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:
\mathrm{N}_{2(\mathrm{~g})}+3 \mathrm{H}_{2(\mathrm{~g})} \leftrightarrow 2 \mathrm{NH}_{3(\mathrm{~g})}
Esse processo fornece um rendimento em produtos da reação de 30 \%, mas é a melhor condição de produção. Sobre esse equilíbrio, podemos afirmar que:
Escolha uma opção:
a. \quad\left[\mathrm{N}_{2}\right]=\left[\mathrm{NH}_{3}\right].
b. \left[\mathrm{NH}_{3}\right]= constante.
C. \mathrm{V}_{\text {direta }}>\mathrm{V}_{\text {inversa }}.
d. \left[\mathrm{N}_{2}\right]=\left[\mathrm{H}_{2}\right].
e. \mathrm{v}_{\text {inversa }}>\mathrm{v}_{\text {direta }}.

Passo 1

Vou deixar claro o que o enunciado dá e o que pede.
  • O enunciado fornece a reação em equilíbrio:
\mathrm{N}_{2(\mathrm{g})}+3\,\mathrm{H}_{2(\mathrm{g})}\leftrightarrow 2\,\mathrm{NH}_{3(\mathrm{g})}.
  • Informa que, sob as condições industriais, o rendimento em produto é de 30\% (isso é um dado de rendimento, mas não altera a definição de equilíbrio químico).
  • Pede que se escolha qual das afirmativas (a)–(e) é correta sobre esse equilíbrio.
Dados relevantes a extrair:
  • A reação está em equilíbrio (dinâmico) entre reagentes e produtos.
  • As afirmativas relacionam concentrações \left([\cdot]\right) e velocidades v_{\text{direta}} e v_{\text{inversa}}.
O objetivo agora é analisar, passo a passo, o que vale num equilíbrio químico desse tipo e verificar cada alternativa.

Passo 2

O que é equilíbrio químico e como isso se traduz em termos de velocidades e concentrações — aula prática e direta.
  • Definição (em linguagem simples): equilíbrio químico é o estado em que, numa mistura onde ocorre a reação direta e a reação inversa simultaneamente, as quantidades (concentrações) das espécies não mudam com o tempo. Mas atenção: isso NÃO quer dizer que as reações pararam — elas continuam acontecendo, só que a taxa de formação de cada espécie por uma reação é compensada pela taxa de consumo pela outra; por isso chamamos de equilíbrio dinâmico.
  • Em termos de velocidades (ou taxas): no equilíbrio químico vale
v_{\text{direta}}=v_{\text{inversa}}.
Isto é a condição de equilíbrio dinâmico: a velocidade com que a reação direta forma produtos é igual à velocidade com que a reação inversa os consome.
  • Em termos de concentrações: como as taxas de formação/consumo se igualam, as concentrações tornam-se constantes no tempo (derivadas temporais iguais a zero), ou seja, para cada espécie [\text{espécie}]é tem-se \dfrac{d[\text{espécie}]}{dt}=0é.

Passo 3

Escrevendo as leis de velocidade (modelo cinético simples) e a constante de equilíbrio — por que isso importa.
  • Para uma reação elementar hipotética correspondente à equação global, as velocidades direta e inversa podem ser escritas na forma (modelo mais simples e didático):
v_{\text{direta}}=k_f\,[\mathrm{N}_2]\,[\mathrm{H}_2]^3, \qquad v_{\text{inversa}}=k_r\,[\mathrm{NH}_3]^2,
onde \,k_f e \,k_r são as constantes de velocidade da reação direta e inversa, respectivamente; [\cdot] representa concentração molar. (Explicação rápida: os expoentes nas concentrações vêm dos coeficientes estequiométricos se a etapa global for elementar; mesmo que a reação real tenha mecanismo complexo, a igualdade das velocidades no equilíbrio e a relação entre concentrações via constante de equilíbrio continuam válidas.)
  • Igualando as velocidades no equilíbrio:
k_f\,[\mathrm{N}_2]\,[\mathrm{H}_2]^3 = k_r\,[\mathrm{NH}_3]^2.
  • Reorganizando, define-se a constante de equilíbrio K:
K=\frac{k_f}{k_r}=\frac{[\mathrm{NH}_3]^2}{[\mathrm{N}_2]\,[\mathrm{H}_2]^3}.
Isso mostra que, no equilíbrio, as concentrações não são arbitrárias: elas obedecem essa relação. Mas nada aqui implica que duas concentrações quaisquer sejam numéricas iguais entre si — só que estão relacionadas por K.

Passo 4

O que significa “concentração constante” e enganamentos comuns — didática com exemplos simples.
  • Frase-chave: “concentração constante no equilíbrio” significa que uma determinada concentração não muda com o tempo (é estacionária). Não significa que duas concentrações diferentes tenham o mesmo valor numérico.
  • Exemplo numérico simples (para fixar): suponha que as condições levem a K=0,1. Então a relação do equilíbrio é
[\mathrm{NH}_3]^2 = 0,1\,[\mathrm{N}_2]\,[\mathrm{H}_2]^3.
Nada aqui obriga [\mathrm{NH}_3] a ser igual a [\mathrm{N}_2] ou a [\mathrm{H}_2]; depende das quantidades iniciais e de K. Também, mesmo que o rendimento seja 30\%, isso é um resultado do equilíbrio sob aquelas condições, e não contradiz o fato de que, uma vez atingido, as concentrações ficam constantes no tempo.

Passo 5

Análise das alternativas uma a uma (explicando por que cada uma é verdadeira ou falsa, sem escolher ainda).
a) \left[\mathrm{N}_{2}\right]=\left[\mathrm{NH}_{3}\right].
  • Comentário: não existe regra geral que imponha igualdade numérica entre [\mathrm{N}_2] e [\mathrm{NH}_3] num equilíbrio. A estequiometria da reação é 1:3:2 (consumo/produção), e a constante de equilíbrio fixa uma relação algébrica, não igualdade simples. Portanto essa afirmativa é, em geral, falsa.
b) \left[\mathrm{NH}_{3}\right]= constante.
  • Comentário: em equilíbrio químico as concentrações das espécies são constantes no tempo (por definição dinâmica do equilíbrio). Assim, [\mathrm{NH}_3] não varia com o tempo enquanto o sistema permanecer nessas condições de equilíbrio. Portanto essa afirmativa é verdadeira.
c) \mathrm{V}_{\text {direta }}>\mathrm{V}_{\text {inversa }}.
  • Comentário: no equilíbrio dinâmico vale v_{\text{direta}}=v_{\text{inversa}}. Logo a desigualdade proposta é falsa.
d) \left[\mathrm{N}_{2}\right]=\left[\mathrm{H}_{2}\right].
  • Comentário: pela estequiometria a relação de consumo entre \mathrm{N}_2 e \mathrm{H}_2 é 1:3; nada obriga as concentrações em equilíbrio a serem iguais. Portanto, em geral, essa afirmativa é falsa.
e) \mathrm{v}_{\text {inversa }}>\mathrm{v}_{\text {direta }}.
  • Comentário: novamente, no equilíbrio v_{\text{inversa}}=v_{\text{direta}}, por isso esta afirmativa é falsa.

Passo 6

Resumo didático e reforço para a prova (o que precisa ficar na cabeça)
  • Lembre: equilíbrio químico é dinâmico — reações continuam ocorrendo, mas com taxas iguais. Dessa igualdade de taxas decorre que as concentrações são constantes no tempo.
  • Frases que costumam confundir: “constante” refere-se ao tempo, não a igualdade entre espécies. Dizer “ [\mathrm{NH}_3] é constante” significa que \dfrac{d[\mathrm{NH}_3]}{dt}=0 em equilíbrio.
  • A relação quantitativa entre concentrações em equilíbrio vem de K (ou da igualdade v_{\text{direta}}=v_{\text{inversa}} com as leis de velocidade), e isso não implica igualdades simples entre as concentrações dos componentes, salvo em casos muito particulares.

Resposta

b.

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