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UNIDADE 1 –QUÍMICA E INDÚSTRIA: Equilíbrios e Desequilíbrios
1.4. Produção Industrial de Amoníaco
Extensão d
a re
acção R
eve
rsibilid
ade d
a re
acção E
quilíbrio
Quím
ico
Quociente de Reacção
Relação entre Q e Kc
Relação entre Kc e extensão
Equilíb
rio Dinâm
ico
Constante equilíbrio
Principio de Le Châtelier
Reacção Completa
A(g)+2B(g) AB2(g) Reagente em excesso
Início da reacção Final da reacção
Produto de reacção
16-04-2012
Exemplos de Reacções Completas
Combustão do Carvão
C(s) + O2 CO2(g)
C O2 CO2 C CO2 O2
O oxigénio esgotou-se apesar de ainda haver Carvão.
A reacção termina.
t
C
t
C
Há esgotamento total de pelo menos um dos reagentes ou fica com uma concentração não mensurável
16-04-2012
Reacção Incompleta
A(g)+2B(g) AB2(g)
Nenhum dos reagente se esgota na totalidade.
Início da reacção Final da reacção
Produto de reacção
16-04-2012
Exemplos de Reacções Incompletas
Síntese do amoníaco
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
N2 H2 NH3 N2 NH3 H2
No final existe uma mistura de todos os reagentes e produtos.
C C
t t
16-04-2012
Qual será o motivo disto acontecer?
2NO2(g) N2O4(g) ∆H=-57 kJ.mol-1 castanho incolor
16-04-2012
Porque os óculos foto cromáticos mudam de cor? Porque motivo o resto de refrigerante que fica muito tempo dentro do congelador apresenta gosto diferente? Como funcionam os testes de humidade caseiro?
16-04-2012
Óculos Fotocromáticos: óculos que possuem lentes que
mudam de cor, conforme a intensidade luminosa.
A reação que ocorre nas lentes dos óculos é a seguinte: AgCl(s) + Energia Ag+(aq) + Cl-(aq)
hf
Refrigerantes com gás no congelador
H2CO3(aq) + Energia H2O(l) + CO2(g)
Formação de H2CO3 diminuição da concentração de CO2 T
Alteração do sabor 16-04-2012
[CoCl4]2- + 6 H2O [Co(H2O)6]
2+ + 4Cl-
Reacções Químicas Reversíveis: são transformações químicas em que os reagentes formam os produtos da reacção e estes reagem entre si para formar reagentes.
Reacção Directa
Reacção Inversa
As duas reacções:
-ocorrem simultaneamente
-podem ter velocidades diferentes
-ocorrem em condições diferentes
Reagentes Produtos
Produtos Reagentes
16-04-2012
EXERCÍCIO DE AULA
(30 minutos)
Condições de trabalho:
- Grupos de 3 pessoas no máximo
- Entrega de um documento por grupo
Tema: Reversibilidade
16-04-2012
E o acontecerá se o sistema reaccional passar a ser fechado?
16-04-2012
16-04-2012
E o acontecerá se o sistema reaccional passar a ser fechado?
A B
Gráfico Concentração versus Tempo
-A concentração do reagente A vai diminuindo e a do produto B vai aumentando
-A partir do instante t, detecta-se que a composição quantitativa da mistura reaccional permanece constante.
Gráfico Velocidade versus Tempo
-A rapidez do consumo de A vai diminuir ao longo do tempo, enquanto a rapidez da formação B vai aumentando.
-As velocidades das reacções directa e inversa atingem o mesmo valor.
Atinge-se o Estado de Equilíbrio 16-04-2012
Equilíbrio Químico Estático ou Dinâmico?
Dinâmico: A reacção não pára!
A reacção continua a ocorrer nos 2 sentidos. 16-04-2012
Caracterização do Equilíbrio Químico
Macroscopicamente:
- Ocorre em sistema fechado
- Os intervenientes não se esgotam no decorrer do tempo
- Não há nenhuma alteração de qualquer propriedade microscópica (cor, composição qualitativa e quantitativa do sistema…)
- Atinge-se independentemente de se partir dos reagentes e produtos.
Submicroscopicamente:
- As reacções directa e inversa continuam a processar-se, ambas com a mesma rapidez (Equilíbrio Dinâmico)
- Responde a alterações nas condições de equilíbrio até alcançar uma nova situação de equilíbrio
Início Fim
Copo 1 K2Cr2O7(s) + água (Tamb) K2Cr2O7(s) K+(aq) + Cr2O7 2-(aq)
Copo 2 K+(aq) + Cr2O7 2-(aq) (Televada) K+(aq) + Cr2O7
2-(aq) K2Cr2O7(s)
16-04-2012
Situações Reversíveis de Não-Equílibrio
Transformação reversível de Diamante e Grafite
C diamante Cgrafite Velocidade das reacções tão
lentas que nunca chegam a atingir o equilíbrio
Transformação reversível do Ozono
3O2 2O3 Velocidade da reacção directa e inversa nunca se igualam porque dependem de factores externos. -A reacção directa depende do nº de fotões UV
que irão quebrar a ligação O=O
- A reacção inversa é acelerada devido à presença de radicais livres
16-04-2012
Classificação de Equilíbrio Químico em função do número de fases
Homogéneo: Todos os componentes encontram-se na
mesma fase
Heterógéneo: Pelo menos dois componentes da mistura reaccional encontram-se em
fases distintas
NH3(aq)+H2O(l) NH4+(aq)+ HO-(aq) AgCl(s) Ag+(aq) + Cl-(aq)
Fase ≠ Estado Físico 16-04-2012
EXERCÍCIO DE AULA
(20 minutos)
Condições de trabalho:
- Grupos de 3 pessoas no máximo
- Entrega de um documento por grupo
Tema: Constante de equilíbrio químico
16-04-2012
Constante de Equilíbrio Químico
aA + bB cC + dD, à temperatura T
CONCLUSÕES:
1. Estado de equilíbrio ≠ Constante de Equilíbrio
2. Existem infinitos estados de equilíbrio, mas só uma Kc para a mesma T
3. O valor da Constante de Equilíbrio:
- Depende da estequimetria da reacção
- Depende da temperatura
- Não depende da composição inicial do sistema reaccional
4. A composição do sistema num estado de equilíbrio:
- Não depende da estequiometria da reacção
- Depende da temperatura
- Depende da composição inicial do sistema reaccional
Adimensional
be
a
e
d
e
c
e
BA
DCKc
16-04-2012
EXEMPLO 1
2
2
2
cNOCl
Cl]NO[K
Quantidade Química /mol
NOCl NO Cl2
ni 2,00 0,00 0,00
∆n -2x +2x x
ne 2,00-2x
2,00-2x0,33=1,34
2x
0,66
x
0,33
Concentração de equilíbrio/mol.dm-3
1,34 = 1,34
1
O,66 = 0,66
1
0,33 = 0,33
1
Num reactor de capacidade 1,00 L, colocaram-se 2,00 mol de NOCl que vão reagir segundo a equação química 2NOCl(g) 2NO(g) + Cl2(g). Quando se atingiu o equilíbrio, a quantidade química de monóxido de azoto (NO) era de 0,66 mol. Calcular a constante de equilíbrio Kc, a 25ºC, para esta reacção.
A partir da estequiometria da reacção, pode concluir-se que: - quando se forma 2x mol de NO, reagem 2x mol de NOCl; - quando se forma 2x mol de NO, formam-se x mol de Cl2
16-04-2012
Como se pode saber se o sistema está ou não em equilibro a uma determinada temperatura?
aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g), à temperatura T
Macroscopicamente pode não ser observável nenhuma alteração, mas o sistema pode não estar em equilíbrio químico.
ba
dc
BA
DCQ
Se Q = Kc o sistema está em equilíbrio
Se Q ≠ Kc o sistema não está em equilíbrio
be
a
e
d
e
c
e
BA
DCKc
Os sólidos e líquidos não entram
16-04-2012
Se
Q ≠ Kc
Se
Q = Kc
Q < Kc
Q > Kc
O sistema está em equilíbrio químico e por isso não irá evoluir para nenhum dos sentidos
O sistema vai evoluir no sentido directo
O sistema vai evoluir no sentido inverso 16-04-2012
Constante de Equilíbrio Químico versus Extensão das Reacções
Situações de Kc Situação no equilíbrio
1. Valores elevados de Kc (Kc >>1)
H2(g) + I2(g) 2HI(g) Kc = 4,0x1031 a 300 K
Domínio dos produtos sobre os reagentes, o que implica maior extensão da reacção directa
2. Valores Intermédios de Kc
2BrCl(g) Br2(g) + Cl2(g) Kc = 5 a 100K
Não há predominância de reagentes sobre os produtos ou vice-versa. A extensão das duas reacções é idêntica
3. Valores Pequenos de Kc (Kc <<<1)
Fe2(g) 2Fe(g) Kc = 7,3x10-13a 500 K
Domínio dos reagentes sobre os produtos, o que implica maior extensão da reacção inversa
Extensão ≠ Rapidez 16-04-2012
Metodologia para a resolução de exercícios envolvendo equilíbrio químico
É dada a Reacção Química Não
Procurar equação da reacção Escrever a equação da reacção
Sim
Escrever a expressão de Kc A reacção está em equilíbrio?
Sim Não
São dadas as concentrações iniciais ou de equilíbrio?
Determinar Kc
Equilíbrio Iniciais
Introduzir as concentrações de
equilíbrio na expressão de Kc e
resolver
Determinar concentrações de equilíbrio usando a estequiometria e o
método x
Comparar com o Kc
para ver o sentido da evolução da
reacção
16-04-2012
22
2][
HCO
OHCOKc
EXEMPLO 1
Introduzem-se num reactor de V dm3, 1 mol de cada componente reaccional, à temperatura de 1070ºC. A reacção química tem Kc = 0,90 e pode ser traduzida pela seguinte equação: CO2(g) + H2 (g) CO(g) + H2O(g).
Determinar a composição do sistema quando se atingiu o equilíbrio químico.
001001001
001001
22
2 ,
V
,
V
,V
,
V
,
HCO
OH]CO[Q
Quantidade Química /mol
CO2 H2 CO H2
ni 1,00 1,00 1,00 1,00
∆n +x +x -x -x
ne 1,00+x 1,00+x 1,00-x 1,00-x
Concentração de equilíbrio/mol.dm-3
1,00+x
V
1,00+x
V
1,00-x
V
1,00-x
V
O sistema reaccional evolui no sentido inverso
> Kc
16-04-2012
Quantidade
Química /mol
NOCl NO Cl2
ni 2,00 0,00 0,00
∆n -2x +2x x
ne 2,00-2x
2,00-2x0,66=
1,34
2x
0,66
0,33
Concentração de equilíbrio/mol.d
m-3
1,34 = 1,34
1
O,66 = 0,66
1
0,33 = 0,33
1
22
2][
HCO
OHCOKc
EXEMPLO 1
mol,,,)OH(n)CO(n
mol,,,)H(nCOn
xv,x
)x,(,x)x,(,
V
x,
V
x,V
x,
V
x,
HCO
OH]CO[Kc
ee
ee
790260001
0310260001
380260
0019000190001001
001001
2
22
22
22
2
Composição no equilíbrio
mol,,,)OH(n)CO(n
mol,,,)H(nCOn
xv,x
)x,(,x)x,(,
V
x,
V
x,V
x,
V
x,
HCO
OH]CO[Kc
ee
ee
790260001
0310260001
380260
0019000190001001
001001
2
22
22
22
2
16-04-2012
EXERCÍCIO DE AULA
(45 minutos)
Condições de trabalho:
- Grupos de 2/3 pessoas no máximo
- Entrega de um documento por grupo
Tema: Princípio de Le Châtelier
16-04-2012