A produção de amônia em escala industrial é realizada pelo sistema de Haber-Bosh em que se controla a pressão e a temperatura, mantendo-se um sistema em equilíbrio formado entre os gases:
Esse processo fornece um rendimento em produtos da reação de
, mas é a melhor condição de produção. Sobre esse equilíbrio, podemos afirmar que:
a)
.
b)
constante.
c)
.
d)
.
e)
.
a)
b)
c)
d)
e)
Passo 1
O enunciado nos dá a reação em equilíbrio
e informa que, nas condições industriais, o rendimento em produtos é de
. Pede-se escolher qual das alternativas (a)–(e) é correta. As alternativas são (copiando exatamente o que foi dado):
- (a)
. - (b)
constante. - (c)
. - (d)
. - (e)
.
Aqui o objetivo é identificar qual afirmação é verdadeira para um sistema em equilíbrio químico nas condições descritas.
Passo 2
Conceito-chave: equilíbrio químico dinâmico.
- Em um equilíbrio químico estabelecido as reações direta e inversa continuam ocorrendo, mas com taxas constantes e iguais entre si. Ou seja, as velocidades da reação direta e da inversa são iguais em equilíbrio.
- Em símbolos:
- Consequência imediata: as concentrações dos reagentes e dos produtos deixam de variar com o tempo — são constantes no tempo (até que se mude temperatura, pressão, ou composição). Isso é o que chamamos de equilíbrio dinâmico: as moléculas trocam, mas a composição macroscópica não muda.
Vou exemplificar com equações de taxa simples (assumindo reação elementar apenas para ilustrar a forma): se a velocidade direta dependesse das concentrações como
e a velocidade inversa como
então, no equilíbrio,
Isso também leva à expressão da constante de equilíbrio (para esses expoentes este seria o caso):
Passo 3
Por que a alternativa (b) é verdadeira.
- A alternativa (b) afirma que
constante. Pela definição de equilíbrio químico (veja passo anterior), todas as concentrações das espécies participantes são constantes no tempo enquanto o sistema permanece em equilíbrio. Logo, é constante (no sentido temporal) em equilíbrio. - Para ver de forma algébrica: a variação temporal da concentração de
é dada pela estequiometria pela diferença entre produção e consumo:
Se
, então
ou seja,
não muda com o tempo — é constante enquanto o equilíbrio persistir. Observação importante: isso significa “constante no tempo nas condições dadas”, não “igual para qualquer condição” — mas a afirmação (b) entendida no contexto usual de equilíbrio é correta.
Passo 4
Por que as alternativas (a) e (c) estão erradas.
- (a) diz
. Não há razão física geral para que as concentrações de e sejam numericamente iguais no equilíbrio: a estequiometria é entre e , e a constante de equilíbrio relaciona as concentrações por
Da equação acima não se infere
em geral — isso só ocorreria em casos muito específicos de
e das condições iniciais. Portanto (a) é falsa como afirmação geral sobre o equilíbrio.
- (c) diz
. Pelo mesmo raciocínio: não existe, em geral, igualdade entre e no equilíbrio. Pode acontecer por acaso para valores específicos de e condições iniciais, mas não é uma propriedade do equilíbrio a priori. Logo (c) é falsa.
Um exemplo numérico rápido para intuir: suponha que em equilíbrio se meça
(unidade qualquer) e
; então a razão no numerador e denominador da expressão de
fixa
em algum valor que normalmente não será igual a
.
Passo 5
Por que (d) e (e) estão erradas e como entender o rendimento
.
- (d) afirma
e (e) afirma . Ambas contradizem a definição de equilíbrio, que exige igualdade das velocidades:
Portanto (d) e (e) são falsas.
- O enunciado dizendo “rendimento em produtos da reação de
” significa que, sob as condições de temperatura e pressão usadas, a conversão do reagente limitante em no equilíbrio é de — ou seja, apenas do reagente inicial é convertido em produto quando o equilíbrio é atingido. Isso não implica que uma das velocidades seja maior que a outra; ao atingir o ponto de de conversão o sistema alcança equilíbrio dinâmico onde as velocidades direta e inversa são iguais. Em resumo: rendimento baixo não significa que as velocidades não sejam iguais no equilíbrio, apenas que a posição do equilíbrio favorece mais os reagentes do que os produtos nas condições dadas.
Passo 6
Conclusão final: a única alternativa correta, considerando a definição de equilíbrio químico dinâmico e o que significa rendimento de
, é a alternativa (b).
Resposta
b)