• (EXEMPLO 9.11 - pg496). Considere o equilíbrio
\mathrm{NH}_{3}(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightleftarrows \mathrm{N}_{2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{~g})
Preveja o efeito sobre cada concentração no equilíbrio de adição de \mathrm{N}_{2}

Passo 1

O enunciado apresenta o equilíbrio
\mathrm{NH}_{3}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) \rightleftarrows \mathrm{N}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\mathrm{g})
e pede: prever o efeito sobre cada concentração em equilíbrio quando há adição de \mathrm{N}_{2}.
Informações relevantes dadas:
  • Há um sistema em equilíbrio químico contendo \mathrm{NH}_{3}, \mathrm{O}_{2}, \mathrm{N}_{2} e \mathrm{H}_{2}\mathrm{O} gasosos.
  • O que se faz é acrescentar \mathrm{N}_{2} (produto) ao sistema já em equilíbrio.
  • A pergunta: como mudam as concentrações de \mathrm{NH}_{3}, \mathrm{O}_{2}, \mathrm{N}_{2} e \mathrm{H}_{2}\mathrm{O} quando o novo equilíbrio for estabelecido.

Passo 2

Primeiro deixo a equação balanceada (para tratar corretamente as variações estequiométricas). Balanceando a reação obtém‑se
4\mathrm{NH}_{3} + 3\mathrm{O}_{2} \rightleftarrows 2\mathrm{N}_{2} + 6\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}.
Explicando o que isso significa, em palavras simples:
  • Cada vez que a reação avança (sentido da esquerda para a direita) consome 4 unidades de \mathrm{NH}_{3} e 3 de \mathrm{O}_{2} e forma 2 de \mathrm{N}_{2} e 6 de \mathrm{H}_{2}\mathrm{O}.
  • Se a reação se desloca no sentido inverso (direita → esquerda), as variações ocorrem com sinais trocados (consome \mathrm{N}_{2} e \mathrm{H}_{2}\mathrm{O}, forma \mathrm{NH}_{3} e \mathrm{O}_{2}).

Passo 3

Princípio qualitativo que vamos usar (Le Chatelier, em palavras): se se faz uma perturbação num equilíbrio (por ex. adicionando um reagente ou um produto), o sistema tende a reagir no sentido que reduz essa perturbação. No nosso caso, ao adicionar produto ( \mathrm{N}_{2}), o sistema tende a consumir parte desse excesso, ou seja, desloca o equilíbrio no sentido inverso (direita → esquerda).

Passo 4

Para ser preciso sobre sinais e magnitudes relativas, faço uma tabela simbólica (ICE simplificado):
Sejam as concentrações em equilíbrio originais
\,[\mathrm{NH}_{3}]_{\rm eq}=a,\;[\mathrm{O}_{2}]_{\rm eq}=b,\;[\mathrm{N}_{2}]_{\rm eq}=c,\;[\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}]_{\rm eq}=d.
Após adicionar \mathrm{N}_{2} por uma quantidade \Delta>0, a concentração imediata de \mathrm{N}_{2} fica c+\Delta (as outras não mudam instantaneamente).
O sistema então se desloca para a esquerda para restaurar o equilíbrio. Seja y>0 a extensão do deslocamento no sentido inverso (quantidade de reação que ocorre para a esquerda, medida de modo que as variações obedecem à estequiometria acima). As variações de concentração ao atingir o novo equilíbrio são:
  • [\mathrm{NH}_{3}] = a + 4y (aumenta porque forma \mathrm{NH}_{3} ao ir para a esquerda),
  • [\mathrm{O}_{2}] = b + 3y (aumenta),
  • [\mathrm{N}_{2}] = c + \Delta - 2y (diminui em função de y porque se consome \mathrm{N}_{2} para ir à esquerda),
  • [\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}] = d - 6y (diminui porque a água é consumida ao deslocar para a esquerda).
Aqui o sinal de cada variação vem diretamente dos coeficientes estequiométricos da reação balanceada: por cada avanço/inversão de y, multiplicadores 4,3,2,6 aparecem.

Passo 5

Interpretação dos sinais (o cerne da resposta), com explicações didáticas:
  • Como a adição de \mathrm{N}_{2} faz com que o quociente de reação momentaneamente fique maior que a constante de equilíbrio K, a reação se desloca para a esquerda até que o quociente volte a valer K. Isso implica y>0.
  • Como y>0, temos imediatamente:
    • [\mathrm{NH}_{3}] aumenta (porque a+4y>a).
    • [\mathrm{O}_{2}] aumenta (porque b+3y>b).
    • [\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}] diminui (porque d-6y<d).
    • [\mathrm{N}_{2}] é reduzido pela quantidade 2y em relação ao valor imediato c+\Delta, isto é, fica c+\Delta-2y.
Observação importante sobre [\mathrm{N}_{2}]: imediatamente após a adição a concentração de \mathrm{N}_{2} sobe para c+\Delta. Quando o equilíbrio se restabelece parte desse excesso é consumido (o termo 2y). Na prática:
  • A nova concentração de \mathrm{N}_{2} final fica entre o valor original c e o valor imediato c+\Delta: isto é, c < c+\Delta-2y < c+\Delta. Em palavras: parte do \mathrm{N}_{2} adicionado é consumida pela reação inversa, mas normalmente não é todo o \Delta que desaparece — o valor final de [\mathrm{N}_{2}] permanece maior do que a concentração inicial c (a menos que a adição e as condições fossem extremas de modo a forçar outra situação; sob a situação típica de perturbação pequena/moderada, o produto adicionado não é totalmente consumido).
  • Portanto, o efeito líquido sobre [\mathrm{N}_{2}] é: aumenta em relação ao equilíbrio original, mas o aumento é menor que a quantidade inicialmente adicionada (ou seja, cai um pouco a partir do pico imediato).

Passo 6

Resumo intuitivo e dica de prova (como escrever rapidamente numa resposta de prova):
  • “Adiciona‑se produto → desloca para o lado dos reagentes.” Logo, escreva: [\mathrm{NH}_{3}] aumenta; [\mathrm{O}_{2}] aumenta; [\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}] diminui; [\mathrm{N}_{2}] aumenta (em comparação com o equilíbrio original), embora parte do que foi adicionado seja consumida quando o sistema se desloca para a esquerda.
Um jeito curto e seguro de justificar em prova: escrever a reação balanceada, afirmar que a adição de \mathrm{N}_{2} aumenta o quociente de reação, então pela regra de Le Chatelier o equilíbrio desloca para a esquerda, e então listar as variações de sinal conforme a estequiometria (como fiz no ICE). Isso basta para obter a resposta correta sem cálculos pesados.

Resposta

[\mathrm{NH}_{3}] aumenta
[\mathrm{O}_{2}] aumenta
[\mathrm{N}_{2}] aumenta (comparado ao equilíbrio original), mas diminui em relação ao pico imediato após a adição
[\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}] diminui

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