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13.2: Equilíbrios químicos

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    objetivos de aprendizagem

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Descreva a natureza dos sistemas de equilíbrio
    • Explicar a natureza dinâmica de um equilíbrio químico

    A convenção para escrever equações químicas envolve colocar fórmulas de reagentes no lado esquerdo de uma seta de reação e fórmulas de produtos no lado direito. Por essa convenção e pelas definições de “reagente” e “produto”, uma equação química representa a reação em questão como procedendo da esquerda para a direita. As reações reversíveis, no entanto, podem ocorrer nas direções para frente (da esquerda para a direita) e para trás (da direita para a esquerda). Quando as taxas das reações direta e reversa são iguais, as concentrações do reagente e da espécie do produto permanecem constantes ao longo do tempo e o sistema está em equilíbrio. As concentrações relativas de reagentes e produtos nos sistemas de equilíbrio variam muito; alguns sistemas contêm principalmente produtos em equilíbrio, alguns contêm principalmente reagentes e alguns contêm quantidades apreciáveis de ambos.

    A Figura 13.2 ilustra conceitos fundamentais de equilíbrio usando a decomposição reversível do tetróxido de dinitrogênio incolor para produzir dióxido de nitrogênio marrom, uma reação elementar descrita pela equação:

    N2O4(g)2NÃO2(g)N2O4(g)2NÃO2(g)

    Observe que uma seta dupla especial é usada para enfatizar a natureza reversível da reação.

    Um diagrama de três partes é mostrado e rotulado como “a”, “b” e “c”. Na parte a, na parte superior do diagrama, são mostrados três copos, e cada um contém um tubo selado. O tubo no copo esquerdo é rotulado como “t é igual a 0”. Ele está cheio de um gás incolor que é conectado a uma visão ampliada das partículas no tubo por uma seta voltada para baixo. Essa visão de partículas mostra sete partículas, cada uma composta por duas esferas azuis conectadas. Cada esfera azul está conectada a duas esferas vermelhas. Esse tipo de partícula é rotulado como “N subscrito 2 O subscrito 4”. O tubo no copo médio é rotulado como “pré-equilíbrio”. Ele está cheio de um gás marrom claro que é conectado a uma visão ampliada das partículas no tubo por uma seta voltada para baixo. Essa visão de partículas mostra nove partículas, cinco das quais são compostas por duas esferas azuis conectadas. Cada esfera azul está conectada a duas esferas vermelhas. Esse tipo de partícula é rotulado como “N subscrito 2 O subscrito 4”. As quatro restantes são compostas por duas esferas vermelhas conectadas a uma esfera azul. Esse tipo de partícula é rotulado como “N O subscrito 2”. O tubo no copo direito é rotulado como “em equilíbrio”. Ele está cheio de um gás marrom que é conectado a uma visão ampliada das partículas no tubo por uma seta voltada para baixo. Essa visão de partículas mostra onze partículas, três das quais são compostas por duas esferas azuis conectadas. Cada esfera azul está conectada a duas esferas vermelhas. As oito restantes são compostas por duas esferas vermelhas conectadas a uma esfera azul. Na parte b, no meio da imagem, há um gráfico. Esse gráfico tem um eixo y chamado “Concentração” e um eixo x chamado “Tempo”. Uma linha vermelha chamada “N O subscrito 2" começa no canto inferior esquerdo do gráfico em um ponto chamado “0" e sobe perto do ponto mais alto do eixo y antes de se nivelar e se tornar horizontal. Uma linha azul chamada “N subscrito 2 O subscrito 4" começa perto do ponto mais alto do eixo y e cai abaixo do ponto médio do eixo y antes de se nivelar. Na parte c, na parte inferior da imagem há outro gráfico. Esse gráfico tem um eixo y chamado “Taxa” e um eixo x chamado “Tempo”. Uma linha vermelha chamada “k subscrito f, [N subscrito 2 O subscrito 4]” começa no canto inferior esquerdo do gráfico em um ponto chamado “0" e sobe perto do meio do eixo y antes de se nivelar e se tornar horizontal. Uma linha azul chamada “k subscrito f, [N O subscrito 2] sobrescrito 2” começa perto do ponto mais alto do eixo y e cai até o mesmo ponto no eixo y que a linha vermelha antes de se nivelar. O ponto em que ambas as linhas se tornam horizontais é rotulado como “Equilíbrio alcançado”.
    Figura 13.2 (a) Um tubo selado contendo N 2 O 4 incolor escurece à medida que se decompõe para produzir NO 2 marrom. (b) Mudanças na concentração ao longo do tempo à medida que a reação de decomposição atinge o equilíbrio. (c) Em equilíbrio, as taxas de reação direta e reversa são iguais.

    Para esse processo elementar, as leis de taxa para as reações direta e reversa podem ser derivadas diretamente da estequiometria da reação:

    avaliarf=kf[N2O4]avaliarf=kf[N2O4]
    avaliarr=kr[NÃO2]2avaliarr=kr[NÃO2]2

    Quando a reação começa (t = 0), a concentração do reagente N 2 O 4 é finita e a do produto NO 2 é zero, então a reação direta prossegue a uma taxa finita, enquanto a taxa de reação reversa é zero. Com o passar do tempo, N 2 O 4 é consumido e sua concentração diminui, enquanto o NO 2 é produzido e sua concentração aumenta (Figura 13.2 b). A diminuição da concentração do reagente diminui a taxa de reação direta e o aumento da concentração do produto acelera a taxa de reação reversa (Figura 13.2 c). Esse processo continua até que as taxas de reação direta e reversa se tornem iguais, momento em que a reação atinge o equilíbrio, caracterizado pelas concentrações constantes de seus reagentes e produtos (áreas sombreadas da Figura 13.2 b e Figura 13.2). c). É importante enfatizar que os equilíbrios químicos são dinâmicos; uma reação em equilíbrio não “parou”, mas prossegue nas direções para frente e para trás na mesma taxa. Essa natureza dinâmica é essencial para entender o comportamento de equilíbrio, conforme discutido neste e nos capítulos subsequentes do texto.

    Duas pessoas são mostradas jogando pinos de malabarismo uma para a outra.
    Figura 13.3 Um ato de malabarismo com duas pessoas ilustra o aspecto dinâmico dos equilíbrios químicos. Cada pessoa está jogando e pegando tacos no mesmo ritmo, e cada uma tem um número (aproximadamente) constante de tacos.

    Mudanças físicas, como transições de fase, também são reversíveis e podem estabelecer equilíbrios. Esse conceito foi introduzido em outro capítulo deste texto por meio da discussão da pressão de vapor de uma fase condensada (líquida ou sólida). Como exemplo, considere a vaporização do bromo:

    Br2(l)Br2(g)Br2(l)Br2(g)

    Quando o bromo líquido é adicionado a um recipiente vazio e o recipiente é selado, o processo de avanço descrito acima (vaporização) começará e continuará a uma taxa aproximadamente constante, desde que a área de superfície exposta do líquido e sua temperatura permaneçam constantes. À medida que quantidades crescentes de bromo gasoso são produzidas, a taxa do processo inverso (condensação) aumentará até que seja igual à taxa de vaporização e o equilíbrio seja estabelecido. Uma fotografia mostrando esse equilíbrio de transição de fase é fornecida na Figura 13.4.

    É mostrado um recipiente de vidro cheio de um gás marrom-alaranjado e uma pequena quantidade de líquido laranja escuro.
    Figura 13.4 Um tubo selado contendo uma mistura de equilíbrio de bromo líquido e gasoso. (crédito: http://images-of-elements.com/bromine.php)