EQUILIBRIO QUÍMICO TEXTO DE APOIO · 1º ATIVIDADE DE QUÍMICA – 2ºBIMESTRE – 3º EM – TEX...

Equilíbrio Químico Professora Fernanda – Química

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1º ATIVIDADE DE QUÍMICA – 2ºBIMESTRE – 3º EM – TEX TO DE APOIO

A atividade inicia-se com a leitura do texto “Equilíbrio Químico”- Definições”. Como auxilio podem assistir aos vídeos: Central de Mídia SP aula do dia 18 de maio de 2020. https://www.youtube.com/channel/UC4PxhhCLUs1ESKz5EwuepMw/videos https://www.youtube.com/watch?v=SKX6k9KR7TA https://www.youtube.com/watch?v=h1HafhD_kUM https://www.youtube.com/watch?v=A8504kAmd78 https://www.youtube.com/watch?v=9f4hVX9vpDA https://www.youtube.com/watch?v=NXAvpfrk5f8

EQUILÍBRIO QUÍMICO – DEFINIÇÕES

OBJETIVOS GERAIS: Compreender os conceitos fundamentais relacionados ao equilíbrio químico. Escrever a equação da constante de equilíbrio. Conhecer o Princípio de Le Chatelier para prever o que ocorre com um equilíbrio em função de perturbações. Reconhecer os fatores que influenciam o estado de equilíbrio. Conhecer os conceitos de Potencial de Hidrogênio (pH), a escala e a utilização no cotidiano. EQUILÍBRIO QUÍMICO: Definição: é o estado que ocorre dentro de uma reação química onde a concentração dos reagentes e produtos permanece constante, e a velocidade das reações permanece a mesma. Em uma reação química, temos reagentes e produtos. Os reagentes são as moléculas iniciais que reagem e se transformam em produtos. Essa reação química pode ocorrer de forma direta, onde os reagentes se transformam em produtos, mas também pode ocorrer de forma inversa, onde os produtos se transformam em reagentes. Equilíbrio químico acontece quando a velocidade das duas reações, direta e inversa, permanecem as mesmas, fazendo com que o valor da concentração de produtos e reagentes sempre se mantenham constantes.

Quando o equilíbrio é atingido, as reações continuam acontecendo, porém na mesma velocidade, então as velocidades permanecem

constantes.


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O QUE O EQUILÍBRIO QUÍMICO ESTUDA: o equilíbrio químico faz o estudo das reações reversíveis que ocorrem num sistema fechado. Deste modo, o químico pode controlar melhor as reações fazendo mudanças que podem afetar o estado de equilíbrio e assim obter maiores e melhores rendimentos, “importantíssimo do ponto de vista econômico e industrial”.

FATORES QUE AFETAM OU PERTURBAM O ESTADO DE EQUILÍBRIO: � Variação nas concentrações de reagentes ou produtos; � Variação na pressão do sistema (se houver componentes gasosos); � Variação na temperatura (esta além de descolar o equilíbrio, também altera o valor da constante).

Uma coisa importante: catalisadores não deslocam equilíbrio químico!” QUANDO OCORRE O EQUILÍBRIO QUÍMICO: Ocorre quando, em um sistema fechado, a taxa de conversão (velocidade) das transformações de reagentes em produtos e produtos em reagentes, se iguala. Neste momento, os químicos dizem que o sistema atingiu um estado de equilíbrio dinâmico. É interessante notar que as velocidades de ida e volta se igualam, as concentrações de produtos e reagentes permanecem as mesmas – não necessariamente iguais -, mas a reação de maneira alguma para de acontecer.

Para que ocorra um equilíbrio químico é preciso que: • A reação seja reversível. • A velocidade da reação direta seja igual à da reação inversa. • A reação ocorra em ambiente fechado, quando os componentes forem gases. • A temperatura seja constante. • O sistema não tenha trocas com o ambiente.

“Uma maneira bacana de entendermos o assunto é pensar no fluxo de pessoas usando as escadas rolantes entre dois andares em shopping movimentado”. Veja o exemplo: Imagine que no início todo mundo está indo do primeiro para o segundo andar. Isso seria a transformação de reagentes em produtos. Algumas pessoas, ao chegarem ao segundo andar, já pegam a escada para descer para o primeiro. Transformação de produtos em reagentes. Nesse intervalo inicial, o fluxo maior é de pessoas subindo e deste modo não chegamos a um equilíbrio. Quando a quantidade de pessoas subindo e descendo as escadas rolantes forem iguais, aí sim chegamos a um estado de equilíbrio dinâmico. Notou que em nenhum momento as pessoas pararam de usar as escadas? Pois é, por isso o processo é dinâmico e não para. Ah! Outra coisa. Percebeu que em nenhum momento se falou que as quantidades de pessoas nos dois andares eram iguais?. Então, o equilíbrio dinâmico só se importa com a taxa de ida e de volta e não com as quantidades que temos de “um lado ou de outro”. Até por que podemos ter mais de um do que de outro! REAÇÃO QUÍMICA: é todo e qualquer fenômeno químico que ocorre na natureza ou em um laboratório. Normalmente afirmamos que em uma reação química uma ou mais substâncias iniciais, chamadas de reagentes, formam uma ou mais substâncias finais, denominadas produtos de reação. REAÇÕES DIRETA E INVERSA: Em uma equação, o que estiver do lado esquerdo é chamado de reagente. O que estiver do lado direito é chamado de produto. A reação que vai do reagente para o produto é chamada de reação direta, e a que vai do produto para o reagente é chamada de reação inversa.

• Reações diretas (→) : Os reagentes formam produtos. Ocorre no sentido de formação dos produtos, para a direita;

• Reações inversas (←) : Os produtos formam reagentes. ocorre no sentido de formação dos reagentes, para a esquerda.

• Reagentes: Substâncias que entram ou são formadas na reação química. Observe:


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REAÇÃO REVERSÍVEL: É um processo que ocorre nos dois sentidos em uma reação química.

Ele é representado pela seta dupla A seta dupla (↔), essa representação indica reações ocorrendo nos dois sentidos (direto e inverso) simultaneamente. CLASSIFICAÇÕES DO EQUILÍBRIO QUÍMICO: Pode ser classificado como homogêneo ou heterogêneo dependendo do estado de agregação (físico) daqueles que participam da reação.

• Homogêneo quando reagentes e produtos encontram-se no mesmo estado físico (geralmente líquido ou gasoso). Agora ficou fácil de deduzir.

• Heterogêneo é aquele onde os participantes estão em estados físicos diferentes. CONSTANTE DE EQUILÍBRIO QUÍMICO (K): a constante de equilíbrio químico é descrita pela letra K maiúscula e é uma expressão matemática que indica quais são as quantidades (sim, quantidades, pois pode ser concentração ou pressão – se forem gases) de produtos e reagentes no estado de equilíbrio. A constante de equilíbrio, ou Kc, é uma expressão matemática que indica quais são as quantidades de produtos e reagentes no estado de equilíbrio. Essa relação é estabelecida entre as concentrações molares (mol/L) de reagentes e produtos presentes em uma reação elevadas aos seus respectivos expoentes. Mol é uma unidade de medida utilizada para expressar a quantidade de matéria. EXPRESSÃO MATEMÁTICA PARA CALCULAR A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO:

O Kc do equilíbrio químico acima será definido pela multiplicação das concentrações dos produtos dividido pela multiplicação entre as concentrações dos reagentes. Todas as concentrações deverão ser elevadas aos seus respectivos coeficientes estequiométricos. Nesse caso temos:

C e D representam as concentrações dos produtos e A e B são as concentrações dos reagentes. No esquema acima, a, b, c e d representam os coeficientes estequiométricos da equação balanceada. As concentrações são expressas através da unidade de medida mol/L. Assim, quando for escrever a expressão da constante de equilíbrio Kc de alguma reação, deve-se dividir a concentração dos produtos no equilíbrio elevada ao seu coeficiente na equação pela concentração dos reagentes no equilíbrio também elevada ao seu coeficiente na equação:

Kc = [produtos]coeficiente na equação química balanceada [reagentes]coeficiente na equação química balanceada

COMO SE CALCULA A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO: O valor constante de equilíbrio químico é sempre calculado da mesma maneira: divisão da concentração dos produtos pela concentração dos reagentes, elevado aos coeficientes estequiométricos da reação balanceada. Informações muito importantes:

• As concentrações devem ser indicadas sempre em mol por litro (mol/L). • Sólidos não entram, já que eles variam muito pouco a sua concentração ao longo da reação química. • O valor da constante só varia com a alteração da temperatura. Apenas a mudança de temperatura altera o valor da constante de equilíbrio.

CARACTERÍSTICAS DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO: • Kc é uma constante para uma reação determinada em uma temperatura determinada. Se a temperatura da

reação sofre alteração, o valor de Kc também se altera; • Sólidos e líquidos puros, incluindo solventes, não são incluídos na expressão de equilíbrio; • A reação precisa de estar balanceada e com os coeficientes escritos com o menor número inteiro possível

para obter o valor correto para Kc.

VALORES DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO: • Se Kc tiver um valor alto (maior ou igual a 1000), o equilíbrio terá majoritariamente produtos; • Se Kc tiver um valor baixo (menor ou igual a 0,001), o equilíbrio terá majoritariamente reagente;


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• Se Kc tiver um valor entre 0,001 e 1000, o equilíbrio possui concentração significante tanto de reagentes quanto de produtos.

O QUE É GRAU DE EQUILÍBRIO: O grau de equilíbrio (α) é relação matemática entre a quantidade de um reagente que foi consumido até alcançar o equilíbrio químico, pela quantidade deste reagente no início da reação. Trocando em miúdos, o grau de equilíbrio indica o quanto se “gastou” de um determinado reagente até chegar ao equilíbrio. Por exemplo: se no início da reação tínhamos 1,0 mol/L de um determinado reagente e ao chegar ao equilíbrio temos 0,40 mol/L do mesmo, podemos dizer que o grau de equilíbrio é igual a 0,60 ou então α = 60%. PERTURBAÇÃO DO EQUILÍBRIO QUÍMICO: O equilíbrio químico pode ser momentaneamente perturbado. Esse processo é conhecido como deslocamento ou perturbação do equilíbrio e está baseado no princípio de Le Chatelier: qualquer perturbação na concentração, temperatura e/ou pressão, faz com que o sistema reaja de tal maneira a restabelecer o estado de equilíbrio. Deste modo vale ressaltar os fatores que afetam o estado de equilíbrio: que são concentração, pressão do sistema e temperatura. É a mesma coisa que acontece quando alguém te incomoda: você se desloca para fugir dessa perturbação! UM EQUILÍBRIO QUÍMICO PODE SER CARACTERIZADO PELOS SEGUINTES PONTOS:

1) As reações direta e inversa ocorre, simultaneamente, portanto, o equilíbrio químico é dinâmico. 2) A velocidade da reação direta é igual a velocidade da reação inversa. 3) Se não houver mudança no sistema de equilíbrio, as concentrações dos reagentes e produtos permanecerão constantes. Todas as propriedades macroscópicas não variam com o tempo. 4) Esse tipo de equilíbrio é obtido somente em sistemas fechados, isto é, sistemas em que tanto a matéria quanto a energia não são introduzidas ou removidas, não há toca delas com o exterior.

Características Explicação Macroscópico

constante Propriedades como concentração, densidade, cor e massa não se alteram num sistema que atingiu o equilíbrio.

Microscópico em evolução

Propriedades como colisão entre partículas, formação de complexo ativado e rearranjo de átomos e íons nunca cessam.

É dinâmico As reações direta e inversa ocorrem contínua e initerruptamente.

Depende da temperatura

O equilíbrio só se mantém estável em sistema isolado (onde não há troca de matéria nem energia). Se houver variação de temperatura, as propriedades macroscópicas sofrerão variações e um novo equilíbrio será estabelecido.

Observação: A característica 2 mostra que as concentrações se mantêm constantes, porém, dificilmente as concentrações dos reagentes serão iguais às dos produtos. Por outro lado, são as velocidades com que elas se formam e se decompõem que se tornam iguais e constantes no equilíbrio químico. GRÁFICO DE EQUILÍBRIO QUÍMICO: Pode-se expressar o equilíbrio químico em um gráfico utilizando as variáveis de velocidade e concentração em função do tempo. Obtém-se o equilíbrio químico quando as linhas de velocidade (e também de concentração) e tempo se tornam horizontais.


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VELOCIDADE x TEMPO: À medida que v1 diminui, observa-se que os reagentes se transformam em produtos. Quando v2 aumenta, observa-se os produtos sendo formados. Ao atingir o equilíbrio químico, a velocidade das reações direta e inversa se tornam iguais.

CONCENTRAÇÃO x TEMPO: Observa-se que a concentração dos reagentes é máxima e ao longo do tempo diminui, uma vez que eles estão sendo transformados em produtos. No entanto, a concentração dos produtos inicialmente é igual à zero, porque, no início da reação, só existem reagentes. A concentração dos produtos cresce à medida que estão sendo produzidos pela reação. Quando o equilíbrio químico é atingido, a concentração de reagentes e produtos na reação é constante, entretanto, esse valores não são necessariamente iguais.

DESLOCAMENTO DE EQUILÍBRIO Dado um sistema em equilíbrio, entende-se por deslocamento qualquer alteração em uma das suas velocidades, provocando modificação nas concentrações molares das substâncias em equilíbrio. Quando se altera uma das velocidades das reações, o equilíbrio se desloca no sentido da maior velocidade. Alguns fatores podem provocar esse deslocamento:

a. Concentração dos participantes; b. Pressão (Lei de Robin) c. Temperatura (Lei de Vant’ Hoff)

Equilíbrio Químico

FATORES OPERAÇÃO DESLOCAMENTO

Concentração

Adição de reagente No sentido dos produtos Adição de produtos No sentido dos reagentes Retirada de reagente No sentido dos reagentes Retirada de produto No sentido dos produtos

Pressão Aumento da pressão No sentido da diminuição do volume Diminuição da pressão No sentido do aumento do volume

Temperatura Aumento da temperatura No sentido da reação endotérmica Diminuição da temperatura No sentido da reação exotérmica


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PRINCÍPIO DE LE CHATELIER ou PRINCIPIO DA FUGA ANTE A FORÇA: Os fatores que provocam o deslocamento do equilíbrio químico foram estudados por Henri Louis Le Châtelier, em 1884. Esse cientista enunciou o princípio geral conhecido como “Princípio da fuga ante a força” ou “Princípio de Le Châtelier”. Estabelece que: “Se for imposta uma alteração, de concentrações, de temperatura ou de pressão, a um sistema químico em equilíbrio, a composição do sistema deslocar-se-á no sentido de contrariar a alteração a que foi sujeita.” “Quando um sistema em equilíbrio for perturbado por uma ação externa, o sistema será deslocado para minimizar o

efeito da ação externa.”

Alguns fatores podem influenciar o deslocamento dos reagentes ou dos produtos, já que o equilíbrio químico é dinâmico. Os principais elementos da alteração do equilíbrio são:

� Pressão: Quando é diminuída, aumenta-se o volume. Com o aumento da pressão, diminui-se o volume. � Temperatura: Quando a temperatura aumenta, o equilíbrio se desloca no sentido endotérmico da reação.

Quando a temperatura diminui, o equilíbrio é deslocado para o sentido exotérmico. • Reações endotérmicas: absorvem o calor • Reações exotérmicas: liberam o calor

� Catalisador: O catalisador, que não reage na transformação, age na velocidade de reação, permitindo que o equilíbrio seja atingido de uma forma mais rápida, com um menor tempo e sem afetar o rendimento. O uso do catalisador aumenta a velocidade da reação, entretanto não altera o ponto de equilíbrio – não desloca o equilíbrio e nem altera o valor de Kc. O catalisador somente diminui o tempo para que o equilíbrio seja alcançado. CONCLUSÃO: O catalisador não provoca deslocamento no equilíbrio químico.


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CONCENTRAÇÃO


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Equilíbrio Químico no Cotidiano COMO FUNCIONA O “GALINHO DO TEMPO”?

O galinho do tempo é revestido com o sal de cloreto de cobalto II que quando está hidratado fica cor de rosa, mas quando está anidro fica na cor azul. Você já viu algum “galinho do tempo”? São aqueles bibelôs na forma de um pequeno galo que, dependendo das condições climáticas, pode ficar na cor azul ou na cor rosa. Se este enfeite estiver na cor rosa é indicio de que provavelmente o tempo ficará chuvoso e fará frio. Mas se ele estiver azul, provavelmente o dia permanecerá quente sem previsões de chuvas. É bem verdade que a previsão do tempo é algo muito mais complexo que envolve várias variáveis. Atualmente, a meteorologia utiliza de muitos equipamentos que estudam as propriedades da atmosfera para conseguir prever se irá chover ou não, tais como barômetros (medem a pressão do ar), termômetros (medem a temperatura do ar) e higrômetros (medem a umidade). Assim, os galinhos do tempo na verdade não conseguem determinar as variações do tempo que ocorrerão no futuro; em vez disso, eles apenas servem para registrar as variações do clima no momento. Mas, como ele faz isso? Bem, esse bibelô possui uma solução aquosa de cloreto de cobalto II em sua superfície, que estabelece o seguinte equilíbrio químico:

[CoCℓ4]2-(aq) + 6 H2O(ℓ)↔ [Co(H2O)6]2+

(aq) + 4 Cℓ1-

(aq) O íon [CoCl4]

2-(aq) apresenta cor azul, sendo que o seu número de coordenação (quantidade de ânions que cercam o

cátion no arranjo cristalino) é 4. Já o íon [Co(H2O)6]2+ apresenta cor rosa e seu número de coordenação é igual a 6.

Segundo o Princípio de Le Chatelier, esse equilíbrio pode ser deslocado para a direita, deixando o sal rosa ou para a esquerda, ficando com a cor azul. Existem dois fatores no caso dos “galinhos do tempo” que podem deslocar o equilíbrio iônico dessa reação, que são: 1- Grau de hidratação: Quando o tempo está seco o sal fica anidro, visto que a quantidade de água na atmosfera é baixa, o equilíbrio se desloca no sentido da reação inversa, de formação da água e do íon [CoCl4]

2-. Assim, o sal fica azul, indicando que o tempo está seco, sem previsão de chuva. No entanto, quando o ar está úmido a reação é deslocada no sentido da reação direta, de formação do sal hidratado ([Co(H2O)6]

2+), que é rosa. Portanto, quando o galo fica rosa, indica tempo úmido com possibilidade de chuva. 2- Variação da temperatura: Em dias quentes (temperatura alta) o equilíbrio da reação se desloca no sentido da reação que absorve calor (endotérmica), que, nesse caso, é a inversa. O galo fica, então, azul, confirmando que o tempo será de calor.

Já em dias frios, a temperatura baixa faz com que o equilíbrio seja deslocado no sentido da reação que libera calor (exotérmica), que, no exemplo considerado aqui é a direta. Nesse caso, o galinho do tempo fica rosa, confirmando que será um dia frio.


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REFRIGERANTE: Em uma garrafa de refrigerante, ou cerveja, há pelo menos uma reação química reversível ocorrendo a todo o tempo. Essa reação é a decomposição/formação do ácido carbônico (H2CO3), que se decompõe em H2O e CO2 .

A reação de decomposição do ácido carbônico está em equilíbrio químico, pois a medida em que ocorre a decomposição, também ocorre a formação de ácido carbônico. Dessa forma, pode-se dizer que esta é uma reação que representa um estado de equilíbrio, que pode ser perturbado por aumento de temperatura, variação na pressão do sistema e concentração das espécies envolvidas. Quando a garrafa de refrigerante ou cerveja é aberta, ocorre a diminuição da pressão em seu interior, ocorrendo um deslocamento do equilíbrio da reação de decomposição do ácido carbônico, para o lado de maior número de mols gasosos, ou seja, a diminuição da pressão favorece a decomposição do ácido carbônico, liberando gás carbônico para a atmosfera. Esse deslocamento de equilíbrio segue o princípio de Le Chatelier. O estado de equilíbrio também pode ser deslocado pelo aumento da temperatura, ou seja, caso um pouco de refrigerante seja aquecido, haverá grande liberação de gás, antes do líquido começar a evaporar. O gás que será liberado é gás carbônico, o produto da reação direta da decomposição do ácido carbônico (esse exemplo também pode ser explicado por cinética química), o que provocará no refrigerante uma modificação em seu gosto. Quando um refrigerante é deixado muito tempo aberto, ou o seu gás escapa totalmente, há uma alteração no gosto, pois há perda de CO2, logo, perda de H2CO3. Com a perda do ácido carbônico, o sabor ácido diminui. Os dois exemplos discutidos neste texto mostram sistemas nos quais o equilíbrio químico é perturbado e as reações reversíveis que ocorrem para estabelecer novamente o estado de equilíbrio. Além desses exemplos, há diversos outros, tais como a troca gasosa em nossos pulmões, quando respiramos, ou a troca de grupos OH– por F– no esmalte dos dentes, quando os limpamos com creme dental.

LENTES FOTOCROMÁTICAS: Os óculos fotocromáticos, ou óculos com lentes fotocromáticas estão bastante difundidos no nosso cotidiano. Mas talvez você não os conheça por esse nome. Os óculos com lentes fotocromáticas são aqueles que as lentes mudam de cor, conforme a intensidade luminosa. Quando uma pessoa com lentes fotocromáticas está dentro de um ambiente fechado, as lentes ficam praticamente incolores, mas quando esta pessoa sai para o ambiente a céu aberto, as lentes tendem a ficar com uma coloração escura (isso não ocorre se for durante o período noturno). Essa mudança de coloração nas lentes é devida à uma reação química reversível.


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