aula - equilíbrio químico - página inicial - câmpus de...
TRANSCRIPT
1
Equilíbrio Químico
Processos Reversíveis e IrreversíveisProcessos Reversíveis e Irreversíveis
• Algumas reações são irreversíveis, ou seja, uma vez obtidos os produtos não háprevisão espontânea de regeneração dos reagentes.
CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l)
queima do metano
• Outras reações são reversíveis, ou seja, os produtos podem regenerar osreagentesespontaneamente.
dimerização do dióxido de nitrogênio
incolorcastanho
2 NO2(g) N2O4(g)
2 NO2(g) N2O4(g)
reação direta
reação inversa
12/10/2009
2
Conceito de Equilíbrio QuímicoConceito de Equilíbrio Químico
O equilíbrio químico é atingido quando as velocidades das reações direta e inversatornam-se iguais. Nessa situação, as concentrações de todas as espécies permanecemconstantes, mas não necessariamente iguais.
2 N O 2 (g ) N 2O 4(g )
Conceito de Equilíbrio QuímicoConceito de Equilíbrio Químico• As concentrações de todas as espécies mantêm-se constantes, mas nãonecessariamente iguais.• As propriedades físicas e organolépticas, como temperatura, pressão, odor e cortambém permanecem constantes.• O equilíbrio químico tem natureza dinâmica, ou seja, uma vez atingido as reações diretae inversa continuam a ocorrer porem na mesma taxa. Em nível molecular, as espéciescontinuam interagindo.
12/10/2009
3
Constante de EquilíbrioConstante de Equilíbrio
• Considere o equilíbrio genérico:
a A + b B c C + d D
badd BAkv dc
ii DCkv Lei de Velocidade para a reação direta Lei de Velocidade para a reação inversa
• Define-se a constante de equilíbrio (Kc) como:
ba
dc
i
dC BA
DCkkK
• No equilíbrio:
dci
badid DCkBAkvv
ba
dc
C BADCK
Constante de EquilíbrioConstante de Equilíbrio
• No caso de reações em fase gasosa, pode-se definir a constante de equilíbrio Kp, emtermo das pressões parciais dos gases em equilíbrio:
bB
aA
dD
cC
P ppppK
• A relação entre Kc e Kp pode ser facilmente deduzida:
nCP RTKK
• Por razões práticas, em geral omitem-se as unidades da constantede equilíbrio.• A constante de equilíbrio é escrita de acordo com a representação da reação. Apressão ou a concentração referem-se à situação de equilíbrio e não à inicial.• Preferencialmente, escreve-se a expressão da constante de equilíbrio com osmenores coeficientes inteiros que balanceiam a equação.
n: (coeficientes dos produtos) – (Coeficientes dos reagentes)
12/10/2009
4
Constante de EquilíbrioConstante de Equilíbrio
• O equilíbrio é atingido não importando as concentrações ou pressões iniciais das espécies.
Apenas a temperatura altera
o valor da constante de
equilíbrio
Constante de EquilíbrioConstante de Equilíbrio
Ordem de grandeza das constantes de equilíbrio• A constante de equilíbrio envolve 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.• Se K << 1, então os reagentes predominam no equilíbrio.
12/10/2009
5
Equilíbrios em Sistemas HeterogêneosEquilíbrios em Sistemas Heterogêneos
• Quando todos os reagentes e produtos estão em uma fase, o equilíbrio éhomogêneo.
• Se um ou mais reagentes ou produtos estão em uma fase diferente, o equilíbrio éheterogêneo.
• Considere:
– experimentalmente, a quantidade de CO2 não depende das quantidades de CaOe CaCO3. Por quê?
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
• A concentração de um sólido ou um líquido puro é sua densidade dividida pelamassa molar.
• Como densidade e massa molar não variam, as concentrações de sólidos e líquidospuros são constantespara uma dada temperatura.
• Na verdade, para sólidos e líquidos o importante é a superfície de contato.• Dessa forma, para escrever a expressão da constante de equilíbrio ignoramos os
sólidos e líquidos puros. Consideram-se apenas os gases e as substânciasdissolvidas em um meio.
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
2COP pK 2COKC ou
12/10/2009
6
Determinando o Sentido da ReaçãoDeterminando o Sentido da Reação
• Define-se Q, o quociente da reação, para uma reação geral:
aA + bB cC + dD
ba
dc
BADCQ em que as concentrações não necessariamente
estão no equilíbrio
• No equilíbrio: Q = K
• Se Q > K, então a reação inversa deve ocorrer para atingir o equilíbrio (ex.,produtos são consumidos, reagentes são formados, o numerador na expressãoda constante de equilíbrio diminui e Q diminui até se igualar a K).
• Se Q < K, então a reação direta deve ocorrer para atingir o equilíbrio.
Determinando o Sentido da ReaçãoDeterminando o Sentido da Reação
12/10/2009
7
Cálculo da Constante de EquilíbrioCálculo da Constante de Equilíbrio
Quando 1 mol de amônia é aquecido a 500 K num sistema fechado de 1 L decapacidade, 50% do composto se dissocia, estabelecendo-se o equilíbrio. Calcule KC eKP. Dado: R = 0,082 atm L / mol K.
• Suponha o exemplo:
2 NH3(g) N2(g) + 3 H2(g)
Início
Reagiu/Formou
Equilíbrio
1 mol/L zero zero
0,5 mol/L 0,25 mol/L 0,75 mol/L+ +-
0,5 mol/L 0,25 mol/L 0,75 mol/L
22
3
23
322 /42,0
/5,0/75,0/25,0 LmolK
LmolLmolLmolK
NHHNK CCC
222
706500082,021,0 atmKKmolKatmL
LmolKRTKK PP
nCP
Cálculo da Constante de EquilíbrioCálculo da Constante de Equilíbrio• Suponha o exemplo:
Em um experimento, a 300 K, introduziu-se 1,5 mol de N2O4 em um reator de 2,0litros. Estabelecido o equilíbrio, a concentração de NO2 foi de 0,060 mol/L. Calcule KC eKP. Dado: R = 0,082 atm L / mol K.
N2O4(g) 2 NO2(g)Início
Reagiu/formou
Equilíbrio
0,75 mol/L zero
0,06 mol/L
+ 0,06 mol/L0,03 mol/L_
0,72 mol/L
LmolK
LmolLmolK
ONNOK CCC /105
/72,0/06,0 3
2
42
22
atmKKmolKatmL
LmolKRTKK PP
nCP 123,0300082,0105 3
12/10/2009
8
Princípio de Le ChatelierPrincípio de Le Chatelier
• Princípio de Le Chatelier: se um sistema em equilíbrio é perturbado, osistema se deslocará de tal forma que a perturbação seja atenuada euma nova situação de equilíbrio seja alcançada.
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
síntese da amônia
Efeito da ConcentraçãoEfeito da Concentração
ADIÇÃO DE SUBSTÂNCIA DESLOCANO SENTIDO DE CONSUMO DA
SUBSTÂNCIA
REMOÇÃO DE SUBSTÂNCIA DESLOCANO SENTIDO DE PRODUÇÃO DA
SUBSTÂNCIA
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
Como otimizar a síntese da amônia?
12/10/2009
9
Efeito da PressãoEfeito da Pressão
ELEVAÇÃO DA PRESSÃO DESLOCA NO SENTIDO DE MENOR VOLUME(menor nº de mols)
DIMINUIÇÃO DA PRESSÃO DESLOCA NO SENTIDO DE MAIOR VOLUME(maior nº de mols)
N2O4(g) 2 NO2(s)
Efeito da TemperaturaEfeito da Temperatura
ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA
DESLOCA PARA O LADO ENDOTÉRMICO
REDUÇÃO DA TEMPERATURA DESLOCA PARA O LADO EXOTÉRMICO
N 2O 4(g) 2 N O 2(s) H = + 58 kJsentido exotérmico
sentido endotérmico
• A temperatura é o único fator que, além de deslocar o equilíbrio, modificatambém o valor da constante de equilíbrio.
12/10/2009
10
Dependência da Constante de Dependência da Constante de Equilíbrio com a TemperaturaEquilíbrio com a Temperatura
• A dependência da constante de equilíbrio com a temperatura é dada pela equação devan’t Hoff:
211
2 11lnTTR
HKK
• Para reações diretas endotérmicas: T K• Para reações diretas exotérmicas: T K