03 - (EFEI-MG) Considere o seguinte equilíbrio a
:
. O gás tetróxido de dinitrogênio é um gás incolor, enquanto o dióxido de nitrogênio é um gás marrom castanho. Numa mistura desses gases em equilíbrio, a cor visível é, portanto, a cor castanha, mas esta pode “clarear” ou “escurecer”, conforme o equilíbrio é deslocado. Explique como mudará a cor de uma seringa de vidro fechada (volume constante) contendo uma mistura dos dois gases em equilíbrio quando:
a) algum N2O4 é adicionado;
b) todo NO 2 original é removido;
c) a pressão total é aumentada, pela admissão de gás inerte, nitrogênio (N2), por exemplo;
d) a seringa for colocada num copo com água gelada
a) algum N2O4 é adicionado;
b) todo NO 2 original é removido;
c) a pressão total é aumentada, pela admissão de gás inerte, nitrogênio (N2), por exemplo;
d) a seringa for colocada num copo com água gelada
Passo 1
O enunciado dá a reação de equilíbrio a
:
com
. Informa-se que
é um gás incolor e
é um gás marrom‑castanho. A mistura em equilíbrio tem cor castanha devido à presença de
. O sistema considerado é uma seringa de vidro fechada com volume constante.
As perguntas são: como mudará a cor da seringa quando, separadamente,
a) algum for adicionado;
b) todo original for removido;
c) a pressão total for aumentada pela admissão de gás inerte (por exemplo, );
d) a seringa for resfriada (colocada num copo com água gelada).
As perguntas são: como mudará a cor da seringa quando, separadamente,
a) algum
b) todo
c) a pressão total for aumentada pela admissão de gás inerte (por exemplo,
d) a seringa for resfriada (colocada num copo com água gelada).
Passo 2
Conceitos e fórmulas que vamos usar (explicados devagar e sem pular etapas):
- Constante de equilíbrio em termos de pressões parciais. Para a reação dada definimos
onde
é a pressão parcial do gás
. Aqui
é constante para uma dada temperatura.
- Coeficiente de reação
(quociente de reação instantâneo): é calculado pela mesma expressão de mas com as pressões do estado atual:
Se
o equilíbrio desloca‑se no sentido direto (para a direita), produzindo mais
. Se
desloca‑se no sentido inverso (para a esquerda), formando mais
.
- Pressão parcial e volume fixo. A pressão parcial de um componente é dada por
onde
é o número de mols do componente
,
é a constante dos gases e
o volume do recipiente. Se o volume
é constante e não mudam os
dos reagentes/produtos, então as suas pressões parciais não mudam, mesmo que a pressão total aumente por adição de um gás inerte.
- Princípio de Le Chatelier (explicado de forma simples): se um sistema em equilíbrio for perturbado (por mudança de concentração, pressão parcial de um reagente/produto ou temperatura), o equilíbrio desloca‑se no sentido que tende a contrariar a perturbação. Para temperatura, tratar o calor como se fosse um reagente: para uma reação endotérmica (como a dada,
), o aumento de temperatura favorece a reação direta (absorve calor) e a diminuição de temperatura favorece a reação inversa (libera calor).
Com essas ideias podemos analisar cada perturbação medindo o efeito sobre
,
e sobre a temperatura, e então usar
vs
e Le Chatelier para prever a direção do deslocamento do equilíbrio — e, portanto, se a cor (proporção de
) clareia ou escurece.
Passo 3
O que acontece numeric/qualitativamente:
- Ao adicionar
ao volume fixo, o número de mols de aumenta, logo sua pressão parcial aumenta. - O quociente de reação atual
diminui porque o denominador aumenta (assumindo instantaneamente inalterado no momento da adição). - Se
torna‑se menor que (ou seja, ), o equilíbrio desloca‑se para a direita para restabelecer . Isso significa que parte do adicionada se dissocia em .
Efeito na cor: - Como
é marrom‑castanho, o aumento da produção de torna a mistura mais escura (mais castanho).
Observação prática: - A adição inicial é de um gás incolor (
), então imediatamente após a adição pode haver uma leve “diluição” visual, mas rapidamente a reação se desloca para a direita e a cor final será mais castanha do que antes.
Passo 4
O que acontece:
- Se removemos todo o
, então instantaneamente , e portanto . - Como
, o equilíbrio desloca‑se fortemente para a direita, dissociando em até que atinja novamente.
Efeito na cor: - Imediatamente após a remoção fica praticamente incolor (porque
foi retirado). Em seguida, à medida que a reação vai para a direita, é re‑formado e a coloração marrom reaparece e se intensifica até o novo equilíbrio.
Resumo temporal: - Instantâneo: clareamento (quase incolor).
- Depois: escurecimento progressivo até atingir um novo estado marrom‑castanho (novo equilíbrio).
Passo 5
Explicação cuidadosa:
- Ao introduzir um gás inerte num volume fixo, adicionamos mols de gás que não participam da reação. Os números de mol dos reagentes/produtos (
e ) não mudam no instante da adição. - As pressões parciais dos componentes participantes são
. Como , , e não mudaram (assumindo a admissão feita sem aquecer ou esfriar o sistema), os e permanecem os mesmos. - A pressão total aumenta, mas isso não altera
nem (em temperatura constante), portanto não há deslocamento do equilíbrio.
Efeito na cor: - Não há mudança observável na cor da mistura de equilíbrio (nenhum escurecimento nem clareamento) por conta da admissão de gás inerte a volume fixo.
Observação adicional (frequente fonte de dúvida): se a admissão do gás inerte for feita de modo a alterar a temperatura ou se o volume não for fixo, a conclusão pode mudar. Aqui o enunciado especifica volume constante, então nenhum efeito.
Passo 6
Usando a ideia “calor como reagente”:
- A reação direta é endotérmica (
), então podemos escrever simbolicamente:
- Ao resfriar o sistema removemos “calor” do equilíbrio; pelo princípio de Le Chatelier, o sistema tende a produzir calor, deslocando‑se no sentido exotérmico, que é o sentido inverso (formação de
).
Consequência prática: - O deslocamento para a esquerda aumenta a fração de
(incolor) e diminui a de (marrom), portanto a cor vai clarear (ficar menos castanha).
Observação: quanto mais se resfriar, mais o equilíbrio se desloca para a esquerda, clareando mais a amostra.
Resposta
(a) A mistura ficará mais escura (mais castanha) — o equilíbrio desloca‑se para a direita formando mais
.
(b) Imediatamente clareia (quase incolor) ao remover todo ; depois escurece novamente à medida que o equilíbrio se desloca para a direita e re‑forma
.
(c) Não há mudança de cor (nenhum deslocamento do equilíbrio) ao admitir gás inerte a volume constante.
(d) A mistura clareia (torna‑se menos castanha): o resfriamento desloca o equilíbrio para a esquerda, formando mais .
(b) Imediatamente clareia (quase incolor) ao remover todo
(c) Não há mudança de cor (nenhum deslocamento do equilíbrio) ao admitir gás inerte a volume constante.
(d) A mistura clareia (torna‑se menos castanha): o resfriamento desloca o equilíbrio para a esquerda, formando mais