrio muito dos reagentes foram convertidos em produtos. Sendo a reação chamada de produto-favorecida, na qual a concentração dos produtos são maiores do que a dos reagentes. Caso o valor obtido de K seja baixo, indica que muito pouco dos reagentes foram convertidos em produtos. Logo, a concentração dos produtos é menor do que a dos reagentes.

Se forem relacionados os valores do quociente e da constante de reação pode-se falar na direção em que a reação deve estar sendo favorecida. Desse modo temos três situações distintas, se:

 Q < K, o sistema não está em equilíbrio químico e a reação prossegue no sentido de formação dos produtos;

 Q > K, o sistema não está em equilíbrio químico e a reação prossegue no sentido de formação dos reagentes;

 Q = K, o sistema está em equilíbrio.

Assim, essa relação pode ajudar a determinar se a reação atingiu ou não o equilíbrio químico, como também a direção que as reações devem tomar para atingí-lo. A partir da perspectiva cinética o conceito de equilíbrio químico é explicado, sendo a igualdade das velocidades das reações químicas (direta e inversa) àquela que identifica quando o equilíbrio químico é atingido.

Portanto, a abordagem sob essa perspectiva é uma das possibilidades de se trabalhar o conceito de equilíbrio químico numa aula de química. Sendo bem frequente, seja nas estratégias apresentadas em pesquisas da área de ciências ou até mesmo na prática dos professores. A outra possibilidade para a abordagem desse conceito pode ser feita sob a perspectiva da termodinâmica, esta é apresentada no tópico seguinte.