Descreva um experimento que poderia ser usado para determinar o valor da constante de equilíbrio para a reação do item (a).
Resposta: (c) Introduza uma quantidade conhecida de
em um recipiente de volume conhecido a temperatura (conhecida) constante. Depois que o equilíbrio foi estabelecido, meça a pressão total no frasco. Usando uma tabela de equilíbrio, calcule as pressões e as concentrações no equilíbrio, bem como o valor de Keq
Resposta: (c) Introduza uma quantidade conhecida de
Passo 1
Vou explicar exatamente o que o enunciado pede e quais informações temos (sem começar a resolver ainda). O pedido é: descrever um experimento que permita determinar a constante de equilíbrio para a reação do item (a). O enunciado-resposta fornecido indica que a espécie inicial é
e a ideia é introduzir uma quantidade conhecida dessa substância num frasco de volume conhecido à temperatura constante, esperar o equilíbrio e medir a pressão total. Então assumirei, como a reação provável do item (a), a seguinte equação de equilíbrio gasoso (conservando átomos):
Informações relevantes extraídas do enunciado / resposta que vou usar:
- vamos conhecer a quantidade inicial em mols de
(vou chamar de ); - o volume do frasco é conhecido (vou chamar de
); - a temperatura é mantida constante e conhecida (vou chamar de
); - mediremos a pressão total no equilíbrio (vou chamar de
); - assumiremos comportamento de gás ideal para relacionar pressão, volume e número de mols.
Passo 2
Conceito que precisamos usar: constante de equilíbrio em termos de pressões parciais (
). Para uma reação gasosa genérica
a constante
é
onde cada
é a pressão parcial do gás
no equilíbrio. Aqui, as potências são os coeficientes estequiométricos. No nosso caso específico,
Explicando as variáveis:
-
é a pressão parcial de no equilíbrio; -
é a pressão parcial de no equilíbrio; -
é a pressão parcial de no equilíbrio.
Passo 3
Preparação experimental (o “como montar” na prática). Passos que eu faria no laboratório:
- Escolher um frasco rígido e hermético de volume conhecido
(por exemplo, um bulbo com torneira) e um manômetro/pressão- transdutor para medir pressão total. - Aquecer/estabilizar o conjunto à temperatura desejada
(usar um banho termostático) até que esteja bem controlada e conhecida. - Introduzir no frasco uma quantidade conhecida
(em mols) de . No início assumir que não há nem . - Fechar hermeticamente e aguardar até que o sistema atinja equilíbrio (verificar estabilização da pressão ao longo do tempo).
- Medir a pressão total no equilíbrio
com o manômetro; anotar , e .
Observações práticas rápidas: evitar vazamentos, garantir que não haja contaminação, repetir o experimento para reduzir erro e trabalhar em um intervalo de pressão/temperatura onde os gases se comportam praticamente como ideais.
Passo 4
Calcular a pressão inicial aproximada de
antes de qualquer reação usando a lei dos gases ideais. Como eu introduzi
mol de
em volume
a temperatura
, a pressão parcial inicial (antes da reação) é
onde
é a constante dos gases (por exemplo,
se usar pressão em atm e volume em L). Aqui
é a pressão que
exerceria se nenhum produto estivesse presente.
Passo 5
Montar a tabela do tipo ICE (Inicial — Mudança — Equilíbrio) em termos de pressões parciais, que é o método direto quando lidamos com gases e
. Vou chamar o progresso da reação por
(em unidades de pressão, já que trabalhamos com pressões parciais).
- Pressões iniciais (antes da reação):
- Mudanças ao atingir o equilíbrio (reação direta consome
e produz e ): - Pressões no equilíbrio:
Expliquei por que cada mudança é
: os coeficientes estequiométricos da reação são todos iguais a 1 na forma escrita, então cada mol de
que reage reduz sua pressão parcial na mesma quantidade de pressão que aparece para
e
.
Passo 6
Relacionar a pressão total medida
com as pressões parciais da tabela. A pressão total no equilíbrio é soma das pressões parciais:
Substituindo as expressões do passo anterior:
Portanto, isolando
:
Isso é muito prático: medindo
e sabendo
(a partir de
) eu obtenho
sem necessidade de outra medição direta da composição.
Passo 7
Calcular explicitamente as pressões parciais no equilíbrio a partir de
. Usando
, obtemos:
É importante conferir que essas pressões são positivas; se algum valor der negativo, significa que os dados experimentais ou suposições (por exemplo, nenhum produto inicial) estão inconsistentes.
Passo 8
Calcular
substituindo as pressões no expressão de
. Lembre que
Substituindo as fórmulas do passo anterior:
Expliquei cada termo:
é medido,
é calculado por
. Assim eu obtenho numericemente
.
Passo 9
Se for necessário o valor de
(constante em termos de concentrações), uso a relação entre
e
:
onde
é a variação no número de mols gasosos (produtos menos reagentes). No nosso caso,
Então
Aqui explicar o que é cada coisa:
na unidade compatível com as unidades de
e
(por exemplo
se
em atm e concentração em mol·L^{-1}) e
em Kelvin. Isso converte a constante de pressões para a constante de concentrações.
Passo 10
Verificação, possíveis fontes de erro e dicas para a prova e laboratório:
- Verifique unidades:
deve ser consistente com em atm (ou outra unidade), em L, em K. - Garantir que o frasco esteja bem vedado e que o equilíbrio tenha sido realmente atingido (pressão está estável no tempo).
- Se houver quantidade inicial não-nula de produtos no frasco, a tabela ICE muda: então ajuste as pressões iniciais e repita o procedimento (a técnica geral permanece a mesma).
- Para maior precisão, repetir o experimento com diferentes valores de
e verificar que dá o mesmo valor (independente das quantidades iniciais) à mesma temperatura. - Se não puder assumir gás ideal (pressões muito altas), será necessário correções (mas para a prova normalmente assume-se gás ideal).
Passo 11
Resumo do procedimento que eu faria na prova (frases curtas e diretas para você decorar):
- Calcular
. - Medir
no equilíbrio. - Calcular
. - Obter
e . - Calcular
e, se necessário,
Resposta
Introduzir uma quantidade conhecida
de
num frasco de volume conhecido
à temperatura constante
; calcular a pressão inicial
; aguardar equilíbrio e medir a pressão total
; usar a tabela ICE com mudança
para obter
e
; calcular
e, se for preciso
, usar
porque
.