Equilíbrio químico: Kc e Kp

Em sistemas fechados, onde não há troca de matéria, verifica-se que as reações químicas se tornam reversíveis em maior ou menor grau. Isto é, no sentido direto da reação, os reagentes dão origem aos produtos e, no sentido inverso, os produtos reagem entre si, reconstituindo os reagentes.

EQUILÍBRIO QUÍMICO

Observe a equação genérica abaixo, onde as letras maiúsculas representam os reagentes e produtos, e as letras minúsculas, os coeficientes estequiométricos:

aA + bB ⇌ cC + dD

Inicialmente, existem no recipiente apenas os reagentes A e B. Dizemos, então, que a velocidade da reação no sentido direto é máxima (V1 = máx.). Porém, não existem os produtos C e D, sendo nula a velocidade no sentido inverso (V2 = 0).

Com o passar do tempo, os reagentes vão sendo consumidos (V1 diminui) e os produtos vão sendo formados (V2 aumenta). Após um tempo, as velocidades de consumo dos reagentes e a de formação dos produtos se igualam. Nesse ponto, observa-se que o equilíbrio foi estabelecido. Logo:

Ponto de Equilíbrio: V¹ = V²

A situação de equilíbrio pode ser exemplificada através de um gráfico velocidade × tempo.

Através da análise do gráfico, pode-se fazer algumas afirmações:

• À medida que o tempo passa, V1 diminui, pois há consumo dos reagentes, e V2 aumenta, pois ocorre a formação de produtos.

• No tempo inicial, t0, a velocidade dos reagentes (V1) é máxima, enquanto a velocidade dos produtos (V2) é nula.

• No tempo teq, as velocidades nos dois sentidos são iguais, ou seja, a velocidade de consumo de reagentes (sentido direto) e a de formação de produtos (sentido inverso) é igual. Ou seja, tem-se a situação de equilíbrio.

Em resumo, a reação no sentido direto e a reação no sentido inverso estão ocorrendo simultaneamente, com velocidades iguais.

Como as reações estão ocorrendo simultaneamente, diz que o equilíbrio químico é dinâmico.

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO (KC)

Para determinar se, quantitativamente, o equilíbrio químico tende para a reação direta ou inversa, numa determinada temperatura, define-se uma constante de equilíbrio K, que pode ser calculada em termos de concentração em mol/L (KC) ou pressão parcial (Kp).

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO (KC)

A constante de equilíbrio é dada em função das concentrações dos reagentes e produtos no momento em que o equilíbrio químico se estabelece.

De forma geral, a constante de equilíbrio pode ser representada por:

Considere a seguinte reação:

aA + bB ⥨ cC + dD

Para esta equação a constante de equilíbrio pode ser definida como:

Onde as letras maiúsculas representam a concentração dos reagentes e produtos, em mol/L,; as letras minúsculas, os coeficientes estequiométricos; e Kc é igual à constante de equilíbrio.

Vale frisar que as substâncias líquidas e sólidas não devem ser consideradas na expressão do equilíbrio, uma vez que não há como definir um valor de concentração, já que tem-se o solvente (líquido) e o soluto (sólido) isolados.

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

01 . 2 NO²⁽ᵍ⁾ ⥨ N²O⁴⁽ᵍ⁾   KC = 170

Sabendo que no equilíbrio a concentração de NO² é igual a 0,040 mol⋅L⁻¹, determine a concentração de N²O⁴, na mesma situação.

Resolução:

1. Monta-se a expressão de equilíbrio para a situação apresentada:

Kᶜ = [produto]/[reagente]

Kᶜ = [N²O⁴]¹/[NO²]²

2. Substituindo [NO²] = 0,04 e

Kᶜ = 170, tem-se que:

Kᶜ = [N²O⁴]/[NO²]²

170 = [N²O⁴]/[0,040]²

[N²O⁴] = o,272 mol/L

02. O equilíbrio envolvido na formação de ácido na água da chuva está representado pela equação:

2 SO²⁽ᵍ⁾ + O²⁽ᵍ⁾ ⥨ 2 SO³⁽ᵍ⁾

Calcule o valor da constante de equilíbrio nas condições em que reagindo-se 6 mol/L de SO² com 5 mol/L de O², obtêm-se 4 mol/L de SO³ quando o sistema atinge o equilíbrio.

Resolução:

Observe que só há informação da concentração de um dos componentes no equilíbrio. Quando isso ocorre, segue-se as seguintes etapas:

1. Monta-se uma tabela a fim de determinar as concentrações, em mol/L, dos participantes da reação no equilíbrio.

2. Identifica-se a proporção estequiométrica dos reagentes e produtos. No caso acima, partindo-se dos reagentes, tem-se que a proporção estequiométrica da reação é 2:1:2.

3. Como no início da reação a quantidade de SO³(produto) era igual a zero, e no equilíbrio foi constatada a presença de 4 mol/L, significa que os 4 mol/L foram formados durante a reação. Para que os 4 mol/L de SO³ sejam produzidos, devem ser consumidos 4 mol/L de SO² e 2 mol/L de O².

4. Com a tabela devidamente preenchida, o passo seguinte é montar a expressão de equilíbrio para a reação em questão, e substituir as concentrações na expressão do Kᶜ.

Kᶜ = [SO³]²/[SO²]² . [O²]   …  Kᶜ = [4]²/[2²] . [3]   …   Kᶜ = 4/3 = 1,33

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO EM RELAÇÃO A PRESSÃO (KP)

Para sistemas gasosos a expressão da constante de equilíbrio se dá em função das pressões parciais dos componentes do sistema. A definição de Kp é análoga à de Kc, bastando substituir as concentrações molares dos componentes (mol/L) pelas suas respectivas pressões parciais (atm).

Observe a equação genérica abaixo, onde todas as substâncias envolvidas encontram-se no estado gasoso.

aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g)

A constante de equilíbrio em função das pressões parciais pode ser definida como

EXERCÍCIO RESOLVIDO

03. Considerando um reservatório mantido à temperatura constante, tem-se estabelecido o equilíbrio químico PCl⁵⁽ᵍ⁾ ⥨ PCl³⁽ᵍ⁾ + Cl²⁽ᵍ⁾ . Sabendo que as pressões parciais no equilíbrio são p(PCl⁵) = 0,15 atm, p(PCl³) = 0,30 atm e p(Cl²) = 0,10 atm, determina o valor de Kp (em atm) da reação.

Resolução:
Seguindo as mesmas etapas utilizadas para calcular o Kᶜ, tem-se que:

Kᴾ = p(PCl³) . p(Cl²) / PCl⁵⁽ᵍ⁾

Kᴾ = 0,30 . 0,10 / 0.15

Kᴾ = 0,20 

RELAÇÃO ENTRE KC E KP

Kᴾ = Kᶜ . (RT)∆ᴺ

Onde:

• R = 0,082 atm⋅L⋅mol-1⋅K-1;

• T = temperatura do sistema em Kelvin (TK = TC + 273)

• ∆n = nº de mols dos produtos – nº de mols dos reagentes;

• Kp = constante de equilíbrio em termos de pressões parciais (atm);

• KC = constante de equilíbrio em termos de concentração molar (mol/L)