Equilíbrio químico: explicação, fatores, tipos, exemplos - Ciência - 2023

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Equilíbrio químico: explicação, fatores, tipos, exemplos - Ciência
Equilíbrio químico: explicação, fatores, tipos, exemplos - Ciência

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o balanço químico É um estado atingido por reações químicas reversíveis em que não há variações nas concentrações, nem nos reagentes, nem nos produtos envolvidos. É caracterizado por ser dinâmico e não estático; ou seja, as moléculas ou átomos continuam a reagir, mas mantêm as mesmas concentrações ao longo do tempo.

Um equilíbrio semelhante também ocorre nas mudanças de fase, embora não haja quebras de link. Por exemplo, um líquido pode estar em equilíbrio com seus vapores, assim como um sólido. Da mesma forma, um sólido estabelece um equilíbrio com as águas que o rodeiam quando se precipita ou se cristaliza.

Uma vez que o equilíbrio químico é estabelecido, nenhuma mudança ou resposta adicional pode ser obtida, a menos que seja interrompido ou afetado por ações externas. Assim, na síntese de um produto, vários parâmetros como pressão, volume ou temperatura são modificados, de forma que a quantidade máxima de produto seja gerada em equilíbrio.


Caso contrário, em equilíbrio, as quantidades de produtos serão insatisfatórias; ou seja, terá um rendimento de reação fraco. É por isso que o equilíbrio químico é vital para a indústria química e, em geral, para qualquer síntese, independentemente de sua escala.

Em equilíbrio químico pode haver mais quantidade de produtos, ou então maior quantidade de reagentes. Tudo depende de onde o equilíbrio é alterado. Levando em consideração vários fatores, um equilíbrio pode ser deslocado para qualquer uma das duas direções da seta dupla na reação reversível.

Explicação do equilíbrio químico

Antes do equilíbrio

Para entender o que é equilíbrio químico, considere a seguinte reação reversível:

N2OU4(g) ⇌ 2 NÃO2(g)


Gás N2OU4 é incolor, enquanto o gás NÃO é2 Tem uma cor castanha ou castanha. Se uma certa quantidade de N é injetada em um frasco ou pequeno recipiente2OU4, será incolor até que o equilíbrio seja estabelecido.

À esquerda da imagem superior, pode-se ver que quase todas as moléculas são N2OU4 e que a concentração de NO2 é zero.

Acima, também são mostrados dois gráficos que representam a tendência em equilíbrio, com a linha pontilhada indicando a posição no momento em que apenas o N é injetado.2OU4. Um gráfico corresponde a concentração vs. Tempo (canto inferior esquerdo) e o outro corresponde ao gráfico em Velocidade vs. Tempo (mão direita inferior).

A concentração de N2OU4, [N2OU4] (linha azul) irá diminuir gradualmente, uma vez que parte dela irá se dissociar para produzir moléculas de NO2. Assim, sendo a concentração de NO2, [NÃO2] (linha vermelha) igual a zero no início, logo aumentará conforme o N2OU4 dissociar.


No entanto, é uma reação reversível: parte das moléculas de NO2 se unirá para reformar N2OU4. Assim, haverá duas reações, a direta e a inversa, cada uma com suas próprias velocidades.

Taxas de reação

No início, a taxa de consumo de N2OU4 é maior do que a taxa de consumo de NO2. Obviamente, tendo apenas N2OU4, as poucas moléculas formadas a partir de NO2 Eles mal podem se encontrar para reagir. Neste ponto, o frasco começará a ficar laranja, pois contém uma mistura de N2OU4 e não2.

Aos poucos, à medida que há mais moléculas de NO2 no frasco e que as moléculas N2OU4 dissociar-se, as taxas das duas reações se tornarão iguais, mesmo que as concentrações difiram cada vez mais uma da outra. Ou seja nao2] tende a ser maior que [N2OU4], é por isso que a linha vermelha está acima da linha azul.

Observe que a velocidade se torna dC / dt, ou seja, a mudança na concentração em relação ao tempo. É por isso que os dois C vs. t e V vs. t não são idênticos.

Em equilíbrio

Depois de par N2OU4-NÃO2 estabelecer o equilíbrio, as velocidades de ambas as reações serão iguais e as seguintes expressões matemáticas serão obtidas:

Vdireto = k1[N2OU4]

Vreverter = k-1[NÃO2]2

Vdireto = Vreverter

k1[N2OU4] = k-1[NÃO2]2

k1/ k-1 = [NÃO2]2/ [N2OU4]

Keq = [NÃO2]2/ [N2OU4]

Neste ponto, o frasco ficará ainda mais marrom, à medida que o equilíbrio é ainda mais desviado para a formação de [NO2] Ou seja, aquele Keq, a constante de equilíbrio, deve ser maior do que 1 levando em consideração a relação superior, [NÃO2]2/ [N2OU4].

No equilíbrio, as concentrações [N2OU4] e não2] são mantidos constantes, com ambas as reações ocorrendo na mesma velocidade: apenas uma certa quantidade de N é dissociada2OU4, a mesma quantidade será produzida novamente imediatamente devido à reação de uma certa quantidade de NO2.

Por esta razão, o equilíbrio químico é considerado dinâmico: moléculas N2OU4 e não2 eles continuam a participar das reações mesmo quando não há alteração em suas concentrações.

E uma vez que as taxas de reação são as mesmas para ambas as direções, as linhas vermelhas e azuis no gráfico V vs. t toque em uma linha horizontal.

Constante de equilíbrio

A constante de equilíbrio para a reação acima será sempre a mesma, a uma dada temperatura, não importa quanto N2OU4 injete no frasco primeiro. Este será o caso mesmo se uma mistura de N for injetada diretamente2OU4 e não2, em seguida, deixando-o descansar até atingir o equilíbrio.

Quando o equilíbrio é alcançado e as concentrações [N2OU4] e não2], a relação [NÃO2]2/ [N2OU4] será igual a Keq para esta reação. Quanto maior (Keq 1), mais produtos haverá em equilíbrio. E quanto menor for (Keq 1), mais reagentes haverá em equilíbrio.

As concentrações [N2OU4] e não2] nem sempre será o mesmo. Por exemplo, se pequenos volumes forem injetados no frasco, ou se torrentes desses gases forem injetadas em um reator, as quantidades irão variar consideravelmente. No entanto, Keq ele permanecerá o mesmo enquanto a temperatura for a mesma em ambos os processos.

Keq é suscetível a mudanças de temperatura: quanto maior a temperatura, maior seu valor. Ou seja, quanto mais alta a temperatura, em equilíbrio haverá tendência à formação de mais produtos. Isso é assim, a menos que a reação seja exotérmica, como será explicado na próxima seção.

Fatores que afetam o equilíbrio químico

Os fatores que afetam o equilíbrio químico em uma reação reversível são: concentração, pressão e temperatura.

- Concentração

Em uma reação reversível, de acordo com o Princípio de Le Chatelier, aumentar a concentração de um reagente causará uma mudança no equilíbrio químico para a direita, a fim de aumentar a concentração dos produtos da reação.

Ao contrário, se um produto for adicionado à reação, o equilíbrio químico se deslocará para a esquerda, a fim de aumentar a concentração dos reagentes. Se a seguinte reação for tomada como exemplo:

C (s) + O2(g) ⇌ 2 CO (g)

Conforme a concentração dos reagentes (C e O2), o equilíbrio se deslocará para a direita, ou seja, em direção à formação do produto monóxido de carbono (CO). Mas um aumento na concentração de CO produzirá uma mudança do equilíbrio para a esquerda, para aumentar a concentração de C e O2.

- Pressão

Numa reação realizada em fase gasosa, uma variação no volume ou na pressão exercida sobre os gases que nela intervêm, produzirá uma alteração no equilíbrio, dependendo do número de moles dos reagentes e dos produtos.

Se os componentes de uma reação (reagentes e produtos) têm diferenças no número de moles envolvidos em uma reação, por exemplo, a dimerização do dióxido de nitrogênio (NO2):

2 NÃO2(g) ⇌ N2OU4(g)

Um aumento na pressão exercida na reação em fase gasosa, conseqüência da diminuição ou não do volume da reação, causará um deslocamento do equilíbrio químico para o lado que possui menos moles gasosas. Neste exemplo: produto N2OU4.

Ao contrário, uma diminuição na pressão produzirá uma mudança do equilíbrio para o lado da reação que tem o maior número de mols de gás. No exemplo dado, você irá rolar para os itens (NÃO2), a fim de neutralizar a diminuição da pressão.

Se em uma reação em fase gasosa os mols dos reagentes forem iguais aos mols dos produtos, as mudanças na pressão não afetarão o equilíbrio químico.

- temperatura

Reação endotérmica

Em uma reação endotérmica, o calor pode ser considerado como um reagente, uma vez que seu fornecimento é necessário para que a reação ocorra:

A + Q ⇌ B

Q = calor fornecido

Portanto, em uma reação endotérmica com o aumento da temperatura, o equilíbrio mudará para a direita. Enquanto isso, conforme a temperatura diminui, o equilíbrio se desloca para a esquerda.

Como o calor é parte dos reagentes, A o consumirá para se tornar B.

Reação exotérmica

Em uma reação exotérmica, o calor é gerado, sendo este um produto da reação:

A ⇌ B + Q

Em uma reação exotérmica com o aumento da temperatura, o equilíbrio mudará para a esquerda (reagentes), conforme aumenta a produção de calor. Enquanto isso, conforme a temperatura diminui, o equilíbrio se deslocará para a direita (produtos).

Como o calor faz parte dos produtos, conforme a temperatura aumenta, não haverá necessidade de adicionar mais calor ao meio. E, portanto, o equilíbrio buscará aproveitar o calor extra para produzir mais reagentes; neste caso, mais de A.

Tipos de equilíbrio químico

Dependendo do estado físico dos componentes da reação, o equilíbrio químico pode ser homogêneo ou heterogêneo.

Equilíbrio homogêneo

Nesse tipo de equilíbrio, todo mundo reagentes e produtos têm a mesma fase ou estado líquido. Por exemplo:

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)

Aqui tanto o N2, como o H2 e NH3 eles são substâncias gasosas.

Equilíbrio heterogêneo

Existe quando não todos os reagentes e produtos têm a mesma fase ou estado físico. Por exemplo:

2 NaHCO3(s) ⇌ Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O (g)

Aqui temos o NaHCO3 e Na2CO3 como sólidos, e CO2 e H2Ou como gases ou vapores.

Exemplos de equilíbrio químico

Dissociação de ácido acético em água

Ácido acético, CH3COOH, dissocia-se em água estabelecendo um equilíbrio:

CH3COOH (aq) + H2O (l) ⇌ CH3COO–(ac) + H3OU+(ac)

Uma reação cuja constante de equilíbrio é chamada de constante de acidez.

Isomerizaçãoón de butano

O gás n-butano pode ser isomerizado de acordo com a seguinte reação reversível para produzir o isômero de isobutano:

CH3CH2CH2CH3(g) ⇌ CH3CH (CH3)2(g)

Formação de óxido nítrico na atmosfera

O óxido nítrico pode ser formado na atmosfera, embora muito moderadamente, a partir do nitrogênio e do oxigênio do ar:

N2(g) + O2(g) ⇌ 2NO (g)

O Keq desta reação é 2 · 10-31 a 25 ºC, então apenas uma quantidade desprezível de NO será formada.

Reaçãoón de complexação de prata com amôniaíaco

Íons de prata, Ag+, pode ser complexado com amônia de acordo com a seguinte reação reversível:

Ag+(sol) + 2NH3(l) ⇌ [Ag (NH3)2]+(Sol)

Exercícios resolvidos

Exercício 1

Que tipo de equilíbrio químico corresponde à seguinte reação?

2NOCl (g) ⇌ 2NO (g) + Cl2(g)

Esta reação corresponde a um equilíbrio homogêneo, uma vez que todas as substâncias envolvidas, NOCl, NO e Cl2, são gases.

Exercício 2

Para a mesma reação acima, que mudança no equilíbrio seria esperada se a pressão aumentasse repentinamente?

Vamos contar os moles dos reagentes:

2NOCl

Temos 2 moles de NOCl. Agora vamos contar os moles dos produtos:

2NO + Cl2

Temos três moles: dois de NO e um de Cl2. Existem mais manchas gasosas do lado do produto. Portanto, um aumento na pressão fará com que o equilíbrio se desloque para o lado esquerdo, em direção à formação de NOCl. Desta forma, o sistema busca amenizar os efeitos da pressão favorecendo a formação de NOCl e não NO e Cl2.

Exercício 3

Para a mesma reação acima, suponha que um volume considerável de Cl seja repentinamente injetado2. O que acontecerá com o equilíbrio?

Adicionando Cl2 para o reator ou vaso, sua concentração está aumentando como um produto de reação. E, portanto, o equilíbrio mudará para a esquerda novamente, formando assim mais NOCl.

Exercício 4

Se a dissociação de NOCl a 227 ºC tem uma constante de equilíbrio de 4,5 · 10-4Em que direção o equilíbrio é deslocado?

Novamente, sendo Keq menos de 1 (4.510-4 <1), no equilíbrio, espera-se que haja mais NOCl do que NO ou Cl2à medida que é deslocado para a esquerda.

Exercício 5

De acordo com a seguinte reação de equilíbrio:

[Co (OH2)6]2+(aq) + 4Cl–(ac) + Q ⇌ [CoCl4]2-(aq) + 6H2O (l)

E sabendo que o complexo [Co (OH2)6]2+ é de cor rosa, e que o complexo é [CoCl4]2- é azulado, quais mudanças você esperaria ver se aquecesse um recipiente com [Co (OH2)6]2+? O que você esperaria ver se depois de aquecer o recipiente o colocasse em um banho de gelo?

A reação é endotérmica, absorvendo calor Q como reagente. Portanto, aquecer o recipiente com [Co (OH2)6]2+, o equilíbrio mudará para a direita, em direção à formação de [CoCl4]2-. Você verá uma mudança de cor de rosa para azulado.

Então, se o recipiente azulado com [CoCl4]2- colocado em um banho de gelo, a reação agora se moverá para a esquerda, em direção à formação de Co (OH2)6]2+:

[CoCl4]2-(aq) + 6H2O (l) ⇌ [Co (OH2)6]2+(aq) + 4Cl–(ac) + Q

Isso ocorre porque a reação reversa é exotérmica, tendo como produto o calor Q. Portanto, resfriar o recipiente com [CoCl4]2- colorido de azul, o complexo [Co (OH2)6]2+, e a cor rosa reaparecerá.

Referências

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
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