Questão 01) A reação da amônia com oxigênio, para a qual se tem um
igual a -1.531 kJ , tem-se a seguinte equação:
De acordo com o Princípio de Le Chatelier, o sistema ao ser perturbado tem uma tendência a reestabelecer o equilíbrio.
Escreva a expressão da constante de Equilíbrio da reação acima balanceada.
Algumas perturbações foram realizadas abaixo. Indique o que ocorrerá com o equilíbrio (deslocamento para reagentes ou produtos) no sistema em cada situação e justifique suas respostas baseado nas espécies que compõem o equilíbrio e os princípios de Le Chatelier.
a) Adição de
ao sistema.
b) Adição de
ao sistema.
c) Remoção de
do sistema.
d) Diminuição isotérmica do volume do recipiente (pressão aumentou).
e) Aumento da temperatura.
f) Aumento isotérmico do volume do recipiente (pressão diminuiu).
g) Adição de gás He sem alteração de volume.
De acordo com o Princípio de Le Chatelier, o sistema ao ser perturbado tem uma tendência a reestabelecer o equilíbrio.
a) Adição de
b) Adição de
c) Remoção de
d) Diminuição isotérmica do volume do recipiente (pressão aumentou).
e) Aumento da temperatura.
f) Aumento isotérmico do volume do recipiente (pressão diminuiu).
g) Adição de gás He sem alteração de volume.
Passo 1
O enunciado nos dá a reação e alguns dados. Vou listar claramente o que foi informado e o que é pedido:
- Reação (balanceada) e fases:
- Variação de entalpia:
(valor negativo). - Pedido 1: escrever a expressão da constante de equilíbrio dessa reação.
- Pedido 2: para cada perturbação (a) a (g), indicar se o equilíbrio se desloca para os reagentes ou para os produtos e justificar com base nas espécies presentes e no princípio de Le Chatelier.
Informações relevantes que vêm do enunciado e que vamos usar:
- A água na reação está na fase líquida
. - Todas as outras espécies são gasosas.
-
indica reação exotérmica (libera calor), ou equivalentemente “calor” pode ser tratado como um produto da reação ao aplicar Le Chatelier.
Passo 2
Como se escreve a expressão da constante de equilíbrio? Regras importantes (explicação didática):
- A constante de equilíbrio em termos de concentração (chamada
) é dada pelo produto das concentrações molares das espécies produtos elevadas aos seus coeficientes estequiométricos, dividido pelo produto das concentrações molares dos reagentes elevadas aos seus coeficientes. - Contudo, atividades de substâncias puras em fase sólida ou líquida pura são aproximadamente constantes e, por convenção, são tomadas como
. Assim, na expressão de omitimos as espécies que são líquidos puros ou sólidos. - No nosso caso,
é líquida pura, então sua atividade é e não aparece na expressão de .
Aplicando isso à reação dada obtemos (escrevo a forma em
; a forma em
em pressão parcial é análoga para gases):
Breve comentário sobre
: se preferíssemos usar pressões parciais, a expressão seria
novamente sem aparecer
porque água é líquida.
Passo 3
Princípio de Le Chatelier — ideia central (explicação didática passo a passo):
- Le Chatelier diz: se um sistema em equilíbrio é perturbado, ele responde de modo a reduzir essa perturbação.
- Uma perturbação típica é mudança de concentração (adição ou remoção de uma espécie). Se adicionar um reagente, o sistema tende a consumir esse reagente formando mais produtos (desloca para a direita); se adicionar um produto, desloca para a esquerda, etc. Isso pode ser entendido também comparando o quociente de reação
com : se o sentido favorável é para a direita; se é para a esquerda. - Alterações de pressão/volume afetam equilibríos que envolvem gases: a tensão está nas pressões parciais dos gases. Uma diminuição do volume (aumento da pressão total) favorece o lado com menor número de mols gasosos; um aumento do volume favorece o lado com maior número de mols gasosos.
- Adição de gás inerte (por ex. He) em volume constante: não altera as pressões parciais dos gases reagentes (cada pressão parcial
se e não mudam), portanto não altera o equilíbrio. (Se a adição for feita a pressão constante, o efeito pode ser diferente; aqui o enunciado especifica volume constante no caso do He.) - Alteração de temperatura é especial: muda o valor de
. Para uma reação exotérmica ( ), o aumento de temperatura desloca o equilíbrio no sentido endotérmico (lado dos reagentes, já que calor é liberado pelos produtos); equivalente: aumentar faz diminuir para reações exotérmicas. Diminuição de favorece a formação de produtos no caso exotérmico.
Passo 4
Contagem de mols gasosos (essencial para mudanças de pressão/volume):
- Lado reagentes:
⇒ total mols gasosos. - Lado produtos:
+ ⇒ apenas mols gasosos (a água é líquida e não conta). - Portanto, qualquer aumento de pressão (por diminuição de volume isotérmica) favorecerá o lado com menos mols gasosos → favorecerá os produtos. Inversamente, diminuição de pressão (aumento volume) favorecerá os reagentes.
Passo 5
Agora aplico as ideias acima a cada perturbação pedida, explicando e justificando passo a passo.
a) Adição de
ao sistema.
- O que muda: a concentração/pressão parcial de
aumenta; isso faz o quociente de reação instantaneamente tornar-se (porque denominador cresce), então o sistema deve consumir para restabelecer . - Direção do deslocamento: desloca para os produtos (direita).
- Observação:
não muda porque a temperatura não mudou; apenas o equilíbrio se desloca.
b) Adição de
ao sistema.
- O que muda: pressão parcial/concentração de
aumenta; isso faz (produtos aumentaram), então o sistema reage no sentido que consumirá e produzirá reagentes. - Direção do deslocamento: desloca para os reagentes (esquerda).
c) Remoção de
do sistema.
- Atenção: a água aqui é líquida. Mesmo assim, remover produto (mesmo líquido) constitui uma perturbação que o sistema tentará compensar produzindo mais produto.
- Direção do deslocamento: desloca para os produtos (direita), para formar mais
. - Observação: a atividade da água líquida é tratada como ~1 na expressão de
, mas remover fisicamente parte da água pura desloca o equilíbrio (porque se retira produto), até que nova quantidade de água seja formada.
d) Diminuição isotérmica do volume do recipiente (pressão aumentou).
- Em volume menor e mesma temperatura, pressões parciais dos gases aumentam; por Le Chatelier, favorece o lado com menor número de mols gasosos. Na reação, reagentes têm 7 mols gasosos e produtos têm 2 mols gasosos.
- Direção do deslocamento: desloca para os produtos (direita).
e) Aumento da temperatura.
- A reação é exotérmica (
), ou seja, calor pode ser considerado como um produto. Aumentar equivale a “adicionar calor”, portanto o sistema reage consumindo esse excesso, deslocando-se para o lado endotérmico (lado que absorve calor) — que é o lado dos reagentes. Além disso, o valor de muda: para exotérmicas, ao aumentar , diminui. - Direção do deslocamento: desloca para os reagentes (esquerda).
f) Aumento isotérmico do volume do recipiente (pressão diminuiu).
- Volume maior → pressão total menor → favorece o lado com maior número de mols gasosos (aumenta entropia gasosa). Reagentes têm 7 mols gasosos, produtos 2.
- Direção do deslocamento: desloca para os reagentes (esquerda).
g) Adição de gás
sem alteração de volume.
- Em volume constante, pressão parcial de cada gás reagente
só depende de ; como apenas se aumentou o número de mols totais com um gás inerte mas não se alterou dos reagentes/produtos, as pressões parciais dos reagentes e produtos não mudam. Então não muda e não há deslocamento do equilíbrio. - Direção do deslocamento: sem deslocamento (equilíbrio inalterado).
Resposta
a) Desloca para os produtos (direita).
b) Desloca para os reagentes (esquerda).
c) Desloca para os produtos (direita).
d) Desloca para os produtos (direita).
e) Desloca para os reagentes (esquerda).
f) Desloca para os reagentes (esquerda).
g) Sem deslocamento (equilíbrio inalterado).
b) Desloca para os reagentes (esquerda).
c) Desloca para os produtos (direita).
d) Desloca para os produtos (direita).
e) Desloca para os reagentes (esquerda).
f) Desloca para os reagentes (esquerda).
g) Sem deslocamento (equilíbrio inalterado).