Considere o seguinte sistema em equilíbrio químico:
\mathrm{N}_{2}(g)+3 \mathrm{H}_{2}(g) \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_{3}(g) \quad \Delta H<0
Sobre esse sistema, assinale a alternativa correta:
◯ a. A diminuição da pressão desloca o equilíbrio para a direita, favorecendo a formação de \mathrm{NH}_{3}.
◯ b. O aumento da concentração de \mathrm{H}_{2} desloca o equilíbrio para a direita, favorecendo a formação de \mathrm{NH}_{3}.
◯ c. O aumento da temperatura desloca o equilíbrio no sentido da formação de amônia \left(\mathrm{NH}_{3}\right).
◯ d. A remoção de \mathrm{NH}_{3} desloca o equilíbrio para a esquerda.
◯ e. A adição de um catalisador desloca o equilíbrio para a direita, aumentando a quantidade de \mathrm{NH}_{3}.

Passo 1

O enunciado nos dá o sistema em equilíbrio:
\mathrm{N}_2(g) + 3\,\mathrm{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NH}_3(g)
com \Delta H < 0 (reação exotérmica).
Pede-se que se assinale a alternativa correta entre as opções (a) a (e), que descrevem como o equilíbrio se desloca quando ocorrem perturbações: mudança de pressão, mudança de concentração de \mathrm{H}_2, mudança de temperatura, remoção de \mathrm{NH}_3 ou adição de catalisador.
Informações relevantes dadas:
  • Equação química e estequiometria: à esquerda há 1 mol de \mathrm{N}_2 e 3 mols de \mathrm{H}_2 (total 4 mols gasosos) e à direita 2 mols de \mathrm{NH}_3 (total 2 mols gasosos).
  • A reação é exotérmica ( \Delta H<0).
    As alternativas a analisar são exatamente as cinco fornecidas.

Passo 2

Princípio que usaremos (explicadinho): Princípio de Le Chatelier. Ele diz, em palavras simples:
  • Se um sistema em equilíbrio for perturbado (mudança de concentração, pressão, temperatura etc.), o equilíbrio se desloca no sentido que tende a diminuir o efeito da perturbação.
    Para aplicar isso com precisão, às vezes é útil usar o quociente de reação Q (forma análoga à constante de equilíbrio K):
Q=\frac{P_{\mathrm{NH}_3}^2}{P_{\mathrm{N}_2}\,P_{\mathrm{H}_2}^3}
onde P_X é a pressão parcial do gás X. Se, após uma perturbação, Q<K a reação progride no sentido direto (para a formação de produtos); se Q>K ela progride no sentido inverso (formação de reagentes). Para temperatura usamos também a ideia de que, para reações exotérmicas, aumentar T favorece o sentido endotérmico (consome calor).

Passo 3

Efeito da pressão: quando se altera a pressão total através de variação do volume, o equilíbrio tende a favorecer o lado com menor número de mols gasosos.
  • Aqui o número de mols gasosos do lado dos reagentes é 1+3=4.
  • Do lado dos produtos é 2.
    Logo, um aumento da pressão (por redução do volume) desloca o equilíbrio para o lado com menos mols — isto é, para a direita, favorecendo a formação de \mathrm{NH}_3.
    Mas a alternativa (a) diz que a diminuição da pressão desloca o equilíbrio para a direita. Isso é o contrário do que o princípio de Le Chatelier prevê para gases: a diminuição da pressão (aumento do volume) favorece o lado com mais mols (à esquerda). Portanto a alternativa (a) é falsa.

Passo 4

Efeito de aumento da concentração de \mathrm{H}_2: se adiciona \mathrm{H}_2, a concentração (ou pressão parcial) de \mathrm{H}_2 sobe, o que aumenta o denominador do quociente Q e faz com que, imediatamente após a adição, tipicamente Q<K. Pelo princípio de Le Chatelier, o equilíbrio se desloca para o lado que consome o excesso — isto é, para a direita — formando mais \mathrm{NH}_3 até restabelecer Q=K. Portanto a alternativa (b) é verdadeira. (Explicando de outro jeito: adicionar reagente favorece a reação direta.)

Passo 5

Efeito da temperatura (reação exotérmica): para uma reação exotérmica ( \Delta H<0), o aquecimento adiciona “calor” ao sistema; Le Chatelier diz que o equilíbrio se desloca no sentido que absorve esse calor, ou seja, no sentido endotérmico (a reação inversa aqui). Matematicamente há também a relação de van ’t Hoff:
\frac{d\ln K}{dT}=\frac{\Delta H^\circ}{R T^2}.
Como \Delta H^\circ<0, \dfrac{d\ln K}{dT}<0, ou seja, K diminui quando T aumenta — menos produto no equilíbrio. Logo, aumentar a temperatura desloca o equilíbrio no sentido dos reagentes (para a esquerda), não para a formação de \mathrm{NH}_3. Assim a alternativa (c) é falsa.

Passo 6

Efeito da remoção de \mathrm{NH}_3: se retira produto do sistema, a concentração (ou pressão parcial) de \mathrm{NH}_3 diminui, e imediatamente Q<K. Pelo princípio de Le Chatelier, o equilíbrio desloca-se para a direita para produzir \mathrm{NH}_3 e compensar a remoção. A alternativa (d) afirma justamente o oposto (diz que a remoção desloca para a esquerda). Portanto a alternativa (d) é falsa.

Passo 7

Efeito do catalisador: um catalisador aumenta a velocidade das reações direta e inversa na mesma proporção, reduzindo o tempo para atingir o equilíbrio, mas não altera a posição do equilíbrio nem a constante K. Ou seja, não aumenta a quantidade de \mathrm{NH}_3 no equilíbrio; só faz o equilíbrio ser atingido mais rápido. Portanto a alternativa (e) é falsa.

Passo 8

Resumo das análises:
  • (a) falsa;
  • (b) verdadeira;
  • (c) falsa;
  • (d) falsa;
  • (e) falsa.
    Foram usadas as regras de Le Chatelier, contagem de mols gasosos para efeito da pressão, análise por Q e dependência de K com T para reações exotérmicas.

Resposta

b.

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