Uma reação importante para a produção comercial do hidrogênio é \mathrm{CO}(g)+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(g) \rightleftarrows \mathrm{H}_{2}(g)+ \mathrm{CO}_{2}(g) (Exotérmica). Como será a mudança de posição de equilíbrio em cada um dos seguintes casos?
A pressão é aumentada pela adição do gás He ;

Passo 1

Enunciado e dados importantes (do jeito que você pediu: o que é dado e o que se pede).
A reação é \mathrm{CO}(g)+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(g)\rightleftarrows \mathrm{H}_{2}(g)+\mathrm{CO}_{2}(g). O enunciado diz que a reação é exotérmica. A pergunta específica: “Como será a mudança de posição de equilíbrio se a pressão é aumentada pela adição do gás He?”
Informações relevantes que temos do enunciado:
  • Todos os participantes são gases.
  • Foi adicionada uma quantidade de gás hélio ( \mathrm{He}), que é inerte (não reage).
  • Não foi especificado o que acontece com o volume (recipiente rígido ou pistão móvel), nem se a temperatura muda; assumimos que a temperatura se mantém constante (caso contrário K dependeria de T).
  • Estoquimetria: 1 mol de \mathrm{CO} + 1 mol de \mathrm{H_2O} → 1 mol de \mathrm{H_2} + 1 mol de \mathrm{CO_2}. Logo o número total de mols gasosos dos reagentes é 1+1=2 e dos produtos é 1+1=2. Portanto \Delta n_\text{gás}=0á.
    O que se pede: descrever a mudança na posição de equilíbrio quando a pressão total aumenta pela adição de \mathrm{He}.

Passo 2

Explicando o que é importante saber para resolver (fórmulas e definições usadas).
Definição do quociente de reação em termos de pressões (e do K_p). Para a reação dada, o equilíbrio em termos de pressões parciais é dado por:
K_p=\frac{P_{\mathrm{H_2}}\;P_{\mathrm{CO_2}}}{P_{\mathrm{CO}}\;P_{\mathrm{H_2O}}}
Aqui cada P_i é a pressão parcial do gás i. Lembre: K_p depende somente da temperatura (se a temperatura for mantida constante, K_p não muda). O que pode mudar é o quociente de reação Q_p se as pressões parciais mudarem; o sistema em desequilíbrio tende a reagir para restabelecer Q_p=K_p (Princípio de Le Chatelier).

Passo 3

O que significa adicionar um gás inerte ( \mathrm{He})? (conceito de pressão total e pressões parciais)
  • Pressão total: P_\text{total}=\sum_i P_i.
  • Pressão parcial de uma espécie ideal: P_i = \dfrac{n_i R T}{V} (onde n_i é o número de mols da espécie i, R é a constante dos gases, T a temperatura e V o volume). Alternativamente, P_i = y_i P_\text{total} onde y_i é a fração molar de i.
    Adicionar \mathrm{He} aumenta o número total de mols e, portanto altera P_\text{total}. O efeito sobre cada P_i depende se o volume é fixo ou se a pressão é mantida por expansão do volume.

Passo 4

Caso A — adicionando \mathrm{He} em recipiente de volume fixo (contêiner rígido): impacto nas pressões parciais.
Usando P_i=\dfrac{n_iRT}{V}: se o volume V e a temperatura T são mantidos fixos e você só adiciona \mathrm{He}, os n_i das espécies reativas ( \mathrm{CO},\mathrm{H_2O},\mathrm{H_2},\mathrm{CO_2}) não mudam instantaneamente com a adição de \mathrm{He}. Logo, para cada espécie reativa:
P_i^\text{novo}=\frac{n_iRT}{V}=P_i^\text{original}.
Ou seja, as pressões parciais dos reagentes e produtos permanecem as mesmas imediatamente após a adição de \mathrm{He}. Portanto Q_p não muda e o equilíbrio não é deslocado. (Kp também não mudou porque T não mudou.)

Passo 5

Caso B — adicionando \mathrm{He} mas mantendo a pressão externa constante (pistão móvel): análise via fator multiplicativo e \Delta n.
Quando se adiciona um gás inerte e o sistema é permitido expandir de modo que a pressão total permaneça constante, as pressões parciais dos gases reativos mudam porque o volume muda; porém todas as pressões parciais dos gases reagentes são afetadas da mesma forma (são multiplicadas por um mesmo fator f). Se cada pressão parcial é multiplicada por f, então o quociente Q_p se transforma assim:
Q_p^\text{novo}=\frac{(fP_{\mathrm{H_2}})(fP_{\mathrm{CO_2}})}{(fP_{\mathrm{CO}})(fP_{\mathrm{H_2O}})}=f^{(1+1)-(1+1)}\frac{P_{\mathrm{H_2}}P_{\mathrm{CO_2}}}{P_{\mathrm{CO}}P_{\mathrm{H_2O}}}=f^{\Delta n}\,Q_p^\text{original}.
Aqui \Delta n é a variação do número de mols gasosos dos produtos menos reagentes; para nossa reação \Delta n=0. Portanto f^{\Delta n}=f^0=1 e
Q_p^\text{novo}=Q_p^\text{original}.
Conclusão: mesmo que as pressões parciais mudem por expansão, quando \Delta n=0 o efeito cancela e o equilíbrio não se desloca.

Passo 6

Resumo didático e intuição (para decorar na prova):
  • Adição de gás inerte pode ou não mudar pressões parciais dependendo se o volume é fixo ou não.
  • Regra prática útil: se \Delta n_\text{gás}=0á (mesmo número de mols gasosos de cada lado), então mudanças na pressão total (por adição de gás inerte ou por compressão/expansão) não deslocam a posição do equilíbrio.
  • No nosso caso \Delta n_\text{gás}=0á, logo a adição de \mathrm{He} não altera a posição de equilíbrio (desde que a temperatura permaneça constante).

Resposta

A adição de \mathrm{He} não desloca a posição de equilíbrio (sem mudança na temperatura), porque \Delta n_\text{gás}=0á.

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