Equilíbrio Químico: Conceitos, Leis e Aplicações nas Reações Reversíveis

PARTE 2.
TEMA 4. Equilíbrio químico.
Quando uma reação química ocorre, após algum tempo, estabelece-se um estado de equilíbrio (equilíbrio químico). A palavra "equilíbrio" significa um estado no qual todas as forças opostas que atuam sobre o sistema estão balanceadas. Um corpo em equilíbrio estável possui a capacidade de retornar a esse estado após uma perturbação externa.

1. Efeito da pressão no equilíbrio de uma reação química (para reações em fase gasosa).
   aA + bB ⇌ cC + dD

• se a reação ocorre com aumento no número de componentes (a + b < c + d), o aumento da pressão desloca o equilíbrio da reação para a esquerda.

• se a reação ocorre com diminuição no número de componentes (a + b > c + d), o aumento da pressão desloca o equilíbrio para a direita.

• se o número de componentes é igual (a + b = c + d), a mudança de pressão não afetará a posição do equilíbrio.

2. Efeito de um gás inerte. A introdução de um gás inerte tem um efeito semelhante ao da diminuição da pressão (Ar, N2, vapor d'água). O gás inerte não participa da reação.

3. Efeito da mudança na concentração dos reagentes. Ao adicionar mais substância, o equilíbrio químico se desloca na direção onde a concentração da substância diminui.

4. Efeito da temperatura no equilíbrio químico da reação.
   

   Se calor é adicionado a um sistema de equilíbrio, ocorrem mudanças no sistema para atenuar esse efeito, ou seja, processos endotérmicos. Em reações exotérmicas, a diminuição da temperatura desloca o equilíbrio para a direita, enquanto em reações endotérmicas, o aumento da temperatura desloca o equilíbrio para a esquerda.
   
   Dependência de Kr com a temperatura – equação de Van't Hoff.
   (); ln(kT1) – ln(kT2) =
   Exemplos de resolução de problemas

5. A reação entre nitrogênio e hidrogênio é reversível e ocorre de acordo com a equação
   N2 + 3H2 ⇌ 2NH3. No estado de equilíbrio, as concentrações das substâncias envolvidas são: [N2] = 0,01 mol/L, [H2] = 2,0 mol/L, [NH3] = 0,40 mol/L. Calcule a constante de equilíbrio e as concentrações iniciais de nitrogênio e hidrogênio.
   Resolução:
   Para a reação apresentada, substituindo os valores das concentrações de equilíbrio, obtemos = 2
   De acordo com a equação da reação, de 1 mol de nitrogênio e 3 mol de hidrogênio obtemos 2 mol de amônia, portanto, para formar 0,4 mol de amônia, foram consumidos 0,2 mol de nitrogênio e 0,6 mol de hidrogênio. Assim, as concentrações iniciais serão [N2] = 0,01 mol/L + 0,2 mol/L = 0,21 mol/L,
   [H2] = 2,0 mol/L + 0,6 mol/L = 2,6 mol/L.
   Resposta: Kr = 2; C0(N2) = 0,21 mol/L e C0(H2) = 2,6 mol/L.

6. Um mol de uma mistura de propileno com hidrogênio, com densidade em relação ao hidrogênio de 15, foi aquecido em um recipiente fechado com catalisador de platina a 320°C, resultando numa redução de pressão de 25%. Calcule o rendimento da reação em porcentagem em relação ao teórico. Quanto a pressão do recipiente diminui em porcentagem se, nas mesmas condições, usarmos 1 mol de uma mistura dos mesmos gases com densidade em relação ao hidrogênio de 16?
   Resolução:
   C3H6 + H2 ⇌ C3H8

1. Suponha que ν(C3H6) = x, ν(H2) = 1 - x, então a massa da mistura é igual a 42x + 2(1 - x) = 2 • 15 = 30,
   daí x = 0,7 mol, ou seja, ν(C3H6) = 0,7 mol, ν(H2) = 0,3 mol.
   A pressão diminuiu em 25% devido à redução de 25% no número de mols durante a reação. Suponha que y mols de H2 tenham reagido, então após a reação: ν(C3H6) = 0,7 - y, ν(H2) = 0,3 - y, ν(C3H8) = y,
   νtotal = 0,75 = (0,7 - y) + (0,3 - y) + y, logo y = 0,25 mol.
   Teoricamente, poderiam ser formados 0,3 mol de C3H8 (H2 está em excesso), portanto o rendimento é. A constante de equilíbrio nas condições dadas é

2. No segundo caso, suponha ν(C3H6) = a mol, ν(H2) = (1 - a) mol, então a massa da mistura é igual a 42a + 2(1 - a) = 2 • 16 = 32, daí a = 0,75, ou seja, ν(C3H6) = 0,75 mol, ν(H2) = 0,25 mol. Suponha que b mols de H2 tenham reagido. Esse número pode ser encontrado a partir da constância da constante de equilíbrio
   

   Escolha a raiz do quadrático que satisfaça 0 < b < 0,25, ou seja, b = 0,214 mol
   O número total de mols após a reação será
   νtotal = ((0,75 - 0,214) + (0,25 - 0,214) + 0,214) mol, ou seja, diminuiu 21,4% em relação ao número inicial de mols (1 mol). A pressão diminui proporcionalmente ao número de mols, portanto, ela também diminui em 21,4%.
   Resposta: rendimento de C3H8 = 83,3%; pressão diminuirá 21,4%.