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Química

Equilíbrio Químico

Sara Nahra
Publicado por Sara Nahra
Última atualização: 1/11/2018

Introdução

Diversas reações acontecem completamente, ou seja, até que pelo menos um dos reagentes seja consumido até o fim. Essas reações são irreversíveis, como ocorre, por exemplo, quando queimamos um palito de fósforo.

Outros sistemas, por outro lado, apresentam reações direta e inversa ocorrendo ao mesmo tempo. Esses sistemas são conhecidos como reversíveis e são representados no equilíbrio químico por meio de duas flechas com sentidos opostos - uma indica o sentido direto da reação (da esquerda para a direita) e a outra indica o sentido inverso da reação (da direita para a esquerda): ⇄. Podemos também representar o equilíbrio químico por meio de uma única flecha com duas setas: ↔.

Como exemplo de uma reação reversível, temos a água líquida contida em um recipiente fechado, onde as suas moléculas passam continuamente do estado líquido para vapor e do vapor para o líquido, conforme a equação química abaixo:

H2O (l) ↔ H2O (v)

Após certo tempo, a velocidade de vaporização, que ocorre no sentido direto, se iguala à velocidade de condensação, que ocorre no sentido inverso. Isso significa que o sistema atingiu o equilíbrio químico.

Uma reação reversível nunca se completa em um só sentido. No equilíbrio químico, as concentrações de H2O (l) e H2O (v) não se alteram mais, pois as velocidades direta e inversa são iguais.

Graficamente, podemos representar um equilíbrio químico da seguinte forma:


O gráfico mostra que a velocidade inicial da reação direta é máxima, já que a concentração dos reagentes é máxima. À medida que o tempo passa, a velocidade da reação direta vai diminuindo, pois a concentração de reagentes diminui, enquanto a concentração dos produtos aumenta - ampliando, com isso, a velocidade da reação inversa. Ao atingir o equilíbrio químico, as velocidades direta e inversa se igualam.

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Grau de Equilíbrio

O grau de equilíbrio (α) de um reagente é igual a quantidade de mol consumida dividida pela quantidade de mol inicial desse reagente, conforme a expressão abaixo:

O grau de equilíbrio não possui unidade de medida, mas pode ser multiplicado por 100 e expresso em porcentagem.

Constante de Equilíbrio (Kc)

Considere a seguinte equação química genérica:

a A + b B ↔ c C + d D

Admitindo que a reação seja elementar, isto é, que ocorra em uma só etapa, as seguintes expressões da lei da ação das massas podem ser escritas para os dois sentidos da reação:

  • Sentido direto: v1 = k1 [A]a [B]b
  • Sentido inverso: v2 = k2 [C]c [D]d

Ao atingir o equilíbrio químico, v1 e v2 se igualam. Podemos, então, igualar as expressões acima:

v1 = v2

k1 [A]a [B]= k2 [C]c [D]d

$${k1 \over k2} = {[C]c [D]d \over [A]a [B]b}.$$

Considerando \({k1 \over k2} = KC\), temos que a constante de equilíbrio (Kc) da reação, em termos de concentrações, é:

/({kC}= {[C]c [D]d \over [A]a [B]b}./)

Observação: Em equilíbrios químicos heterogêneos em que existam reagentes ou produtos sólidos, eles não devem ser inseridos na expressão da constante de equilíbrio (Kc), pois suas concentrações serão sempre constantes. Em equilíbrios químicos que acontecem em aquosos, a concentração da água líquida não varia, logo, ela também não será inserida na expressão de Kc.

Interpretando os valores de Kc

Se Kc > 1: o valor de Kc será maior do que 1 quando a concentração dos produtos for maior do que a dos reagentes, o que significa que a reação direta prevalece sobre a inversa. Em outras palavras, quanto maior for o valor de Kc, maior será a extensão da ocorrência da reação direta.

Se Kc < 1: o valor de Kc será menor do que 1 quando a concentração dos reagentes for maior do que a dos produtos, o que significa que a reação inversa prevalece sobre a reação direta. Em outras palavras, quanto menor for o valor de Kc, maior será a extensão da ocorrência da reação inversa.

Unidades de Kc

As unidades de Kc serão diferentes para cada equação química e dependerão da sua respectiva expressão matemática. Exemplos:

PCl5 (g) ↔ PCl3 (g) + Cl2 (g)

N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (g)

Quociente de Equilíbrio (Qc)

Quociente de equilíbrio (Qc) consiste na relação entre as concentrações dos participantes, em mol/L, em qualquer momento da reação, antes ou após o equilíbrio químico. Qc pode ser expresso da mesma forma que o Kc.

Estabelecendo uma relação entre Qc e Kc, temos:

  • Para sistemas em equilíbrio químico: \({QC \over kC} = 1/)
  • Para sistemas fora de equilíbrio químico: /({QC \over kC} ≠   1/)

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Constante de Equilíbrio em Termos de Pressão Parcial (Kp)

Considere a seguinte equação química genérica:

a A (g) + b B (g) ↔ c C (g) + d D (g)

Para equilíbrios químicos gasosos, é possível escrever a constante de equilíbrio em termos das pressões parciais dos participantes da reação:

Podemos relacionar Kp com Kc através da seguinte expressão:

Kp = Kc (R x T)Δn

Considerando:

R = constante universal dos gases

T = temperatura absoluta do equilíbrio

Δn = (c + d) – (a + b)

Deslocamento de Equilíbrio Químico

Segundo o Princípio de Le Chatelierquando se aplica uma força sobre um sistema em equilíbrio, ele tende a se ajustar no sentido de diminuir os efeitos dessa força”.

Os fatores que podem afetar um sistema em equilíbrio químico são: concentração, pressão e temperatura.

Concentração

Considere a seguinte reação genérica em equilíbrio químico:

Reagentes ↔ Produtos

A adição de substâncias em um sistema que se encontra em equilíbrio favorece a reação que o consome. Por exemplo, se adicionarmos algum reagente a uma reação em equilíbrio, o sentido direto da reação será favorecido, ou seja, o equilíbrio desloca-se para a direita. Se adicionarmos algum produto a essa reação, então o sentido inverso da reação será favorecido, ou seja, o equilíbrio desloca-se para a esquerda.

A remoção de substâncias em um sistema que se encontra em equilíbrio favorece a reação que a produz. Ou seja, se houver remoção de algum reagente, o equilíbrio desloca-se para a esquerda. Já se houver remoção de algum produto, o equilíbrio desloca-se para a direita.

Pressão

O aumento da pressão provoca contração de volume, por isso, desloca o equilíbrio para o lado de menor volume gasoso - ou seja, para aquele que tiver o menor número de moléculas gasosas.

A diminuição da pressão provoca expansão de volume, logo, desloca o equilíbrio para o lado de maior volume gasoso, isto é, aquele que tiver o maior número de moléculas gasosas.

Temperatura

O aumento da temperatura favorece a reação que absorve calor, ou seja, desloca o equilíbrio para o sentido endotérmico (ΔH > 0). Já a diminuição da temperatura, favorece a reação que libera calor, isto é, desloca o equilíbrio para o sentido exotérmico (ΔH < 0).

Em outras palavras, se a reação for endotérmica, o valor de Kc aumenta com o aumento da temperatura. Se a reação for exotérmica, o valor de Kc diminui com o aumento da temperatura.

Efeito dos Catalisadores sobre o Equilíbrio Químico

Os catalisadores são substâncias que diminuem a energia de ativação e, com isso, aumentam a velocidade das reações químicas. Quando a reação está em equilíbrio químico, a redução da energia de ativação apresenta o mesmo valor para as reações direta e inversa. Sendo assim, o catalisador não afeta o equilíbrio de uma reação química.

Aumentando a velocidade das reações direta e inversa, o único efeito que o catalisador provocará é diminuir o tempo necessário para que a reação entre em equilíbrio químico.

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Exercícios

Exercício 1
(UFRGS/2017)

Observe a figura abaixo, sobre o perfil de energia de uma reação em fase gasosa.

Considere as seguintes afirmações a respeito dessa reação.

  • A posição de equilíbrio é deslocada a favor dos produtos, sob aumento de temperatura.
  • A posição de equilíbrio é deslocada a favor dos reagentes, sob aumento de pressão.
  • A velocidade da reação inversa aumenta com a temperatura.
  • Quais estão corretas?

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