Considere que, na temperatura T_{0}, a constante de equilíbrio para a reação de decomposição do \mathrm{N}_{2} \mathrm{O}_{4}(\mathrm{~g}) seja igual a 4,0, assumindo comportamento ideal dos gases.
\mathrm{N}_{2} \mathrm{O}_{4}(\mathrm{~g})+\text { calor } \rightleftharpoons 2 \mathrm{NO}_{2}(\mathrm{~g})
Se, em determinado instante, na temperatura \mathrm{T}_{\mathrm{o}}, as pressões parciais de \mathrm{N}_{2} \mathrm{O}_{4}(\mathrm{~g}) e \mathrm{NO}_{2}(\mathrm{~g}) forem iguais a 0,16 bar e 0,80 bar, respectivamente, então:
a) a reação não se encontrará em equilíbrio, mas as velocidades das reações direta e inversa serão iguais e diferentes de zero.
b) a reação se encontrará em equilíbrio, e a velocidade tanto da reação direta quanto da reação inversa será igual a zero.
c) a reação se encontrará em equilíbrio, e as velocidades das reações direta e inversa serão iguais.

Passo 1

O enunciado fornece os seguintes dados e pede que a gente escolha qual das afirmativas (a), (b) ou (c) está correta para a situação dada. Dados relevantes:
  • A constante de equilíbrio, à temperatura \mathrm{T}_{0}, é \;K_p=4{,}0.
  • A reação é \mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{4}(\mathrm{g})+ calor \rightleftharpoons 2\mathrm{NO}_{2}(\mathrm{g}).
  • Em um instante, as pressões parciais são \;p_{\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{4}}=0{,}16\\ \text{bar} e \;p_{\mathrm{NO}_{2}}=0{,}80\\ \text{bar}.
    As perguntas implícitas que devemos responder:
  • A mistura está em equilíbrio nessa condição?
  • Se estiver (ou não), como se comportam as velocidades das reações direta e inversa (iguais/diferentes; zero/não zero)?

Passo 2

Conceitos essenciais (mini-aula rápida e prática):
  • Para reações gasosas na forma \mathrm{A} \rightleftharpoons \mathrm{B}, a constante de equilíbrio em pressões ( K_p) é dada por uma expressão que combina as pressões parciais dos gases, com expoentes iguais aos coeficientes estequiométricos.
  • Para a reação \mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{4}(\mathrm{g}) \rightleftharpoons 2\mathrm{NO}_{2}(\mathrm{g}), a expressão de K_p (e também do quociente de reação Q_p) é:
K_p \;=\; \frac{(p_{\mathrm{NO}_2})^{2}}{p_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}_4}}
  • Aqui:
    • p_{\mathrm{NO}_2} é a pressão parcial do \mathrm{NO}_2,
    • p_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}_4} é a pressão parcial do \mathrm{N}_2\mathrm{O}_4.
  • O quociente de reação Q_p tem a mesma expressão que K_p, só que com as pressões presentes no instante considerado. Comparando Q_p com K_p:
    • Se Q_p<K_p: a reação progride no sentido direto (formar mais produtos).
    • Se Q_p>K_p: a reação progride no sentido inverso (formar mais reagentes).
    • Se Q_p=K_p: o sistema está em equilíbrio químico.
  • No equilíbrio químico dinâmico, as velocidades da reação direta ( v_{\text{dir}}) e inversa ( v_{\text{inv}}) são iguais, de modo que a variação líquida das concentrações/pressões é zero. Isso não significa que as velocidades sejam zero — geralmente são diferentes de zero (ocorre troca contínua de moléculas entre formas).

Passo 3

Calcular o quociente de reação Q_p usando as pressões dadas:
Q_p \;=\; \frac{(p_{\mathrm{NO}_2})^{2}}{p_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}_4}}
Substituindo p_{\mathrm{NO}_2}=0{,}80\\ \text{bar} e p_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}_4}=0{,}16\\ \text{bar}:
Q_p \;=\; \frac{(0{,}80)^{2}}{0{,}16} \;=\; \frac{0{,}64}{0{,}16} \;=\; 4{,}0.

Passo 4

Comparação e interpretação:
  • Encontramos Q_p=4{,}0 e o enunciado diz que K_p=4{,}0. Portanto Q_p=K_p.
  • Conclusão: a mistura está em equilíbrio químico à temperatura \mathrm{T}_{0}.
  • Implicação sobre velocidades: no equilíbrio as velocidades da reação direta e da inversa são iguais. Isso faz com que a variação líquida das pressões seja zero. Porém, isso não implica que as velocidades sejam zero — elas costumam ser diferentes de zero (é um equilíbrio dinâmico).

Passo 5

Analisando as alternativas:
  • (a) diz que a reação não está em equilíbrio => falso, pois Q_p=K_p.
  • (b) diz que está em equilíbrio e que as velocidades direta e inversa são iguais a zero => falso, porque em equilíbrio dinâmico as velocidades são iguais mas normalmente não são zero.
  • (c) diz que está em equilíbrio e as velocidades direta e inversa serão iguais => isso é exatamente o que decorre de Q_p=K_p (equilíbrio dinâmico). Portanto (c) é a alternativa correta.

Resposta

c) a reação se encontrará em equilíbrio, e as velocidades das reações direta e inversa serão iguais.

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