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

Passo 1

O enunciado dá o equilíbrio
\mathrm{NH}_3(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightleftharpoons \mathrm{N}_2(\mathrm{g})+\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})
e pede: prever o efeito sobre cada concentração no equilíbrio quando se remove \mathrm{H}_2\mathrm{O}.
Informações relevantes fornecidas:
\;1) a reação química tal como escrita (note que os coeficientes não foram balanceados explicitamente no enunciado; vamos usar a forma dada, com coeficientes 1:1:1:1, porque o enunciado pergunta em termos de concentrações e do efeito qualitativo da remoção de produto).
\;2) a operação perturbadora: remoção de \mathrm{H}_2\mathrm{O} do sistema em equilíbrio.
Perguntas que precisamos responder: o que acontece com [\mathrm{NH}_3], [\mathrm{O}_2], [\mathrm{N}_2] e [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] após a remoção de \mathrm{H}_2\mathrm{O} e o subsequente reestabelecimento do equilíbrio.

Passo 2

Princípio físico que usamos (explicado de forma simples): quando um sistema em equilíbrio é perturbado, ele reage de modo a reduzir o efeito da perturbação — isto é, tende a deslocar o equilíbrio na direção que diminua a perturbação. Esse é o princípio de Le Châtelier. Aqui a perturbação é a remoção de produto ( \mathrm{H}_2\mathrm{O}), então o sistema tenderá a produzir mais produto para compensar a perda, deslocando a reação no sentido direto (da esquerda para a direita). Vou explicar isso com uma linguagem mais formal e com a ferramenta que permite prever direções: o quociente de reação.

Passo 3

Definição do quociente de reação e da constante de equilíbrio (fórmulas e significado):
Q=\frac{[\mathrm{N}_2]\,[\mathrm{H}_2\mathrm{O}]}{[\mathrm{NH}_3]\,[\mathrm{O}_2]}
Aqui:
  • [\mathrm{NH}_3] é a concentração de amônia no instante considerado; o mesmo para as outras espécies.
  • Q é o quociente de reação no instante considerado; mede a razão entre produtos e reagentes naquele instante.
  • K é a constante de equilíbrio (valor fixo a uma dada temperatura) definida da mesma forma com as concentrações de equilíbrio:
K=\frac{[\mathrm{N}_2]_{\text{eq}}\,[\mathrm{H}_2\mathrm{O}]_{\text{eq}}}{[\mathrm{NH}_3]_{\text{eq}}\,[\mathrm{O}_2]_{\text{eq}}}.
Regra prática:
  • Se Q<K, a reação tende a avançar (direção direta) para aumentar Q.
  • Se Q>K, a reação tende a recuar (direção inversa) para diminuir Q.
  • Se Q=K, o sistema já está em equilíbrio.

Passo 4

Efeito imediato da remoção de \mathrm{H}_2\mathrm{O} sobre Q:
  • Ao remover \mathrm{H}_2\mathrm{O}, a concentração [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] cai instantaneamente.
  • Na expressão de Q isso reduz o numerador, portanto Q diminui. Ou seja, imediatamente após a remoção teremos Q<K (porque K não mudou pela simples remoção, é constante à temperatura fixa).
  • Como Q<K, o equilíbrio desloca-se no sentido direto (esquerda → direita) para aumentar Q, ou seja, para produzir mais \mathrm{N}_2 e \mathrm{H}_2\mathrm{O} e consumir \mathrm{NH}_3 e \mathrm{O}_2.

Passo 5

Modelo algebraico (ICE simplificado) para ver as variações em termos de mudanças:
  • Denotemos as concentrações no equilíbrio inicial por
[\mathrm{NH}_3]=a,\quad [\mathrm{O}_2]=b,\quad [\mathrm{N}_2]=c,\quad [\mathrm{H}_2\mathrm{O}]=d.
  • Remove-se uma quantidade \Delta de \mathrm{H}_2\mathrm{O}; imediatamente após remoção:
[\mathrm{H}_2\mathrm{O}] = d-\Delta.
  • O sistema se desloca no sentido direto consumindo \mathrm{NH}_3 e \mathrm{O}_2 e formando \mathrm{N}_2 e \mathrm{H}_2\mathrm{O}. Suponhamos que, por unidade de reação que avança, as concentrações mudam em x (uso os coeficientes 1:1:1:1 conforme a equação dada). Então, após reequilíbrio:
[\mathrm{NH}_3] = a - x,
[\mathrm{O}_2] = b - x,
[\mathrm{N}_2] = c + x,
[\mathrm{H}_2\mathrm{O}] = d - \Delta + x.
  • Observe os sinais: [\mathrm{NH}_3] e [\mathrm{O}_2] diminuem por x, [\mathrm{N}_2] e [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] aumentam por x (a [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] primeiro caiu por \Delta e depois subiu por x).

Passo 6

Interpretação qualitativa a partir do modelo:
  • [\mathrm{NH}_3] e [\mathrm{O}_2]: como a reação se desloca para a direita, essas concentrações são consumidas — portanto, ambas diminuem em relação ao seu valor inicial de equilíbrio. Conclusão: [\mathrm{NH}_3] diminui; [\mathrm{O}_2] diminui.
  • [\mathrm{N}_2]: é formado quando a reação anda para a direita, logo [\mathrm{N}_2] aumenta em relação ao seu valor inicial de equilíbrio.
  • [\mathrm{H}_2\mathrm{O}]: tem comportamento em dois passos: (i) imediatamente após a remoção sua concentração cai (ficou d-\Delta); (ii) ao reequilibrar, a reação gera \mathrm{H}_2\mathrm{O} (aumenta por x). Assim, depois do reequilíbrio a [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] será d-\Delta+x, ou seja, maior do que logo após a remoção, mas em relação ao valor original d o resultado depende da relação entre x e \Delta. Sem dados numéricos não dá para afirmar com certeza se d-\Delta+x é menor, igual ou maior que d. Porém é sempre verdade que:
    • imediatamente após a remoção [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] caiu;
    • após reequilíbrio [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] aumentará em comparação ao valor imediatamente após a remoção (porque o sistema produz \mathrm{H}_2\mathrm{O});
    • em muitos casos típicos a produção parcial não compensa totalmente a quantidade removida (isto é, normalmente x<\Delta), então o novo [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] fica abaixo do original d. Mas isso não é uma regra universal — depende dos valores de K e das concentrações iniciais.

Passo 7

Exemplo numérico ilustrativo (para fixar a intuição):
  • Suponha valores fictícios e simples: a=b=c=d=1 (unidades arbitrárias) então K=\dfrac{1\cdot 1}{1\cdot 1}=1.
  • Remova \Delta=0{,}4, então [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] = 0{,}6 imediatamente e Q=\dfrac{1\cdot 0{,}6}{1\cdot 1}=0{,}6<1. O sistema desloca-se para a direita. Se, por exemplo, o deslocamento for x=0{,}2, então as novas concentrações seriam:
[\mathrm{NH}_3]=0{,}8,\quad [\mathrm{O}_2]=0{,}8,\quad [\mathrm{N}_2]=1{,}2,\quad [\mathrm{H}_2\mathrm{O}]=0{,}8.
  • Aqui vemos que [\mathrm{NH}_3] e [\mathrm{O}_2] diminuíram; [\mathrm{N}_2] aumentou; [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] após reequilíbrio (0{,}8) ficou maior que o valor imediatamente após remoção (0{,}6) mas menor que o original (1). Esse exemplo mostra o comportamento típico, mas reforço: o valor final exato de [\mathrm{H}_2\mathrm{O}] comparado ao original depende de K e das quantidades removidas.

Resposta

[\mathrm{NH}_3]: diminui
[\mathrm{O}_2]: diminui
[\mathrm{N}_2]: aumenta
[\mathrm{H}_2\mathrm{O}]: cai imediatamente ao ser removida e depois aumenta durante o reequilíbrio (ou seja, fica maior que o valor imediatamente após a remoção); comparado ao valor original do equilíbrio, pode permanecer menor (caso mais comum) ou, em situações especiais, aproximar-se ou superar, dependendo de K e das quantidades envolvidas.

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