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GQI 00042 Química Geral e Inorgânica
Experimental III Aula 08
Prof. Ednilsom Orestes
2º Semestre de 2013 09/09/2013 – 17/01/2014
Universidade Federal Fluminense
Instituto de Química de São Carlos
Departamento de Química Inorgânica
www.slideshare.net/Ednilsom
Produção de Amônia
• WWII: Aumento na demanda compostos nitrogenados.
𝑁𝑂32− para agricultura e para produção de armas
• Extração: Salitre do Chile. 𝑁𝑎𝑁𝑂3 ou 𝐾2𝑁𝑂3.
• Pouca quantidade e vulnerável ao ataque.
• Fixar N do ar? Como?
• Fritz Haber:
𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ⇌ 2𝑁𝐻3(𝑔)
• Problema: Reação não vai até o fim!
• Reagentes e Produtos coexistem na mistura final.
• A Reação “pára” e estabelece-se um equilíbrio entre 𝑁2, 𝐻2 e 𝑁𝐻3.
Equilíbrio Químico entre Reagentes e Produtos.
Produção de Amônia
?
𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ⇌ 2𝑁𝐻3(𝑔)
Compressão da mistura.
Aumento da pressão desloca o equilíbrio da reação no sentido de diminuir o número de moléculas de gás.
Produção Amônia.
? ?
Catalisadores
Produção Amônia.
? ?
Produção Amônia.
?
Produção Amônia.
O que é Equilíbrio?
Estrutura: Água e Gelo
Gelo + Água, 0°C
EQUILÍBRIO FÍSICO
Equilíbrio Químico
• Velocidade da formação de produtos (reação direta) é igual a velocidade da formação de reagentes (reação inversa). Implica na coexistência de reagentes e produtos na mistura.
• Caracterizado por uma composição fixa e específica do sistema (concentração ou pressão parcial). Tal composição é aquela que minimiza a variação de energia livre e fornece a constante de equilíbrio.
• É “dinâmico” (conversão reagentes em produtos é simultânea à conversão de produtos em reagentes) e responde às mudanças nas condições. Cada sistema responde de uma maneira específica e particular.
Evolução para o equilíbrio.
Dados de Equilíbrio e Constante de Equilíbrio da
Reação: 2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g) em 1000 K em
várias composições iniciais.
p(SO2) p(O2) p(SO3) p K
5,49 x 10-2 3,24 x 10-2 2,21 x 10-4 8,75 x 10-2 5,00 x 10-4
3,16 x 10-3 1,83 x 10-2 9,49 x 10-6 2,15 x 10-2 4,93 x 10-4
9,15 x 10-3 9,15 x 10-3 1,96 x 10-6 1,83 x 10-2 5,02 x 10-4
7,90 x 10-2 7,32 x 10-2 4,75 x 10-4 0,153 4,93 x 10-4
0,120 0,165 1,08 x 10-3 0,286 4,89 x 10-4
Gulberg e Waage, 1864
Constante de Equilíbrio
2
)(2)()(3
CO
gss
PK
COCOCaCO
22
)(
2
)()(2
2
OHCaK
OHCaOHCa aqaqs
2
2
2
)()()(
2
)(
Cu
ZnK
ZnCuZnCu aqssaq
Exemplos: a)
b)
c)
Relações entre Constantes de Equilíbrio.
Equação Química Constante de Equilíbrio
aA + bB ↔ cC + dD K1
cC + dD ↔ aA + bB K2 = 1/K1 = (K1)-1
naA + nbB ↔ ncC + ndD (K1)n
Relações entre K’s
Dada a reação: X2+3Y2 ↔ 2XY3 verificou-se no equilíbrio, a 1000 °C que as concentrações em moles/litro são: [X2] = 0,20 M; [Y2] = 0,20 M; [XY3] =
0,60 M.
O valor da constante de equilíbrio da reação química é de: 225,0
Uma mistura contendo 0,50 mol.L-1 de N2 e 0,80 mol.L-1 de H2 reage e alcança o equilíbrio em que concentração de amônia é 0,15 mol.L-1. Calcule a K.
278,0380,050,0
15,03
2
xx
K
)(3)(2)(2 23 ggg NHHN
N2 H2 NH3
Início 0,50 0,80 0,0
Variação -X - 3x 2x
Equilíbrio 0,50 - x 0,80 – 3x 0,15
Tem-se 3,12 g de PCl5 num recipiente de 500 mL com K= 78,3 à temperatura de 250,0 °C. Qual a composiçcão da mistura no equilíbrio?
5
23.
PCl
ClPCl
p
ppK
)(2)(3)(5 ggg ClPClPCl
PCl5 PCl3 Cl2
Início 1,30 0,0 0,0
Variação - x + x + x
Equilíbrio 1,30 - x x x
molg
g
M
mn
/4,208
12,3
barPap
m
KKmolJmolp
nRTpV
PCl
PCl
3,1103,1
105
523./3145,8
4,208
12,3
5
34
5
5
3,783,1
.
x
xxK
28,1
6,79
2
1
x
x
barp
barp
barxp
Cl
PCl
PCl
28,1
28,1
02,03,1
2
3
5
Porcentagem de decomposição = 95,0%
Adicionou-se 0,345 g de Cl2 (exercício anterior). Qual a composiçcão da mistura no equilíbrio?
)(2)(3)(5 ggg ClPClPCl
PCl5 PCl3 Cl2
Início 0,02 1,28 1,28 + 0,87
Variação + x - x - x
Equilíbrio 0,02 + x 1,28 - x 2,15 – x
molg
g
M
mn
/5,34
345,0
barp
m
KKmolJmolp
Cl
Cl
87,0
105
523./3145,801,0
2
2 34
3,7802,0
15,2.28,1
x
xxK
02,0
7,81
2
1
x
x
barxp
barxp
barxp
Cl
PCl
PCl
13,215,2
26,128,1
04,002,0
2
3
5
(1,28 – x) é uma pressão parcial.
Reações de Precipitação
𝐶𝑢𝐶𝑙2(𝑠) ⇌ 𝐶𝑢(𝑎𝑞)2+ + 2𝐶𝑙(𝑎𝑞)
− .
𝐴𝑔𝑁𝑂3(𝑎𝑞) + 𝐾𝐶𝑙(𝑎𝑞) ⇌ 𝐴𝑔𝐶𝑙(𝑠) + 𝐾𝑁𝑂3(𝑎𝑞).
Equilíbrio de Solubilidade
Aplicar conceito de Equilíbrio às soluções de sais.
Produto de Solubilidade: predizer a solubilidade de
um sal.
Insaturada Concentração de
soluto é menor que S. Qs < Ks
Saturada Concentração de soluto é igual a S.
Qs = Ks
Supersaturada Concentração de
soluto é maior que S. Qs > Ks
Coeficiente de solubilidade (S)
Máxima quantidade de soluto que é possível dissolver de uma quantidade fixa de solvente, a
determinadas temperatura e pressão
Fatores que influenciam na solubilidade
• Soluto e solvente
• Concentração (efeito do íon comum)
• Pressão
• Temperatura
• pH
• Origem do soluto e do solvente.
• Semelhante dissolve
semelhante.
Lei de Henry
Solubilidade gases vs Pressão
Mergulho em grandes profundidades - acúmulo de N2 corrente sangüínea.
Princípio de Le Chatelier
Solubilidade gases vs Temperatura
Solubilidade líquidos vs Temperatura
Efeito do Íon comum
• Usa Princípio de Le Chatelier para precipitar
íon de sal pouco solúvel.
• Adição de um 2o. Sal (ou ácido) fornece íons
(comuns) da solução.
• Solubilidade do sal origina diminui e ele
precipita.
pH
𝑍𝑛 𝑂𝐻 2(𝑠) ⇌ 𝑍𝑛(𝑎𝑞)2+ + 2𝑂𝐻(𝑎𝑞)
−
• Se 𝐻+ aumenta, ocorre consumo de 𝑂𝐻−: → solubilidade do sal aumenta.
• Se 𝑂𝐻− aumenta: → solubilidade do sal diminui.
Soluções da Ácidos e Bases Fracas
• Considerar Equíbrio entre [HA] e [A-].
• Calcular % de desprotonação.
OHHA in 3
% 100% 100 dp(%) 3
HA
OH
HA
A
Como calcular a força de um ácido?
Calcule o pH e a porcentagem de desprotonação de uma solução de 0,1 M de CH3COOH (Ka=1,8 x 10-5).
OHCOOHOHCOOHCH 3323
CH3COOH H3O+ CH3COO-
Início 0,10 0,0 0,0
Variação - x + x + x
Equilíbrio 0,1 - x x x
5108,11,0
.
x
xxKa
89,2103,1log
103,1
3
3
pH
x Porcentagem de desprotonação =
1,3%
Como calcular o Ka de um ácido fraco?
Encontre o valor de Ka para uma solução de um ácido fraco de concentração inicial de 0,010 M cujo pH em água é 2,95.
OHHAHA
AOH
in 3
3
4
2
5
3
2
33
104,10011,0010,0
0011,0
108,1
a
in
a
K
OHHA
OH
HA
AOHK
1
3
95,2
3
mol.L 0011,0
1010
OH
OH pH
Ácidos e Bases Polipróticos
76
1010
contribui.
6
3
7
3
pH
OH
OHw
• Fornecem mais de um próton, H+.
• 1a. desprotonação é quase completa.
• H2SO4, H3PO4, H2CO3, etc.
Ácidos e Bases Polipróticos
76
1010
contribui.
6
3
7
3
pH
OH
OHw
Muito diluído e/ou
Muito fraco
Considerar autoionização H2O.
• Qps < Kps : Sal dissolve.
• Qps = Kps : Equilíbrio.
•Qps > Kps : Sal precipita.