Monóxido de carbono reage exotermicamente com gás hidrogênio para formar metanol, de acordo com a reação:
, sob temperatura de
e em recipiente de volume constante. Se a temperatura é aumentada para
, qual das seguintes afirmações está correta?
(A) O número total de moléculas diminui.
(B) As velocidades tanto da reação direta quanto da inversa permanecem constantes.
(C) A velocidade de formação de hidrogênio diminui enquanto a velocidade de consumo de metanol aumenta.
(D) A massa molecular média da mistura gasosa diminui.
(E) A pressão total da mistura gasosa diminui.
(A) O número total de moléculas diminui.
(B) As velocidades tanto da reação direta quanto da inversa permanecem constantes.
(C) A velocidade de formação de hidrogênio diminui enquanto a velocidade de consumo de metanol aumenta.
(D) A massa molecular média da mistura gasosa diminui.
(E) A pressão total da mistura gasosa diminui.
Passo 1
O enunciado dá a reação gasosa, exotérmica:
e informa que isso ocorre a volume constante, inicialmente a
. A temperatura é aumentada para
. Pergunta: qual das alternativas (A)–(E) é correta após esse aumento de temperatura?
Informações relevantes extraídas do enunciado:
- Reação é exotérmica (libera calor).
- Sistema em recipiente de volume constante.
- Temperatura sobe de
para . - Temos que comparar efeitos sobre número de moléculas, velocidades diretas/inversas, formação/consumo de espécies, massa molecular média e pressão total.
Passo 2
Como a reação é exotérmica, significa que a variação de entalpia padrão é negativa:
. Uma forma prática e bastante usada para prever o efeito de mudança de temperatura no equilíbrio é a relação de van ’t Hoff:
onde
é a constante de equilíbrio (por exemplo
para gases),
é a constante dos gases ideais e
é a temperatura absoluta. Explicando as variáveis:
-
mede a posição do equilíbrio (maior → favorece produtos). -
é a entalpia da reação (negativa para exotérmica). -
é a constante dos gases (aprox. ). -
é a temperatura em kelvin.
Se
, então
: ao aumentar
,
diminui, logo
diminui. Isso significa que o equilíbrio se desloca no sentido que consome calor — ou seja, para os reagentes (sentido inverso da escrita), quando a temperatura aumenta. Intuição simples (Princípio de Le Châtelier): para uma reação exotérmica, elevar a temperatura “favorece” o sentido endotérmico (consome calor), isto é, retorna para os reagentes.
Passo 3
Analisando o efeito do deslocamento para os reagentes sobre o número total de moléculas gasosas. Pela estequiometria:
- Reagentes:
mols gasosos por “unidade”. - Produto:
mol gasoso por “unidade”.
Se o equilíbrio se desloca para os reagentes (sentido inverso), cada mol de
que se converte em reagentes produz 3 moléculas gasosas a partir de 1, logo o número total de moléculas aumenta. Portanto a afirmação (A) “O número total de moléculas diminui.” é falsa.
Passo 4
Efeito na cinética (velocidades das reações). A lei de Arrhenius descreve como as constantes de velocidade dependem da temperatura:
onde
é a constante de velocidade,
é o fator pré-exponencial,
a energia de ativação,
a constante dos gases e
a temperatura em kelvin. Explicando:
- Ao aumentar
, o expoente fica menos negativo, então cresce e aumenta.
Isso vale tanto para a constante da reação direta quanto para a inversa (cada processo tem seu próprio, mas ambos tendem a aumentar com ). Assim, não é correto afirmar que “as velocidades tanto da reação direta quanto da inversa permanecem constantes” — elas mudam com . Além disso, ao elevar o sistema sai do equilíbrio e as velocidades instantâneas de direta e inversa deixam de ser iguais até que se atinja um novo equilíbrio. Logo (B) é falsa.
Passo 5
Analisando (C): “A velocidade de formação de hidrogênio diminui enquanto a velocidade de consumo de metanol aumenta.”
- Formação de
corresponde ao sentido inverso da reação escrita (produto → reagentes). Como o equilíbrio se desloca para os reagentes ao aumentar , o sentido inverso é favorecido: a velocidade de formação de aumenta (não diminui). - O consumo de
também aumenta porque o produto é convertido em reagentes.
Portanto a primeira parte da afirmação (que a formação dediminui) está incorreta; a alternativa (C) é falsa.
Passo 6
Analisando (D): “A massa molecular média da mistura gasosa diminui.” Vamos raciocinar com um exemplo simples e a estequiometria. Considere a conversão de
mol de
em reagentes:
- Massa de
mol de : . - Produtos formados:
mol de (massa ) + mol de (massa ). Soma das massas (massa total conservada).
Mas o número de mols de partículas passa depara . A massa média por molécula (massa molecular média) passa de
para
Portanto, quando o equilíbrio se desloca para os reagentes (mais
leve e
relativo ao
), a massa molecular média da mistura diminui. Assim (D) é verdadeira.
Passo 7
Analisando (E): “A pressão total da mistura gasosa diminui.” Em recipiente de volume constante a relação dos gases ideais é
onde
é a pressão total,
é o número total de mols de gás,
a constante dos gases e
o volume (constante aqui). Ao aumentar
para
temos dois efeitos simultâneos:
-
aumenta (o que, para fixo, faria aumentar); - o equilíbrio desloca-se para os reagentes, aumentando
(mais moléculas gasosas).
Ambos os efeitos (maiore maior ) tendem a aumentar . Logo a pressão total não diminui; ao contrário, aumenta. Portanto (E) é falsa.
Resposta
(D)