13.2: Equilíbrios químicos
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- 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:
Observe que uma seta dupla especial é usada para enfatizar a natureza reversível da reação.
Para esse processo elementar, as leis de taxa para as reações direta e reversa podem ser derivadas diretamente da estequiometria da reação:
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.
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:
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.