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.
d) Diminuição isotérmica do volume do recipiente (pressão aumentou).
De acordo com o Princípio de Le Chatelier, o sistema ao ser perturbado tem uma tendência a reestabelecer o equilíbrio.
d) Diminuição isotérmica do volume do recipiente (pressão aumentou).
Passo 1
O enunciado fornece a equação da reação e pede duas coisas:
- Escrever a expressão da constante de equilíbrio da reação balanceada.
- Para a perturbação (d) — diminuição isotérmica do volume do recipiente (a pressão aumentou) — indicar para que lado o equilíbrio se desloca (reagentes ou produtos) e justificar com base nas espécies do equilíbrio e no princípio de Le Chatelier.
Informações relevantes fornecidas:
- Equação química:
-
(reação exotérmica). - Fases indicadas:
, e são gases; é líquida. - A perturbação a analisar: redução do volume mantendo a temperatura constante (isotérmica), portanto a pressão total aumenta.
Passo 2
Escrever a expressão da constante de equilíbrio — princípios e decisão didática.
Conceito rápido e prático: a constante de equilíbrio pode ser escrita em termos de concentrações molares (
) ou de pressões parciais (
). Em ambas as formas, substâncias em fase sólida ou líquida pura têm atividade praticamente igual a 1 e não aparecem explicitamente na expressão da constante. Aqui,
é líquida pura, então não entra na expressão.
Agora a expressão em termos de concentrações (forma usual
):
Explicando cada símbolo:
-
é a concentração molar de nitrogênio em mol L^{-1}. -
é a concentração molar de amônia. -
é a concentração molar de oxigênio. - Os expoentes (2, 4, 3) vêm dos coeficientes estequiométricos da reação balanceada.
- A água líquida não aparece porque sua atividade é considerada constante (igual a 1) quando é fase pura.
Também existe a forma em pressões (útil quando todas as espécies gasosas são tratadas por pressões parciais):
Aqui
são pressões parciais em unidades adequadas (por ex., atm). Ambas as expressões (
e
) são constantes para uma dada temperatura.
Passo 3
Entendendo qualitativamente o efeito da diminuição do volume a temperatura constante e uso do princípio de Le Chatelier.
Princípio de Le Chatelier (em palavras simples): se um sistema em equilíbrio é perturbado, ele reage de modo a reduzir parcialmente o efeito da perturbação. Para perturbações de pressão/volume, isso tipicamente significa que, ao aumentar a pressão (diminuir o volume), o equilíbrio se desloca para o lado que possui menor número de mols de gás; ao diminuir a pressão (aumentar o volume), desloca-se para o lado com maior número de mols de gás.
Devemos contar o número de mols de gás em cada lado da equação:
- Reagentes gasosos:
mols de + mols de = mols de gás. - Produtos gasosos:
mols de (a água é líquida e não conta) = mols de gás.
Logo, o lado dos produtos tem menos mols de gás (2) do que o lado dos reagentes (7).
Pelo princípio de Le Chatelier, se a pressão aumenta (o que acontece quando o volume diminui isotermicamente), o sistema tende a deslocar o equilíbrio para o lado com menos mols de gás, ou seja, para os produtos, para reduzir a pressão.
Passo 4
Raciocínio mais quantitativo usando o quociente de reação
— ajuda a enxergar o que acontece imediatamente após a perturbação.
Definição do quociente de reação em termos de pressões (forma análoga de
):
Se o volume é reduzido por um fator
(ou, dito de outro modo, se todas as pressões dos gases são multiplicadas por um mesmo fator
imediatamente após a compressão), então cada pressão gasosa aumenta pela mesma razão multiplicativa
. Substituindo no
:
- Numerador:
multiplica por . - Denominador:
multiplica por .
Portanto o novo
imediato vale
. Como
, tem-se
, então
.
Se originalmente o sistema estava em equilíbrio,
. Após a compressão teremos
. Quando
, a reação tende a progredir no sentido direto (formar produtos) até que
volte a igualar
. Isso confirma a conclusão do Passo 3: deslocamento para os produtos (direita).
Passo 5
Observações adicionais didáticas e respostas a possíveis dúvidas:
- A constante de equilíbrio
(seja ou ) não muda por uma alteração de volume quando a temperatura é mantida constante. O que muda são as concentrações/pressões e, consequentemente, a posição do equilíbrio (o valor de ); o sistema se ajusta para restabelecer . - O fato de a reação ser exotérmica (
) só interessa se a perturbação for térmica (mudança de temperatura). Aqui a temperatura é constante, então o sinal de não altera a análise do efeito de volume. - A água líquida, por ser fase pura, tem atividade ~1 e portanto não aparece na expressão de
e não contribui para a pressão total de gases.
Resposta
Equilíbrio desloca-se para os produtos (direita).