A constante de equilíbrio

Equilíbrio Químico
Profa. Karen
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Conceito de equilíbrio
Um equilíbrio químico é a situação em que a
proporção entre as quantidades de reagentes e
produtos em uma reação química se mantém
constante ao longo do tempo.
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Teoricamente, toda a reação química ocorre
nos dois sentidos:
Reagentes  produtos
Produtos  reagentes
e
Contudo, em certas reações, como a de
combustão, virtualmente 100% dos reagentes são
convertidos em produtos, e não se observa o
contrário ocorrer (ou pelo menos não em escala
mensurável); tais reações são chamadas de
irreversíveis.
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Há também uma série de reações nas quais logo
que certa quantidade de produto(s) é formada, este(s)
torna(m) a dar origem ao(s) reagente(s); essas reações
possuem o nome de reversíveis.
O conceito de equilíbrio químico praticamente
restringe-se às reações reversíveis.
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Reversibilidade de reações químicas
Um exemplo de reação reversível é a da produção da
amônia (NH3), a partir do gás hidrogênio (H2) e do gás
nitrogênio (N2) — que faz parte do Processo de Haber:
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
Note-se que a seta dupla ( ) significa que a reação ocorre
nos dois sentidos, e que o subscrito (g) indica que a
substância se encontra na fase gasosa.
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• Considere o N2O4 congelado e incolor. À temperatura
ambiente, ele se decompõe em NO2 marrom:
N2O4(g)  2NO2(g).
• Em um determinado momento, a cor pára de se alterar e
temos a mistura de N2O4 e NO2.
• Equilíbrio químico é o ponto em que as concentrações
de todas as espécies são constantes.
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Para um sistema qualquer representado por:
A + B
V1
V2
C +D
A rapidez varia a partir do inicio da reação até atingir
a situação de equlibrio. O gráfico a seguir mostra
essa variação.
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Considerando-se as variações de reagentes e produtos,
temos:
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Deve-se salientar que quando uma reação
atinge o equilíbrio ela não para. Ela continua se
processando, porém tanto a reação direta como a
inversa ocorrem à mesma velocidade, e desse jeito a
proporção entre os reagentes e os produtos não
variam .
Por outras palavras, estamos na presença de
um equilíbrio dinâmico.
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• No equilíbrio, tanto de N2O4 reage para formar NO2
quanto de NO2 reage para formar outra vez N2O4:
N2O4(g)
2NO2(g)
• A seta dupla significa que o processo é dinâmico.
• Considere
Reação direta: A  B Velocidade = k[A]
Reação inversa: B  A Velocidade = k[B]
• No equilíbrio VA = VB =
k[A] = k[B].
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• Para um equilíbrio escrevemos:
A+ B
C + D
• À medida que a reação progride
– [A] e [B] diminuem para uma constante,
– [C] e [D] aumentam de zero para uma constante.
– Quando [A], [B] e [C], [D] são constantes, o equilíbrio
é alcançado.
– k[A] diminui para uma constante,
– k[B] aumenta de zero para uma constante.
– Quando k[A] = k[B], o equilíbrio é alcançado.
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Equilíbrio Homogêneo e Heterogêneo
Quando
todas
as
substâncias
envolvidas
no
equilíbrio se encontram no mesmo estado físico diz-se
que temos um equilíbrio homogêneo, que é o caso de
todos os equilíbrios apresentados aqui até então.
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
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Analogamente, os equilíbrios onde estão envolvidas
mais
de
uma
fase
são
chamados
de
equilíbrios
heterogêneos, como o seguinte:
Ni(s) + 4CO(g)
Ni(CO)4(g)
Note-se que o subscrito (s) significa que a espécie se
encontra no estado sólido. Equilíbrios heterogêneos, como
este, frequentemente apresentam ao menos um sólido ou
um líquido.
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Considere o gráfico abaixo:
a) Qual variável o eixo das ordenadas representa, considerando-se
que o sistema atinge o equilibrio a partir de determinado
tempo? Justifique.
b) Indique no gráfico, o momento em que a reação entra em
equlíbrio.
c) Escreva uma equação genérica que possa ser representada pelo
gráfico, identificando os reagentes e os produtos pelas
respectivas cores das curvas.
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Quando uma reação química exotérmica atinge o equilíbrio,
são válidas todas as afirmativas abaixo, exceto:
a) As velocidades da reação nos sentidos direto e inverso se
igualam.
b) A energia de ativação é a mesma nos sentidos direto e inverso.
c) A reação ocorre com liberação de calor.
d) As concentrações de reagentes e produtos permanecem
inalteradas.
e) A reação inversa é endotérmica
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Represente, por meio de gráfico, a rapidez da
reação direta e da reação inversa até atingir o
estado de equilíbrio para a reação:
2 SO2 (g) + O2 (g)
↔
2 SO3 (g)
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Considere a reação entre nitrogênio e hidrogênio:
(v1 e v2 são as velocidades das reações direta e inversa)
Quando se estabelece o equilíbrio químico é possível afirmar
que:
a)
b)
c)
d)
e)
[N2] = [H2].
[NH3] = constante.
[N2] = [NH3].
v2 > v1.
v1 > v2 .
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Constantes de equilíbrio
As constantes de equilíbrio, representadas por K,
são determinadas a partir de dados experimentais . Por
conta da análise de uma grande quantidade de dados,
chegou-se a uma expressão genérica para todos os
equilíbrios:
K = [produtos]/[reagentes]
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Constantes de equilíbrio (Kc)
As constantes de equilíbrio determinadas com
base nas concentrações em mol/L, são representadas
por Kc.
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Portanto,
Onde:
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A constante de equilíbrio
• Para uma reação geral
aA + bB
cC + dD
a expressão dA constante de equilíbrio para tudo em
solução é

C D 
K eq 
a
b
A  B
c
d
onde Keq é A constante de equilíbrio.
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Escreva a expressão da constante de equilíbrio para as
equações abaixos:
a) 2NO (g) + Cl2 (g) ↔ 2NOCl (g)
b) Fe(s) + Cu2+ (aq) ↔ Fe2+ (aq) + Cu (s)
c) CO2 (g) + Ca(OH)2 (aq) ↔ CaCO3 (s) + H2O (l)
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Constantes de equilíbrio e pressões
parciais (Kp)
Para os gases, também se pode escrever a
expressão da lei de equilíbrio químico, K, em termos
de pressões parciais. Para o equilíbrio:
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Para expressar a lei de equilíbrio em termos das
pressões parciais, basta que apenas uma das
espécies do equilíbrio esteja no estado gasoso.
Escreva a expressão da constante de equlíbrio Kp
para as seguintes reações:
a) H2 (g) + I2 (g) ↔ 2HI (g)
b) CaCO3 (s) ↔ CaO (s) + CO2 (g)
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A constante de equilíbrio
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.
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A constante de equilíbrio
Ordem de grandeza das constantes de 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.
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A constante de equilíbrio
O sentido da equação química e Keq
• Um equilíbrio pode ser abordado a partir de qualquer
sentido.
N2O4(g)
2NO2(g)
• Sentido direto:
• temos:
K eq 
2
P
NO 2
 6.46
P
N 2O 4
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A constante de equilíbrio
O sentido da equação química e Keq
• No sentido inverso:
2NO2(g)
N2O4(g)
P
1
N 2O 4
Keq 
 0.155 
6.46
P2
NO 2
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A constante de equilíbrio
Outras maneiras de manipular as
equações químicas e os valores de Keq
2N2O4(g)
4NO2(g)
• A reação
tem
P4
NO2
Keq 
P2
N 2O 4
o qual é o quadrado da constante de equilíbrio para
N2O4(g)
2NO2(g)
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A constante de equilíbrio
Outras maneiras de se trabalhar as equações
químicas e os valores de Keq
• A constante de equilíbrio para o sentido inverso é o
inverso daquela para o sentido direto.
N2O4 (g)  2NO2(g)
Direto: Kc = (PNO2 )2/ (PN2O4)= 6,46 (a 100oC)
Inverso: Kc= (PN2O4 )/(PNO2 )2= 1/6,46 = 0,155 (a 100oC)
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• Quando uma reação é multiplicada por um número, a
constante de equilíbrio é elevada àquela potência.
N2O4 (g)  2NO2(g)
Kc = (PNO2 )2/ (PN2O4)= 6,46 (a 100oC)
2N2O4 (g)  4NO2(g)
Kc = (PNO2 )4/ (PN2O4)2= (6,46)2 = 41,7 (a 100oC)
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Constante para a soma de reações
Se uma reação química pode ser expressa pela
soma de duas ou mais reações (ou etapas individuais),
então:
Kc da reação global será a multiplicação das constantes de
cada uma das reações individuais.
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Em determinadas condições de T e P, existe 0,5 mol/L de
N2O4 em equilíbrio com 2 mol/L de NO2, segundo a
equação: N2O4 (g)  2NO2 (g). Qual o valor da
constante (Kc ) desse equilíbrio nessas condições e
indique o sentido da reação.
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