Notas de aula

1. Prof. Nunes
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Departamento de Química Orgânica e Inorgânica
Química Geral e Orgânica
Equilíbrio Químico
Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
nunes.ufc@gmail.com
1 DQOI - UFC

2. Conceitos Básicos
Prof. Nunes
A maioria das reações químicas nunca terminam. Ou seja, quando os
terminam
reagentes são misturados em quantidades estequiométricas, eles não são
totalmente convertidos em produtos.
Reações que não vão para a conclusão e que podem ocorrer em qualquer
direção são chamadas de reações reversíveis as quais podem ser
reversíveis,
representadas em termos gerais da seguinte forma:
indica reversibilidade
Quando A e B reagem para formar C e D na mesma proporção em que
C e D reagem para formar A e B, o sistema está em equilíbrio
equilíbrio.
2 DQOI - UFC

3. Conceitos Básicos
Prof. Nunes
Equilíbrio Químico existe quando duas reações opostas ocorrem
simultaneamente, a mesma velocidade.
Equilíbrios químicos são equilíbrios dinâmicos, isto é, moléculas individuais
estão continuamente reagindo, mesmo que a composição global da mistura da
reação não se altere.
3 DQOI - UFC

4. Equilíbrio Químico
Prof. Nunes
No equilíbrio Químico a reação nunca para, mesmo quando as concentrações
permanecem constantes.
Realizou-
Realizou-se o seguinte experimento:
experimento:
3 H2(g) + N2(g) 2 NH3(g)
3 D2(g) + N2(g) 2 ND3(g)
Misturou-
Misturou-se o conteúdo dos 2 frascos.
frascos.
A troca de átomos de H e D
nas moléculas deve resultar
NH3 + NDH2 + ND2H + ND3
de uma continuação de
H2 + HD + D2 reações diretas e reversas
na mistura.
4 DQOI - UFC

5. Equilíbrio Químico
Prof. Nunes
Exp.
Exp. 1
conc. Inicial
∆ devido a reação
conc. no equilíbrio
Exp.
Exp. 2 conc. Inicial
∆ devido a reação
conc. no equilíbrio
5 DQOI - UFC

6. Equilíbrio Químico
Prof. Nunes
6 DQOI - UFC

7. Constante de Equilíbrio, Kc
Prof. Nunes
1
2
1
2
7 DQOI - UFC

8. Constante de Equilíbrio, Kc
Prof. Nunes
Generalizando:
Generalizando:
No equilíbrio, as velocidades diretas e inversas são iguais
8 DQOI - UFC

9. Constante de Equilíbrio, Kc
Prof. Nunes
A constante de equilíbrio, Kc, é definida como o produto das
Kc
concentrações (moles por litro) dos produtos elevadas à potência que
corresponde a seu coeficiente na equação balanceada, dividido pelo
produto das concentrações de reagentes, cada um elevado à potência que
corresponde ao seu coeficiente na equação balanceada.
A magnitude do Kc é uma medida da extensão em que a reação ocorre.
Para qualquer equação química balanceada, o valor de Kc:
balanceada Kc
1) é constante a uma dada temperatura;
temperatura;
2) varia se a temperatura varia;
varia;
3) não depende da concentração inicial
inicial.
9 DQOI - UFC

10. Constante de Equilíbrio x Temperatura
Prof. Nunes
10 DQOI - UFC

11. Constante de Equilíbrio, Kc
Prof. Nunes
11 DQOI - UFC

12. Exercitando
Prof. Nunes
Nitrogênio e hidrogênio são colocados em um recipiente vazio de 5,00 litros a
500 °C. Quando o equilíbrio é estabelecido, 3,01 mol de N2, 2,10 mol de H2 e
0,565 mol de NH3 estão presentes. Calcular Kc para a seguinte reação a 500 °C.
Solução:
12 DQOI - UFC

13. Exercitando
Prof. Nunes
Colocamos 10,0 moles de N2O em um recipiente de 2,00 L, a uma dada
temperatura, onde ele se decompõe conforme a reação:
No equilíbrio, 2,20 moles de N2O permanecem. Calcular o valor de Kc para a
reação.
reação
13 DQOI - UFC

14. Exercitando
Prof. Nunes
Solução:
0
reagiram
14 DQOI - UFC

15. Variações de Kc com a Equação Balanceada
Prof. Nunes
15 DQOI - UFC

16. Variações de Kc com a Equação Balanceada
Prof. Nunes
Escreva a expressão para, e calcule o valor numérico da constante de
numérico,
equilíbrio para cada uma das seguintes equações à mesma temperatura.
Solução:
16 DQOI - UFC

17. Variações de Kc com a Equação Balanceada
Prof. Nunes
Escreva a expressão para, e calcule o valor numérico da constante de
numérico,
equilíbrio para cada uma das seguintes equações à mesma temperatura.
Solução:
17 DQOI - UFC

18. Variações de Kc com a Equação Balanceada
Prof. Nunes
Se uma equação química puder ser expressa como a soma de duas ou mais
equações químicas, a constante de equilíbrio para a reação global será o
produto das constantes de equilíbrio para as reações componentes
componentes.
2 P + 3Cl2 2 PCl3 Kc1
PCl3 + Cl2 PCl5 Kc2
2 P + 5Cl2 2 PCl5 Kc = Kc1 x Kc2
18 DQOI - UFC

19. Quociente da Reação, Q
Prof. Nunes
Q < K As concentrações dos reagentes no instante de análise são mais
altas que no equilíbrio, e a reação tem a tendência a seguir na
equilíbrio
direção dos produtos.
produtos
Q > K As concentrações dos produtos no instante de análise são mais altas
do que no equilíbrio, e a reação tem a tendência a seguir na direção
equilíbrio,
dos reagentes.
reagentes
Q = K A mistura tem sua composição de equilíbrio, e não tem nenhuma
equilíbrio
tendência a mudar em qualquer direção.
19 DQOI - UFC

20. Quociente da Reação, Q
Prof. Nunes
20 DQOI - UFC

21. Exercitando
Prof. Nunes
Para a reação a seguir, calcule o valor de Q e compare-o com o valor conhecido
de Kc (65,0) para prever a direção da reação que leva ao equilíbrio.
65,
Em um dado instante, as concentrações das espécies foram determinadas:
determinadas:
Solução:
< 65
21 DQOI - UFC

22. Exercitando
Prof. Nunes
A equação para a seguinte reação e o valor de Kc a uma dada temperatura são
dados. Uma mistura em equilíbrio em um recipiente de 1,00 litro contém 0,25
moles de PCl5 e 0,16 moles de PCl3. Qual a concentração de equilíbrio de Cl2
deve estar presente?
Solução:
22 DQOI - UFC

23. Exercitando
Prof. Nunes
Para a seguinte reação, Kc = 49,0 a uma dada temperatura. Se 0,400 moles de A
49,
e de B são colocados em um recipiente de 2,00 litros a essa mesma temperatura,
quais serão as concentrações de todas as espécies no equilíbrio
equilíbrio?
Solução:
Calculando as concentrações iniciais:
23 DQOI - UFC

24. Exercitando
Prof. Nunes
24 DQOI - UFC

25. Exercitando
Prof. Nunes
Conferindo.....
25 DQOI - UFC

26. Fatores que Alteram o Equilíbrio
Prof. Nunes
Uma vez que uma reação atingiu o equilíbrio, ela
permanece em equilíbrio até que seja perturbada por
alguma mudança de condições.
O princípio orientador é conhecido como Princípio de
LeChatelier .
Se uma alteração das condições (stress) é aplicada a um sistema em equilíbrio,
o sistema se deslocará na direção em que reduzirá o stress, e um novo
stress,
estado de equilíbrio será atingido.
atingido.
26 DQOI - UFC

27. Fatores que Alteram o Equilíbrio
Prof. Nunes
Três tipos de mudanças pode perturbar o equilíbrio de uma reação.
1) Mudanças na concentração
2) Mudanças na pressão ou volume (para as reações que envolvem gases)
3) Mudanças na temperatura
27 DQOI - UFC

28. Mudanças na Concentração
Prof. Nunes
A adição ou remoção de reagentes ou produtos altera o valor de Q, mas
não altera o valor de Kc.
Kc
+ HCl
28 DQOI - UFC

29. Mudanças na Concentração
Prof. Nunes
A adição ou remoção de reagentes ou produtos altera o valor de Q, mas
não altera o valor de Kc.
Kc
+ AgNO3
Cl-(aq) + Ag+(aq) ---> AgCl(s)
aq) aq) ---
29 DQOI - UFC

30. 30

31. Mudanças na Concentração
Prof. Nunes
PbCl2(aq) + S2-(aq) PbS(s) + 2 Cl-(aq)
31 DQOI - UFC

32. 32

33. Mudanças no Volume e na Pressão
Prof. Nunes
Todavia, mudanças na pressão causam mudanças significativas na
concentrações de gases
gases.
Tais mudanças, portanto, afetar o valor de Q para as reações
em que o número de moles de reagentes gasosos difere do número de moles
de produtos gasosos
gasosos.
33 DQOI - UFC

34. Mudanças no Volume e na Pressão
Prof. Nunes
V P
V P não se altera
34 DQOI - UFC

35. Mudanças na Temperatura
Prof. Nunes
Considere a seguinte reação exotérmica em equilíbrio:
calor
aumento de temperatura
calor
diminuição de temperatura
35 DQOI - UFC

36. Mudanças na Temperatura
Prof. Nunes
diminuição de temperatura aumento de temperatura
36 DQOI - UFC

37. Mudanças na Temperatura
Prof. Nunes
37 DQOI - UFC

38. Mudanças na Temperatura
Prof. Nunes
Considere a seguinte reação endotérmica em equilíbrio:
+ calor
aumento de temperatura diminuição de temperatura
38 DQOI - UFC

39. Processo Haber – Aplicação Prática
Prof. Nunes
O processo Haber é de grande de importância industrial e econômica. Nele,
o N2 atmosférico é convertido em amônia, NH3, matéria prima para
inúmeros corantes​​, plásticos, explosivos, fertilizantes e fibras sintéticas.
Neste processo, o reação entre N2 e H2 para produzir NH3 nunca atinge o
equilíbrio, mas se move em direção a ele.
39 DQOI - UFC

40. Processo Haber – Aplicação Prática
Prof. Nunes
500-
500-1000
atm
250 oC
40 DQOI - UFC

41. Processo Haber – Aplicação Prática
Prof. Nunes
41 DQOI - UFC

42. Pressões Parciais e Constantes de Equilíbrio
Prof. Nunes
Muitas vezes, é mais conveniente medir pressões em vez de
concentrações de gases.
Para uma reação genérica portanto:
genérica,
Para o processo Haber
Haber:
42 DQOI - UFC

43. Exercitando
Prof. Nunes
Em uma mistura em equilíbrio na 500 °C, encontramos PNH3 = ​0,147 atm,
PN2 = 6,00 atm, e PH2 = 3,70 atm.
Calcule a KP 500 °C para a reação:
43 DQOI - UFC

44. Relação entre Kc e Kp
Prof. Nunes
44 DQOI - UFC

45. Exercitando
Prof. Nunes
Vimos que para a reação de amônia a 500 °C, Kc = 0,286 Podemos descrever
286.
este equilíbrio em termos de pressões parciais usando Kp.
Kp
45 DQOI - UFC

46. Exercício
Prof. Nunes
Adicionaram-se 10,0 gramas de SbCl5 a um recipiente de 5,00 litros a 448 °C e
permitiu-se que a reação atingisse o equilíbrio. Quantos gramas de SbCl5 estão
presentes no equilíbrio?
Resolver este problema:
problema:
(a) com Kc e concentrações molares e
(b) utilizando Kp e pressões parciais.
Solução a)
46 DQOI - UFC

47. Exercício
Prof. Nunes
47 DQOI - UFC

48. Exercício
Prof. Nunes
Solução b)
48 DQOI - UFC

49. Exercício
Prof. Nunes
Solução b)
49 DQOI - UFC

50. Perturbações x Efeitos
Prof. Nunes
Perturbação Alteração quando o sistema Efeito sobre o equilíbrio Efeito sobre Kc
reacional retorna ao
equilíbrio
parte do reagente adicionado
+ reagente não há alteração
é consumido
parte do produto não há alteração
+ produto
adicionado é consumido
redução do volume pressão aumenta menor # moléculas não há alteração
expansão do volume pressão diminui maior # moléculas não há alteração
elevação da T consumo de energia endotérmico há alteração
diminuição da T liberação de energia exotérmico há alteração
DQOI - UFC

51. Equilíbrio Heterogêneo
Prof. Nunes
Heterogêneos equilíbrios envolvem espécies em mais de um fase
fase.
Considere a seguinte reação reversível a 25 °C.
Quando o equilíbrio é estabelecido para este sistema, um sólido um líquido
sólido,
e um gás estão presentes.
Nem sólidos nem líquidos são significativamente afetados por
mudanças de pressão
pressão.
51 DQOI - UFC

52. Equilíbrio Heterogêneo
Prof. Nunes
A definição fundamental da constante de equilíbrio em termodinâmica é em
termos de atividades das substâncias envolvidas.
para qualquer líquido ou sólido puro, a atividade é tomada como 1,
puro,
então termos que para líquidos e sólidos puros não aparecem nas
expressões para Kc de heterogêneos equilíbrios.
equilíbrios.
Assim, para a reação:
reação:
Estas expressões de constante de equilíbrio indicam que
existe equilíbrio a uma dada temperatura por uma, e
somente uma, concentração e uma pressão parcial de
oxigênio em contato com mercúrio líquido e óxido de
mercúrio (II) sólido .
52 DQOI - UFC

53. Exercitando
Prof. Nunes
Escrever tanto Kc e Kp para as seguintes reações reversíveis:
53 DQOI - UFC

54. Exercício
Prof. Nunes
O valor de Kp é de 27 para a decomposição térmica do clorato de potássio em
uma dada alta temperatura. Qual é a pressão parcial de oxigênio em um
recipiente fechado no qual o seguinte sistema está em equilíbrio nesta mesma
temperatura?
Solução:
Solução:
54 DQOI - UFC