O processo industrial Haber-Bosch de obtenção da amônia se baseia no equilíbrio químico expresso pela equação:
. Nas temperaturas de
e de
, as constantes de equilíbrio Kp são
e 0,16 , respectivamente.
Com base nos seus conhecimentos sobre equilíbrio e nos dados fornecidos, quais seriam, teoricamente, as condições de pressão e temperatura que favoreceriam a formação de
? Justifique sua resposta.
Com base nos seus conhecimentos sobre equilíbrio e nos dados fornecidos, quais seriam, teoricamente, as condições de pressão e temperatura que favoreceriam a formação de
Passo 1
O enunciado pede: quais condições de pressão e temperatura, teoricamente, favoreceriam a formação de
para a reação
Dados fornecidos:
- Em
, a constante de equilíbrio em pressão é . - Em
, a constante de equilíbrio em pressão é .
O que preciso entregar: condição de pressão e condição de temperatura que, teoricamente, favoreçam a formação de, com justificativa.
Passo 2
Interpretação física de
: matar a curiosidade de uma vez —
indica a tendência do equilíbrio. Para a reação dada, definimos
e no equilíbrio
. Se
há tendência forte para produtos (
); se
a mistura em equilíbrio favorece reagentes (
e
). Aplicando aos números do enunciado: em
temos
(muito maior que 1), logo o equilíbrio favorece fortemente a formação de
. Em
temos
(menor que 1), logo o equilíbrio favorece os reagentes.
Passo 3
Conseqüência sobre a temperatura (princípio de Le Châtelier + comportamento de
com
): a constante
depende da temperatura. O fato de
diminuir muito quando a temperatura sobe de
para
indica que o aquecimento desloca o equilíbrio para os reagentes. Isso é característico de uma reação exotérmica no sentido de formação de produto: se a reação direta libera calor, aumentar
desloca o equilíbrio para o lado endotérmico (reagentes). Portanto, teoricamente, temperaturas mais baixas favorecem a formação de
.
Passo 4
Conseqüência sobre a pressão (princípio de Le Châtelier quantitativo): compare o número de mols gasosos: antes temos
mols gasosos; depois temos
mols gasosos. A reação reduz o número total de mols gasosos. Pelo princípio de Le Châtelier, um aumento da pressão favorece o lado com menos mols gasosos — ou seja, favorece a formação de
.
Para ver isso de forma matemática simples, imagine comprimir a mistura isotermicamente por um fator
, de modo que todas as pressões parciais sejam multiplicadas por
. O quociente de reação muda como
Como
, tem-se
. Se inicialmente
, a compressão produz
, então o sistema desloca para a direita (forma
) até restabelecer
. Logo alta pressão favorece
.
Passo 5
Síntese das ideias e observação prática: teoricamente, para maximizar a quantidade de
no equilíbrio eu devo diminuir a temperatura e aumentar a pressão. No entanto, atenção prática (mas importante para a prova): temperaturas muito baixas tornam a reação extremamente lenta (cinética pobre), por isso, na indústria usa-se uma temperatura intermediária relativamente alta para obter velocidade de reação aceitável, e compensa-se com pressões muito altas e catalisadores. Mas a resposta puramente termodinâmica (teórica) é: baixa
e alta
.
Resposta
Pressão alta e temperatura baixa.