Equilíbrio Químico
Equilíbrio Químico
Universidade Federal da ParaíbaCentro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Química
Disciplina: Química Geral
Curso: QGT
Professora: Liliana Lira Pontes
Equilíbrio
Equilíbrio
Fenômeno ou objeto sem perturbação;
Fenômeno ou objeto sem perturbação;
Medida em uma balança de 2 pratos (equilíbrio
Medida em uma balança de 2 pratos (
equilíbrio
estático
estático
);
);
Equilíbrio dinâmico
Equilíbrio dinâmico
– Existem duas ou mais ações que
se desenvolvem contínua e ininterruptamente;
A situação de equilíbrio é atingida quando a velocidade
velocidade
aA + bB cC + dD
Reagentes
Reações químicas Processos reversíveis
V
V
dd= V
= V
ii“A velocidade da reação direta é igual a
velocidade da reação inversa.”
Vd
Vd
Vi
Vi Produtos
Equilíbrio dinâmico nas reações
Equilíbrio dinâmico nas reações
químicas
N
2(g) + 3 H
2(g) 2
NH
3(g)
Fritz Haber (esq.) e Carl Bosch (dir.), Nobel de Química de 1918 e 1931Síntese da amônia
Equilíbrio dinâmico nas reações
Equilíbrio dinâmico nas reações
químicas
Classificação de equilíbrios
Classificação de equilíbrios
químicos
químicos
Equilíbrios homogêneos/heterogêneos
homogêneos/heterogêneos
homogêneos -
homogêneos -
Substâncias em mesma fase de agregação
3H
2(
g
) + N
2(
g
) 2NH
3(
g
)
heterogêneos
-heterogêneos -
Substâncias em fases de agregação
diferentes
Classificação de equilíbrios
Classificação de equilíbrios
químicos
químicos
Equilíbrios moleculares/iônicos
moleculares/iônicos
molecular
molecular
– envolve substâncias covalentes
2 CrO
42-
(aq)
+ 2 H
+ (aq)
Cr
2O
7 2- (aq)+ H
2O
(l)iônico
iônico
– envolve pelo menos uma espécie de íons
1H
2(g)+ 1CO
2(g)
1H
2O
(g)+ 1CO
(g)Característica e condições de equilíbrio
Característica e condições de equilíbrio
No equilíbrio Vi=Vd;
A velocidade na qual os produtos são formados a partir dos reagentes é igual à velocidade na qual os reagentes são formados a partir dos produtos.
Considere o N
2O
4congelado e incolor. À temperatura
ambiente, ele se decompõe em NO
2marrom:
N
2O
4(g) 2NO
2(g).
Em um determinado momento, a cor pára de se alterar e
temos a mistura de N
2O
4e NO
2.
Equilíbrio químico é o ponto em que as concentrações de
todas as espécies são constantes.
O equilíbrio é dinâmico porque a reação não parou: as
velocidades opostas são iguais.
– No início da reação, não existe nenhum NO2, então não ocorre a reação inversa (2NO2(g) N2O4(g)).
Considere o N2O4 congelado: apenas o sólido branco está presente. Ao nível microscópico, estão presentes apenas moléculas de N2O4.
Reações em fase Gasosa
Expressamos as concentrações como pressões parciais
(em atmosferas)
Estado de Equilíbrio:
A
(g)B
(g) Reação direta:A
(g)B
(g)Velocidade = K
d[A]
Reação inversa:B
(g)A
(g)Velocidade = K
i[B]
K
d= constante de velocidade para as reações diretas
K
i= constante de velocidade para as reações inversas
Equação de gás ideal para converter entre concentração e pressão
PV = nRT, logo n = (n/V) = (P/RT)
Para as substâncias A e B:
[A] = (P
A/RT) e [B] = (P
B/RT)
As velocidades para as reações direta e inversa:
Reação direta: Velocidade = Kd PA/RT
No equilíbrio:
K
d .P
AK
i .P
B(P
B/RT)
RT
RT
(P
A/RT)
= =P
BP
A =K
dKi
=constante
O equilíbrio em um sistema real:
N
2(g) + 3 H
2(g) 2
NH
3(g)
Se começarmos com uma mistura de nitrogênio e hidrogênio (em quaisquer proporções), a reação alcançará o equilíbrio com uma concentração constante de nitrogênio, hidrogênio e amônia.
No entanto, se começarmos apenas com amônia e nenhum nitrogênio ou hidrogênio, a reação prosseguirá e N2 e H2 serão produzidos até que o equilíbrio seja alcançado.
Constante de Equilíbrio
Constante de Equilíbrio
Em 1864 Guldberg e Waage postularam a
lei da ação
das massas
: expressa a relação entre as concentrações
(pressões parciais para gases e quantidade de matéria
para soluções) dos reagentes e produtos no equilíbrio.
Para uma reação geral na fase gasosa
a expressão da constante de equilíbrio é
onde Keq é A constante de equilíbrio.
aA + bB cC + dD
b a d c eqP
P
P
P
K
B A D C
• Para uma reação geral
a expressão da constante de equilíbrio para tudo em solução é
onde Keq é A constante de equilíbrio.
aA + bB cC + dD
a
b
d
c
eq
K
B
A
D
C
Constante de Equilíbrio
Constante de Equilíbrio
Constante de Equilíbrio
Constante de Equilíbrio
K
eqnão tem unidade;
O numerador da expressão da constante de equilíbrio é o produto
das concentrações de todas as substâncias do lado do produto da equação de equilíbrio.
Cada uma das substâncias deve está elevada a uma potência que é correspodente a seu coeficiente estequiométrico na equação balanceada.
O denominador é composto pelas concentrações dos reagentes, igualmente como no numerador.
N
2(g)+ 3 H
2 (g)2
NH
3 (g)Constante de Equilíbrio
Constante de Equilíbrio
K
eq(P
NH3)
2P
N2(P
H2)
3=
N
2O
4(g) 2NO
2(g)
4 2 2 O N 2 NOP
P
K
eq
Constante de Equilíbrio
Constante de Equilíbrio
Exercício:
1)Escreva a expressão da constante de equilíbrio para K
eqpara as seguintes reações:
a)2 O
3(g)3 O
2(g)b)2 NO
(g)+ Cl
2(g)2NOCl
(g)c)Ag
+Ordem de grandeza das constantes de
equilíbrio
A constante de equilíbrio, K, é a razão entre
produtos e reagentes.
Conseqüentemente, quanto maior for K, mais
produtos estarão presentes no equilíbrio.
De modo inverso, quanto menor for K, mais
reagentes estarão presentes no equilíbrio.
Se K >> 1, então os produtos predominam no
equilíbrio e o equilíbrio encontra-se à direita.
Se K << 1, então os reagentes predominam no equilíbrio e
o equilíbrio encontra-se à esquerda.
Exercício
2)
A constante de equilíbrio para a reação H
2(g)+ I
2(g)2HI
(g)varia com temperatura como segue: K
eq= 794 a 298K;
K
eq= 54 a 700k. A formação de HI é mais favorecida a
temperatura mais alta ou mais baixa?
Equilíbrios Heterogêneos
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.
Experimentalmente, a quantidade de CO
2não parece
depender das quantidades de CaO e CaCO
3. Por quê?
A concentração de um sólido ou um líquido puro é sua
densidade dividida pela massa molar.
Nem a densidade nem a massa molar é uma variável,
as concentrações de sólidos e líquidos puros são
constantes.
Ignoramos as concentrações de líquidos puros e
sólidos puros nas expressões das constantes de
equilíbrio.
CaCO
3(s) CaO(s) + CO
2(g)
Exercício
Exercício
3) Escreva as expressões de Keq, nos casos em que for possível, para as seguintes reações reversíveis, no equilíbrio.
a) HF(aq) + H2O (l) H3O+
(aq) + F-(aq)
b) 2NO (g) + O2(g) 2NO2(g)
Princípio de Le Châtelier
Princípio de Le Châtelier
Fatores que afetam o equilíbrio químico
Fatores que afetam o equilíbrio químico
Sistema permanece em equilíbrio, desde que não seja
perturbado por fatores externos;
Princípio de Le Châtelier:
Princípio de Le Châtelier:
Quando se provoca uma perturbação sobre um
sistema em equilíbrio, este se desloca
desloca
no sentido
que tende a anular essa perturbação, se ajustando
a um novo equilíbrio.
Deslocamento de equilíbrio químico
Deslocamento de equilíbrio químico
Temperatura
Pressão
Variação de Temperatura
Variação de Temperatura
Um
aumento
na temperatura desloca o equilíbrio no
sentido ENDOtérmico (H > 0)
1N2(g) + 1O2(g) 2 NO(g) H = + 43,2 Kcal
A reação é endotérmica e, como pode ser visto, o equilíbrio desloca-se para a direita em temperaturas mais elevadas.
Reação direta endotérmica Reação inversa exotérmica
Uma
diminuição
na temperatura desloca o equilíbrio no
sentido EXOtérmico (H < 0)
1N2(g) + 1O
2(g) 2 NO(g)
Reação direta Reação inversa endotérmica
Variação de Pressão
Variação de Pressão
Um aumento na pressão do reator desloca o equilíbrio para o lado com MENOS mols gasosos.
Uma diminuição na pressão do reator desloca o equilíbrio para o lado com MAIS mols gasosos.
N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) 1mol 3 mols 2 mols
N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) 1mol 3 mols 2 mols
O
aumento
da concentração desloca o equilíbrio no
sentido de
consumo
da substância (sentido contrário ao
que está a substância)
A
diminuição
da concentração desloca o equilíbrio no
sentido de sua
formação
(mesmo sentido em que ela está).
Variação de Concentração
a A + b B
c C + d D
[A]
desloca
[A]
desloca
[B]
desloca
[B]
desloca
[C]
desloca
[C]
desloca
[D]
desloca
[D]
desloca
Variação de Concentração
Exercício
Exercício
4) A 720oC, a constante de equilíbrio Kc para a reação N
2 (g)+ 3H2 (g)
2 NH3(g) é 2,37 x 10-3 . Em dada experiência, as concentrações
de equilíbrio são [N2] = 0,683 mol L-1, [H
2] = 8,80 mol L-1 e [NH3]
= 1,05 mol L-1. Suponha que se adicione um pouco de NH
3 à
mistura, para aumentar a sua concentração para 3,6 mol L-1. (a)
Recorra ao princípio de Le Châtelier para prever em que sentido se desloca a reação até que se atinja um novo equilíbrio.
Exercício
Exercício
5) Considere o seguintes sistemas em equilíbrio: a) 2PbS(s) + 3O2 (g) 2PbO (s) + SO2(g)
b) PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)
c) H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO(g)
Preveja o sentido da reação global, em cada um dos casos, como consequência de um aumento da pressão (diminuição de volume) no sistema, à temperatura constante.
Cálculo da Constante de Equilíbrio
Cálculo da Constante de Equilíbrio
A constante de equilíbrio pode ser calculada
diretamente a partir da expressão da constante
de equilíbrio.
Exemplo:
Exemplo: Uma mistura de hidrogênio e nitrogênio em um recipiente de reação atinge o equilíbrio a 472oC. A mistura de
gases em equilíbrio foi analisada e descobriu-se que ela contém 7,38 atm de H2, 2,46 atm de N2 e 0,166 atm de NH3. A partir desses dados calcule a constante de equilíbrio, Keq, para:
Cálculo da Constante de Equilíbrio
Cálculo da Constante de Equilíbrio
Algumas vezes não é possível saber as concentrações no equilíbrio de todas as espécies químicas em um equilíbrio;
Se conhecemos a concentração no equilíbrio de no mínimo uma espécie, podemos usar a estequiometria da reação para deduzir as
EXEMPLO
EXEMPLO
1) Dissolve-se uma quantidade de amônia suficiente em 5,00 litros de água a 25oC para produzir uma solução de 0,0124 mol L-1 de amônia. A solução é mantida até que atinja o
equilíbrio. A análise da mistura em equilíbrio mostra que a concentração de OH- é 4,64 x 10-4 mol L-1. Calcule a K
eq a
25oC para a reação.
NH
3 (aq)+ H
2O
(l) NH
4+Cálculo da
Cálculo da
Constante
Constante
de Equilíbrio
de Equilíbrio
1. Tabelar as concentrações iniciais e no equilíbrio de todas as espécies na expressão da constante de equilíbrio;
2. Para as espécies que tanto a concentração inicial quanto a concentração no equilíbrio são conhecidas, calculamos a variação na concentração que ocorre à medida que o sistema atinge o equilíbrio.
3. Use a estequiometria da reação para calcular as variações na concentração para todas as outras espécies no equilíbrio.
4.A partir das conc. Iniciais e das variações na conc., calcule as conc. No equilíbrio.
Cálculo das
Cálculo das
Concentrações
Concentrações
no Equilíbrio
no Equilíbrio
EXEMPLO
EXEMPLO
Para o processo de Haber ,Keq = 1,45 x10-5 a
500oC. Em uma mistura em equilíbrio dos três gases a 500oC, a
pressão parcial de H2 é 0,928 atm e a pressão parcial de N2 é 0,432 atm. Qual é a pressão parcial de NH3 nessa mistura no equilíbrio?