Cálculos de Keq e Sentido da Reação | Química HSC
Aprende a calcular constantes de equilíbrio, determinar concentrações de equilíbrio desconhecidas utilizando tabelas ICE e prever o sentido da reação comparando Qc com Keq. Inclui exemplos resolvidos e perguntas desafiantes ao estilo HSC, com soluções detalhadas.
Um balão selado contém hidrogénio, iodo e iodeto de hidrogénio. A esta temperatura, a constante de equilíbrio é \(K_c=49\). Num determinado instante, as concentrações são:
- \([\ce{H2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{I2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{HI}]=1.0\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
Existe mais iodeto de hidrogénio do que qualquer um dos reagentes. Preverias que o iodeto de hidrogénio se iria decompor, formando mais hidrogénio e iodo?
Na realidade, a reação avança no sentido direto, produzindo mais iodeto de hidrogénio.
A razão é que o equilíbrio depende de uma determinada razão entre as concentrações, e não de qual das substâncias apresenta a concentração mais elevada. Nesta reação, a concentração de iodeto de hidrogénio está elevada ao quadrado:
\[ \frac{[\ce{HI}]^2}{[\ce{H2}][\ce{I2}]} = \frac{(1.0)^2}{(0.20)(0.20)} =25 \]
A razão atual é 25, mas precisa de atingir 49 para que a mistura esteja em equilíbrio. A reação direta aumenta esta razão, aproximando o sistema do equilíbrio.
Esta é a ideia central por detrás do cálculo de \(K_{eq}\) e da previsão do sentido de uma reação. É necessário saber qual a razão exigida pela reação, calcular a razão existente no momento e comparar os dois valores.
01O que mede realmente a constante de equilíbrio?
Imagina que estás a preparar uma bebida a partir de um concentrado. Uma receita pode exigir uma parte de concentrado para quatro partes de água. Saber simplesmente que existe mais água do que concentrado não permite determinar se a bebida tem a proporção correta. É necessário comparar a razão com a receita.
Uma constante de equilíbrio funciona de forma semelhante. Descreve a razão específica entre as concentrações dos produtos e dos reagentes que existe quando uma reação atinge o equilíbrio.
Para uma reação reversível genérica:
\[ aA+bB\rightleftharpoons cC+dD \]
a expressão da constante de equilíbrio é:
\[ K_c=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} \]
Cada símbolo tem um significado específico:
- \(K_c\) é a constante de equilíbrio calculada utilizando concentrações.
- Os parênteses retos representam as concentrações no equilíbrio, medidas em \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
- \(a,b,c,d\) são os coeficientes da equação química acertada.
- Os produtos aparecem no numerador.
- Os reagentes aparecem no denominador.
O pormenor mais importante é que a equação química acertada determina os expoentes da expressão.
Um coeficiente de 2 significa que a concentração está elevada ao quadrado. Um coeficiente de 3 significa que está elevada ao cubo.
Por exemplo, considera:
\[ \ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)} \]
A expressão da constante de equilíbrio é:
\[ K_c=\frac{[\ce{SO3}]^2} {[\ce{SO2}]^2[\ce{O2}]} \]
Repara que o coeficiente 2 de \(\ce{SO2}\) e \(\ce{SO3}\) passa a ser um expoente. Não multiplicas as respetivas concentrações por 2.
Existem outras duas regras importantes que deves recordar:
- Os sólidos puros e os líquidos puros são excluídos das expressões de equilíbrio. As suas concentrações são efetivamente constantes.
- Apenas as concentrações no equilíbrio podem ser substituídas em \(K_c\). Se te forem dadas as concentrações iniciais, tens primeiro de calcular as concentrações no equilíbrio.
Nos cálculos do HSC, utiliza concentrações em \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\). A constante de equilíbrio é normalmente apresentada como um valor numérico, sem uma unidade universal fixa.
Se ainda não estás totalmente familiarizado com a escrita de expressões a partir de equações químicas acertadas, revê Expressões de equilíbrio para reações homogéneas.
02Calcular Keq a partir das concentrações no equilíbrio
Quando uma pergunta fornece as concentrações de todas as substâncias no equilíbrio, calcular \(K_{eq}\) é relativamente simples.
Deves:
- Escrever a equação química acertada.
- Construir a expressão da constante de equilíbrio.
- Substituir as concentrações no equilíbrio.
- Calcular o valor numérico.
Exemplo resolvido: Calcular Keq para a formação de trióxido de enxofre
Considera a reação:
\[ \ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)} \]
As concentrações no equilíbrio são:
- \([\ce{SO2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{O2}]=0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{SO3}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
Calcula \(K_c\).
Passo 1
\[ K_c=\frac{[\ce{SO3}]^2} {[\ce{SO2}]^2[\ce{O2}]} \]
Passo 2
\[ K_c=\frac{(0.40)^2} {(0.20)^2(0.10)} \]
Passo 3
\[ K_c=\frac{0.160}{0.0040} \]
\[ \boxed{K_c=40.0} \]
Um valor de 40 indica que os produtos são favorecidos no equilíbrio a esta temperatura.
No entanto, isso não significa que a reação tenha ocorrido até à conclusão. Ainda estarão presentes algum dióxido de enxofre e algum oxigénio.
Repara também na importância dos expoentes. Esquecer-te de elevar qualquer uma das concentrações ao quadrado produziria uma resposta incorreta.
03Determinar uma concentração de equilíbrio desconhecida utilizando uma tabela ICE
Por vezes, uma pergunta fornece as concentrações iniciais e o valor de \(K_{eq}\), mas pede-te que calcules a concentração de uma substância no equilíbrio.
Não podes substituir diretamente as concentrações iniciais na expressão da constante de equilíbrio.
Em vez disso, tens de determinar como variam as concentrações à medida que a reação decorre.
É aqui que uma tabela ICE se torna útil.
ICE significa:
- I – Inicial: as concentrações iniciais.
- C – Variação: a forma como cada concentração varia à medida que a reação decorre.
- E – Equilíbrio: as concentrações finais depois de atingido o equilíbrio.
O essencial é utilizar os coeficientes da equação química acertada ao escrever a linha das variações.
Por exemplo:
\[ \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)} \]
Por cada 1 mol de hidrogénio consumido, é consumido 1 mol de iodo e são produzidos 2 mol de iodeto de hidrogénio.
Assim, se a concentração de hidrogénio diminuir em \(x\), a de iodo também diminui em \(x\), enquanto a concentração de iodeto de hidrogénio aumenta em \(2x\).
Exemplo resolvido: Calcular as concentrações no equilíbrio utilizando Keq
A uma determinada temperatura, a constante de equilíbrio para a reação:
\[ \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)} \]
é \(K_c=9.0\).
Inicialmente, as concentrações são:
- \([\ce{H2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{I2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{HI}]=0.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
Calcula a concentração de cada substância no equilíbrio.
Passo 1
A reação avança no sentido direto porque inicialmente não existe iodeto de hidrogénio.
Seja \(x\) a concentração de hidrogénio consumida.
| \(\ce{H2}\) | \(\ce{I2}\) | \(\ce{HI}\) | |
|---|---|---|---|
| Inicial (M) | 1.00 | 1.00 | 0.00 |
| Variação (M) | \(-x\) | \(-x\) | \(+2x\) |
| Equilíbrio (M) | \(1.00-x\) | \(1.00-x\) | \(2x\) |
O valor \(+2x\) é importante. A equação química acertada indica que se produz o dobro da quantidade de iodeto de hidrogénio relativamente à quantidade de hidrogénio consumida.
Passo 2
Para esta reação:
\[ K_c=\frac{[\ce{HI}]^2} {[\ce{H2}][\ce{I2}]} \]
Substituindo os valores da tabela ICE:
\[ 9.0=\frac{(2x)^2} {(1.00-x)(1.00-x)} \]
Simplificando:
\[ 9.0=\frac{4x^2}{(1-x)^2} \]
Passo 3
Extraindo a raiz quadrada positiva:
\[ 3=\frac{2x}{1-x} \]
Reorganizando:
\[ 3(1-x)=2x \]
\[ 3-3x=2x \]
\[ 5x=3 \]
\[ x=0.60 \]
Passo 4
Substitui \(x=0.60\) na linha do equilíbrio.
Para o hidrogénio:
\[ [\ce{H2}]=1.00-0.60=0.40\ \mathrm{M} \]
Para o iodo:
\[ [\ce{I2}]=1.00-0.60=0.40\ \mathrm{M} \]
Para o iodeto de hidrogénio:
\[ [\ce{HI}]=2(0.60)=1.20\ \mathrm{M} \]
Assim:
\[ \boxed{[\ce{H2}]=0.40\ \mathrm{M}} \]
\[ \boxed{[\ce{I2}]=0.40\ \mathrm{M}} \]
\[ \boxed{[\ce{HI}]=1.20\ \mathrm{M}} \]
Podes verificar a resposta substituindo novamente estes valores na expressão da constante de equilíbrio:
\[ K_c=\frac{(1.20)^2}{(0.40)(0.40)} =\frac{1.44}{0.16}=9.0 \]
As concentrações calculadas satisfazem a constante de equilíbrio fornecida.
Um último aspeto: o equilíbrio não significa que a reação tenha parado. As reações direta e inversa continuam a ocorrer, mas com velocidades iguais. É por isso que as concentrações permanecem constantes.
04Prever o sentido de uma reação utilizando Q e Keq
Considera agora um tipo diferente de pergunta.
São-te fornecidos a constante de equilíbrio e as concentrações atuais de uma mistura reacional. Tens de determinar se a reação irá avançar no sentido direto ou inverso.
É aqui que entra o quociente reacional, \(Q_c\).
O quociente reacional utiliza exatamente a mesma expressão que \(K_c\), mas existe uma diferença importante:
- \(K_c\) utiliza as concentrações no equilíbrio.
- \(Q_c\) utiliza as concentrações no instante atual, independentemente de o sistema estar ou não em equilíbrio.
Para uma reação genérica:
\[ aA+bB\rightleftharpoons cC+dD \]
o quociente reacional é:
\[ Q_c=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} \]
Depois de calculares \(Q_c\), compara-o com \(K_c\).
Existem três resultados possíveis.
| Comparação | Sentido líquido da reação | O que acontece? |
|---|---|---|
| \(Q_c<K_c\) | Direto (direita) | Formam-se mais produtos. |
| \(Q_c>K_c\) | Inverso (esquerda) | Formam-se mais reagentes. |
| \(Q_c=K_c\) | Sem variação líquida | O sistema está em equilíbrio. |
O raciocínio é simples.
Se \(Q_c\) for inferior a \(K_c\), a mistura atual apresenta uma razão entre produtos e reagentes inferior à exigida pela mistura em equilíbrio. A reação direta aumenta essa razão.
Se \(Q_c\) for superior a \(K_c\), a mistura apresenta uma razão superior à necessária. A reação inversa diminui essa razão.
Se os dois valores forem iguais, o sistema já está em equilíbrio.
Exemplo resolvido: Determinar o sentido de uma reação
Considera a reação:
\[ \ce{CO(g) + Cl2(g) <=> COCl2(g)} \]
A uma determinada temperatura, \(K_c=5.0\).
As concentrações atuais são:
- \([\ce{CO}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{Cl2}]=0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{COCl2}]=0.30\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
Determina o sentido em que a reação irá decorrer.
Passo 1
\[ Q_c=\frac{[\ce{COCl2}]} {[\ce{CO}][\ce{Cl2}]} \]
Passo 2
\[ Q_c=\frac{0.30}{(0.20)(0.10)} \]
Passo 3
\[ Q_c=\frac{0.30}{0.020} \]
\[ Q_c=15 \]
Passo 4
\[ Q_c=15>K_c=5.0 \]
Assim, a reação decorre no sentido inverso.
O sistema produz mais monóxido de carbono e cloro gasoso, enquanto consome cloreto de carbonilo.
Repara num pormenor interessante: o cloreto de carbonilo apresenta a maior concentração individual, mas, ainda assim, a reação decorre no sentido inverso. O sentido da reação depende da razão presente na expressão da constante de equilíbrio, e não de uma simples comparação entre concentrações individuais.
05O que acontece a Keq quando a concentração ou o volume mudam?
Esta é outra fonte comum de confusão nas perguntas do HSC.
Imagina que um sistema está inicialmente em equilíbrio. Adicionas mais reagente, removes algum produto ou alteras o volume de uma mistura gasosa.
As concentrações mudam, pelo que o quociente reacional também muda.
No entanto, desde que a temperatura permaneça constante, a constante de equilíbrio não se altera.
Isto permite-te seguir um método fiável:
- Determina as novas concentrações imediatamente após a perturbação.
- Substitui essas concentrações na expressão do quociente reacional.
- Compara o novo \(Q_c\) com o \(K_c\), que permanece inalterado.
- Prevê o sentido líquido da reação.
Por exemplo, comprimir uma mistura gasosa em equilíbrio até metade do seu volume original duplica a concentração de cada gás, assumindo que não ocorre qualquer reação durante a compressão.
Mas isso não significa necessariamente que \(Q_c\) permaneça inalterado.
Porquê? Porque as concentrações aparecem com expoentes diferentes no numerador e no denominador.
Para a reação \(\ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)}\):
\[ Q_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]
Duplicar ambas as concentrações duplica o numerador, mas quadruplica o denominador. Por isso, o quociente reacional passa a ser metade do seu valor original.
É por esta razão que calcular \(Q_c\) é frequentemente mais fiável do que tentar prever uma deslocação do equilíbrio recorrendo apenas a uma regra verbal simplificada.
06Erros comuns nos cálculos de Keq
| Erro | O que deves fazer em alternativa |
|---|---|
| Utilizar as concentrações iniciais para calcular \(K_c\) | Utilizar as concentrações no equilíbrio ou calculá-las primeiro com uma tabela ICE. |
| Multiplicar as concentrações pelos respetivos coeficientes | Elevar as concentrações às potências indicadas pelos respetivos coeficientes. |
| Comparar concentrações individuais para prever o sentido da reação | Calcular \(Q_c\) e compará-lo com \(K_c\). |
| Assumir que um \(K_c\) elevado significa que a reação está completa | Recordar que os reagentes e os produtos podem continuar ambos presentes no equilíbrio. |
| Alterar \(K_c\) depois de adicionar um reagente ou mudar o volume | Manter \(K_c\) constante, a menos que a temperatura se altere. |
| Utilizar as concentrações originais depois de uma perturbação | Calcular as novas concentrações antes de determinar \(Q_c\). |
07Perguntas e soluções
As perguntas seguintes progridem desde cálculos de equilíbrio simples até problemas mais complexos que combinam tabelas ICE, quocientes reacionais e alterações num sistema em equilíbrio.
Pergunta 1
Considera o equilíbrio:
\[ \ce{PCl5(g) <=> PCl3(g) + Cl2(g)} \]
A uma determinada temperatura, as concentrações no equilíbrio são:
- \([\ce{PCl5}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{PCl3}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{Cl2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
Calcula \(K_{eq}\) e indica qual dos lados da reação é favorecido no equilíbrio.
Solução 1
\(K_{eq}=0.10\), pelo que o lado dos reagentes é favorecido no equilíbrio.
Começa por escrever a expressão da constante de equilíbrio:
\[ K_c=\frac{[\ce{PCl3}][\ce{Cl2}]} {[\ce{PCl5}]} \]
Substitui as concentrações no equilíbrio:
\[ K_c=\frac{(0.20)(0.20)}{0.40} \]
\[ K_c=\frac{0.040}{0.40} \]
\[ \boxed{K_c=0.10} \]
Como a constante de equilíbrio é inferior a 1, o equilíbrio favorece os reagentes.
Isto não significa que não exista tricloreto de fósforo ou cloro. Significa que a posição de equilíbrio favorece o lado dos reagentes.
Pergunta 2
Considera o equilíbrio:
\[ \ce{CO(g) + Cl2(g) <=> COCl2(g)} \]
A uma temperatura constante, \(K_c=5.0\).
Um recipiente de reação contém inicialmente:
- \([\ce{CO}]=0.60\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{Cl2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{COCl2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
Calcula a concentração de cada substância no equilíbrio.
Solução 2
As concentrações no equilíbrio são \(0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) para o CO, \(0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) para o Cl2 e \(0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) para o COCl2.
Primeiro, determina o quociente reacional inicial:
\[ Q_c=\frac{0.20}{(0.60)(0.40)} \]
\[ Q_c=0.833 \]
Como \(Q_c<K_c\), a reação avança no sentido direto.
Seja \(x\) a concentração de CO e Cl2 consumida.
Constrói a tabela ICE:
| \(\ce{CO}\) | \(\ce{Cl2}\) | \(\ce{COCl2}\) | |
|---|---|---|---|
| Inicial (M) | 0.60 | 0.40 | 0.20 |
| Variação (M) | \(-x\) | \(-x\) | \(+x\) |
| Equilíbrio (M) | \(0.60-x\) | \(0.40-x\) | \(0.20+x\) |
Substitui as concentrações no equilíbrio na expressão da constante de equilíbrio:
\[ 5.0=\frac{0.20+x} {(0.60-x)(0.40-x)} \]
Desenvolve o denominador:
\[ 5.0=\frac{0.20+x} {0.24-x+x^2} \]
Reorganizando:
\[ 0.20+x=1.20-5x+5x^2 \]
\[ 5x^2-6x+1=0 \]
Fatoriza:
\[ (5x-1)(x-1)=0 \]
Assim:
\[ x=0.20\quad\text{ou}\quad x=1.00 \]
A segunda solução é fisicamente impossível, porque produziria concentrações negativas de CO e Cl2.
Assim:
\[ x=0.20 \]
Substitui este valor na linha do equilíbrio:
\[ [\ce{CO}]=0.60-0.20=0.40\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{Cl2}]=0.40-0.20=0.20\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{COCl2}]=0.20+0.20=0.40\ \mathrm{M} \]
Verifica a constante de equilíbrio:
\[ K_c=\frac{0.40}{(0.40)(0.20)} =5.0 \]
As concentrações calculadas satisfazem a constante de equilíbrio fornecida.
Pergunta 3
Considera o processo de Haber:
\[ \ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)} \]
A \(450^\circ\mathrm{C}\), a constante de equilíbrio é \(K_c=8.0\).
Uma mistura reacional contém atualmente:
- \([\ce{N2}]=0.25\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{H2}]=0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{NH3}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
Calcula \(Q_c\) e determina o sentido líquido da reação.
Explica por que razão comparar diretamente a concentração de amoníaco com a concentração de azoto produziria uma previsão pouco fiável.
Solução 3
A reação avança no sentido direto, produzindo mais amoníaco.
Primeiro, escreve a expressão do quociente reacional:
\[ Q_c=\frac{[\ce{NH3}]^2} {[\ce{N2}][\ce{H2}]^3} \]
Substitui as concentrações atuais:
\[ Q_c=\frac{(0.40)^2} {(0.25)(0.50)^3} \]
Calcula:
\[ Q_c=\frac{0.160}{(0.25)(0.125)} \]
\[ Q_c=\frac{0.160}{0.03125} \]
\[ Q_c=5.12 \]
Compara este valor com a constante de equilíbrio:
\[ 5.12<8.0 \]
Assim:
\[ \boxed{Q_c<K_c} \]
A reação líquida avança no sentido direto, formando mais amoníaco.
O erro tentador é reparar que a concentração de amoníaco é superior à concentração de azoto e assumir que o sistema contém produto em excesso.
No entanto, a expressão da constante de equilíbrio inclui a concentração de hidrogénio elevada ao cubo. As três concentrações contribuem para a razão.
O sistema tem de ser avaliado utilizando a expressão completa, e não através da comparação de duas concentrações individuais.
Pergunta 4
Considera o equilíbrio:
\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]
A uma temperatura constante, um recipiente de reação está inicialmente em equilíbrio com:
- \([\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
O volume do recipiente é subitamente reduzido para metade do seu valor original, antes de a reação ter tempo de responder.
Determina o novo quociente reacional e prevê o sentido em que a reação irá decorrer.
Explica por que razão a compressão altera o quociente reacional, apesar de a concentração de cada gás duplicar.
Solução 4
A reação desloca-se no sentido direto, produzindo mais \(\ce{N2O4}\).
Primeiro, calcula a constante de equilíbrio original:
\[ K_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]
\[ K_c=\frac{0.16}{(0.40)^2} \]
\[ K_c=\frac{0.16}{0.16}=1.0 \]
A temperatura permanece constante, pelo que \(K_c\) continua a ser 1.0.
Quando o volume é reduzido para metade, a concentração de cada gás duplica imediatamente.
Assim:
\[ [\ce{NO2}]=0.80\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{N2O4}]=0.32\ \mathrm{M} \]
Calcula o novo quociente reacional:
\[ Q_c=\frac{0.32}{(0.80)^2} \]
\[ Q_c=\frac{0.32}{0.64} \]
\[ Q_c=0.50 \]
Compara os valores:
\[ Q_c=0.50<K_c=1.0 \]
Assim, a reação avança no sentido direto.
O pormenor importante é que duplicar todas as concentrações não significa necessariamente que o quociente reacional permaneça inalterado.
O numerador duplica porque \([\ce{N2O4}]\) tem um coeficiente de 1.
No entanto, o denominador aumenta por um fator de quatro porque \([\ce{NO2}]\) está elevado ao quadrado.
Consequentemente, \(Q_c\) diminui para metade do seu valor original.
A reação direta consome duas moléculas de dióxido de azoto para produzir uma molécula de tetróxido de dinitrogénio. Isto também está de acordo com a previsão de que a compressão favorece o lado que contém menos partículas gasosas.
Pergunta 5
Considera o equilíbrio:
\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]
Um recipiente selado com um volume inicial de \(1.00\ \mathrm{L}\) encontra-se em equilíbrio a uma temperatura constante.
As suas concentrações no equilíbrio são:
\[ [\ce{NO2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
\[ [\ce{N2O4}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
O recipiente é sujeito às seguintes alterações:
- Um êmbolo expande rapidamente o recipiente até \(2.00\ \mathrm{L}\). O êmbolo é depois fixado e não ocorre qualquer reação durante esta expansão.
- Uma armadilha seletiva ideal remove \(\ce{N2O4}\) até que a sua concentração seja \(0.11\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\). A armadilha não remove qualquer quantidade de \(\ce{NO2}\).
A reação pode agora restabelecer o equilíbrio ao volume fixo de \(2.00\ \mathrm{L}\).
Responde às seguintes alíneas:
(a) Calcula a constante de equilíbrio, \(K_c\), utilizando as concentrações originais.
(b) Calcula \(Q_c\) imediatamente após a expansão, mas antes de a armadilha seletiva entrar em funcionamento. Prevê o sentido da reação nesta fase.
(c) Calcula o novo \(Q_c\) depois de a armadilha seletiva ter entrado em funcionamento. Prevê agora o sentido líquido da reação.
(d) Calcula as concentrações finais de equilíbrio de \(\ce{NO2}\) e \(\ce{N2O4}\). Explica por que razão apenas uma das duas soluções matemáticas é fisicamente possível.
Solução 5
Depois de a armadilha seletiva entrar em funcionamento, a reação avança no sentido direto. As concentrações finais no equilíbrio são \([\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) e \([\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\).
Esta pergunta é mais difícil porque duas alterações consecutivas afetam o quociente reacional em sentidos opostos.
Tens de calcular \(Q_c\) depois de cada alteração, em vez de assumires que a primeira perturbação determina o sentido final da reação.
Alínea (a): Calcular a constante de equilíbrio original.
A expressão da constante de equilíbrio é:
\[ K_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]
Substitui as concentrações originais no equilíbrio:
\[ K_c=\frac{1.00}{(1.00)^2} \]
\[ \boxed{K_c=1.00} \]
Este valor permanece constante porque a temperatura não se altera.
Alínea (b): Calcular Q imediatamente após a expansão.
O volume aumenta de \(1.00\ \mathrm{L}\) para \(2.00\ \mathrm{L}\).
Como o número de moles de cada gás reativo ainda não se alterou, ambas as concentrações ficam reduzidas para metade.
Assim:
\[ [\ce{NO2}]=0.50\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{N2O4}]=0.50\ \mathrm{M} \]
Calcula o quociente reacional:
\[ Q_c=\frac{0.50}{(0.50)^2} \]
\[ Q_c=2.00 \]
Compara:
\[ Q_c=2.00>K_c=1.00 \]
Imediatamente após a expansão, a reação avança no sentido inverso, produzindo mais dióxido de azoto.
Isto faz sentido porque a expansão favorece o lado que contém mais partículas gasosas.
No entanto, este ainda não é o sentido final da reação.
Alínea (c): Calcular Q depois de a armadilha seletiva entrar em funcionamento.
A armadilha remove apenas \(\ce{N2O4}\), reduzindo a sua concentração para \(0.11\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\).
A concentração de dióxido de azoto permanece inalterada em \(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\).
Assim:
\[ Q_c=\frac{0.11}{(0.50)^2} \]
\[ Q_c=\frac{0.11}{0.25} \]
\[ Q_c=0.44 \]
Compara:
\[ Q_c=0.44<K_c=1.00 \]
A reação avança agora no sentido direto, produzindo mais tetróxido de dinitrogénio.
Esta é a alteração crucial da pergunta.
A expansão favoreceu inicialmente a reação inversa, mas a remoção de uma quantidade suficiente de produto fez diminuir o quociente reacional para um valor inferior à constante de equilíbrio.
O sentido da reação líquida é determinado pelas concentrações atuais, e não pelo sentido previsto imediatamente após uma perturbação anterior.
Alínea (d): Calcular as concentrações finais no equilíbrio.
Depois de a armadilha entrar em funcionamento, as concentrações iniciais para o cálculo do novo equilíbrio são:
\[ [\ce{NO2}]=0.50\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{N2O4}]=0.11\ \mathrm{M} \]
A reação avança no sentido direto:
\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]
Seja \(x\) a concentração de \(\ce{N2O4}\) formada.
Constrói a tabela ICE:
| \(\ce{NO2}\) | \(\ce{N2O4}\) | |
|---|---|---|
| Inicial (M) | 0.50 | 0.11 |
| Variação (M) | \(-2x\) | \(+x\) |
| Equilíbrio (M) | \(0.50-2x\) | \(0.11+x\) |
Substitui as concentrações no equilíbrio na expressão da constante de equilíbrio:
\[ 1.00=\frac{0.11+x}{(0.50-2x)^2} \]
Reorganiza:
\[ (0.50-2x)^2=0.11+x \]
Desenvolve:
\[ 0.25-2x+4x^2=0.11+x \]
Agrupa os termos:
\[ 4x^2-3x+0.14=0 \]
Utiliza a fórmula resolvente:
\[ x=\frac{3\pm\sqrt{(-3)^2-4(4)(0.14)}}{2(4)} \]
\[ x=\frac{3\pm\sqrt{6.76}}{8} \]
\[ x=\frac{3\pm2.60}{8} \]
Isto fornece duas soluções matemáticas:
\[ x=0.050\quad\text{ou}\quad x=0.70 \]
A segunda solução é impossível.
Se \(x=0.70\), a concentração de dióxido de azoto no equilíbrio seria:
\[ [\ce{NO2}]=0.50-2(0.70) \]
\[ [\ce{NO2}]=-0.90\ \mathrm{M} \]
Uma concentração negativa é fisicamente impossível. Também exigiria que reagisse mais dióxido de azoto do que aquele que estava disponível no recipiente.
Assim, a única solução válida é:
\[ x=0.050 \]
Calcula as concentrações finais no equilíbrio.
Para o dióxido de azoto:
\[ [\ce{NO2}]=0.50-2(0.050) \]
\[ \boxed{[\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \]
Para o tetróxido de dinitrogénio:
\[ [\ce{N2O4}]=0.11+0.050 \]
\[ \boxed{[\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \]
Por fim, verifica a constante de equilíbrio:
\[ K_c=\frac{0.16}{(0.40)^2} \]
\[ K_c=\frac{0.16}{0.16}=1.00 \]
As concentrações finais satisfazem a constante de equilíbrio original.
A lição importante é que um sistema em equilíbrio pode mudar de sentido à medida que perturbações sucessivas alteram a sua composição. Não podes simplesmente recordar o que aconteceu depois da primeira alteração. Tens de recalcular \(Q_c\) utilizando as concentrações existentes no momento que estás a analisar.
08O que deves aprender a seguir
Agora já podes utilizar expressões de equilíbrio para calcular \(K_{eq}\), determinar concentrações de equilíbrio desconhecidas e prever o sentido de uma reação utilizando \(Q_c\).
A distinção importante seguinte consiste em compreender o que acontece quando a temperatura muda.
Adicionar um reagente ou alterar o volume modifica o quociente reacional, mas uma alteração da temperatura pode modificar a própria constante de equilíbrio. Para compreender porquê, é necessário relacionar os cálculos de equilíbrio com a entalpia das reações direta e inversa.
Continua com Como a temperatura altera Keq em reações endotérmicas e exotérmicas.