01 (UFRJ-RJ) Um método de produção de cianeto de hidrogênio é a nitrogenação do acetileno em fase gasosa, de acordo com a equação:
. O diagrama a seguir indica os valores das concentrações (em mol/L) dos compostos N2, C2H2 e HCN em equilíbrio, várias temperaturas diferentes e mostra que a temperaturas distintas correspondem diferentes condições de equilíbrio.
Explique por que a reação de produção de HCN é endotérmica.
Explique por que a reação de produção de HCN é endotérmica.
Passo 1
O enunciado dá a reação em fase gasosa
e diz que um diagrama (fornecido pelo enunciado) mostra as concentrações em equilíbrio dos três gases em várias temperaturas. Do diagrama retiramos (essa é a informação relevante que estou usando) que, quando a temperatura aumenta, a concentração de
no equilíbrio aumenta enquanto as concentrações de
e
diminuem. A pergunta é: explique por que a reação de produção de HCN é endotérmica.
Passo 2
Definir o que é constante de equilíbrio e como ela se relaciona com as concentrações: para essa reação, a constante de equilíbrio em termos de concentrações (
) é
Aqui
,
e
são as concentrações em mol·L^{-1} no equilíbrio. O valor de
indica a posição de equilíbrio: quanto maior
, mais deslocado o equilíbrio para os produtos (mais HCN relativo aos reagentes).
Passo 3
Interpretação direta do diagrama em termos de
: como do diagrama observamos que ao aumentar a temperatura
aumenta e
e
diminuem, o quociente
aumenta com a temperatura. Ou seja,
cresce quando a temperatura aumenta.
Passo 4
Lançando mão da ideia de Le Châtelier (explicação intuitiva): temperatura é como adicionar ou remover “calor”. Se, ao aumentar
, o equilíbrio desloca-se para os produtos, significa que o sistema absorve calor ao formar produtos — porque aportar calor favorece o lado que consome calor. Isso já dá uma indicação qualitativa de que a formação de HCN é um processo que consome energia (endotérmico). Mas vamos tornar isso quantitativo com a equação de van’t Hoff.
Passo 5
Apresentar e usar a equação de van’t Hoff (a aula rápida): a relação entre a variação de
com
e a entalpia padrão da reação
é
onde
é a constante dos gases e
a temperatura absoluta. Consequência prática: se
aumenta com
(ou seja,
), então o lado direito da equação diz que
. E
significa que a reação é endotérmica (absorve calor).
Passo 6
Aplicando ao nosso caso: do Passo 3 concluímos que
aumenta quando
aumenta. Pela equação de van’t Hoff isso implica
Portanto a formação de HCN a partir de
e
é endotérmica. Podemos também ver isso pela lógica de Le Châtelier: aquecer favoreceu os produtos, logo a reação direta consome calor.
Passo 7
Resumo intuitivo e dica para prova: olhar se, ao aumentar
, os produtos aumentam ou diminuem. Se produtos aumentam → processo direto é endotérmico. Se produtos diminuem → processo direto é exotérmico. Para justificar rigorosamente, usar a equação de van’t Hoff e o sinal de
.
Resposta
A reação é endotérmica porque, no diagrama, o aumento da temperatura aumenta
(portanto
aumenta com
); pela equação de van’t Hoff
, isso implica
.