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Equilíbrios

Química do A-Level · Tópico 7

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10:12

Equilíbrios

Algumas reações reversíveis nunca terminam. Você mistura os reagentes, a cor muda, e então tudo para — pela metade. Deixe por uma semana e parece…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

7.1

Reações reversíveis e equilíbrio dinâmico

Programa
  1. (a) compreender o que se entende por uma reação reversível (b) compreender o que se entende por equilíbrio dinâmico em termos de a velocidade das reações direta e inversa serem iguais e a concentração de reagentes e produtos permanecer constante (c) compreender a necessidade de um sistema fechado para estabelecer o equilíbrio dinâmico
  2. definir o princípio de Le Chatelier como: se uma mudança é feita em um sistema em equilíbrio dinâmico, a posição do equilíbrio move-se para minimizar essa mudança
  3. usar o princípio de Le Chatelier para deduzir qualitativamente (a partir de informações apropriadas) os efeitos de mudanças na temperatura, concentração, pressão ou presença de um catalisador em um sistema em equilíbrio
  4. deduzir expressões para constantes de equilíbrio em termos de concentrações, $K_c$
  5. usar os termos fração molar e pressão parcial
  6. deduzir expressões para constantes de equilíbrio em termos de pressões parciais, $K_p$ (o uso da relação entre $K_p$ e $K_c$ não é exigido)
  7. usar as expressões $K_c$ e $K_p$ para realizar cálculos (tais cálculos não requererão a resolução de equações quadráticas)
  8. calcular as quantidades presentes no equilíbrio, dados dados apropriados
  9. indicar se mudanças na temperatura, concentração ou pressão ou a presença de um catalisador afetam o valor da constante de equilíbrio para uma reação
  10. descrever e explicar as condições usadas no processo Haber e no processo de contato, como exemplos da importância de uma compreensão do equilíbrio dinâmico na indústria química e da aplicação do princípio de Le Chatelier

Fonte: Programa Cambridge International

Princípio de Le Chatelier
Equilíbrio dinâmico: as taxas convergem
Soluções de cloreto de cobalto(II) de diferentes cores
O cloreto de cobalto muda de cor conforme seu equilíbrio se desloca.

Uma reação reversível 可逆反应 pode ocorrer em ambos os sentidos. A reação direta 正反应 forma produtos; a reação inversa 逆反应 transforma produtos novamente em reagentes. Mostramos isso com o sinal $\rightleftharpoons$.

Em um sistema fechado 封闭系统 (nada entra ou sai), a reação atinge um equilíbrio dinâmico 动态平衡 quando:

  • a taxa da reação direta é igual à taxa da reação inversa.
  • as concentrações de reagentes e produtos permanecem constantes.

É chamado de dinâmico porque ambas as reações ainda estão acontecendo — elas apenas se cancelam. Um sistema fechado é necessário, caso contrário os produtos escapariam e o equilíbrio nunca seria alcançado.

Um gráfico onde a taxa direta cai e a taxa inversa sobe até que as duas se encontrem e permaneçam iguais
No equilíbrio dinâmico, as taxas direta e inversa tornaram-se iguais, então as concentrações permanecem constantes
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Equilíbrio dinâmico

taxa direta = taxa inversa

No equilíbrio, a posição pode ficar em qualquer lugar — altere uma condição e observe como ela desloca.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ 可逆反应 kě nì fǎn yìng
forward reaction/ˈfɔːwəd rɪˈækʃn/ 正反应 zhèng fǎn yìng
reverse reaction/rɪˈvɜːs rɪˈækʃn/ 逆反应 nì fǎn yìng
closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/ 封闭系统 fēng bì xì tǒng
dynamic equilibrium/daɪˈnæmɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 动态平衡 dòng tài píng héng
Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/ 勒夏特列原理 lēi xià tè liè yuán lǐ
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/ 平衡常数 píng héng cháng shù
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7.1

Princípio de Le Chatelier

Princípio de Le Chatelier 勒夏特列原理 diz: se você alterar um sistema em equilíbrio, a posição do equilíbrio 平衡 move-se para opor (reduzir) essa mudança.

Alteração feita Direção do movimento do equilíbrio
aumentar concentração de um reagente em direção aos produtos
aumentar pressão em direção ao lado com menos moléculas gasosas
aumentar temperatura em direção à direção endotérmica
adicionar um catalisador 催化剂 sem deslocamento (ele acelera ambos os sentidos igualmente)

Um catalisador permite que o equilíbrio seja alcançado mais rápido, mas não altera a posição do equilíbrio.

Três alterações, cada uma com uma seta mostrando a direção do movimento do equilíbrio: adicionar reagente em direção aos produtos, aumentar pressão para o lado de menor número de moléculas, aumentar temperatura na direção endotérmica
Princípio de Le Chatelier: o equilíbrio sempre se desloca para se opor à alteração que você faz
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Deslocando um equilíbrio

Altere a temperatura, pressão ou concentração e veja o equilíbrio deslocar-se para opor sua mudança — princípio de Le Chatelier em ação.

7.1

Constantes de equilíbrio

Para uma reação em equilíbrio, a constante de equilíbrio 平衡常数 relaciona as quantidades de produtos e reagentes. Para a reação $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:

$$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$

onde os colchetes significam concentração em $\text{mol dm}^{-3}$.

Exemplo resolvido. No equilíbrio a mistura $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ tem $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ e $[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. Encontre $K_c$.

$$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$

(sem unidades aqui, porque os expoentes das concentrações se cancelam em cima e embaixo).

Exemplo resolvido (tabela ICE). $1.00\ \text{mol}$ de $\text{H}_2$ e $\text{I}_2$ são selados em um frasco de $1.00\ \text{dm}^3$; no equilíbrio $0.20\ \text{mol}$ de $\text{H}_2$ permanece. Organize uma tabela ICE (Initial, Change, Equilibrium):

$\text{H}_2$ $\text{I}_2$ $2\text{HI}$
Inicial 1.00 1.00 0
Mudança $-0.80$ $-0.80$ $+1.60$
Equilíbrio 0.20 0.20 1.60

$0.80\ \text{mol}$ de $\text{H}_2$ reagiu, por isso formaram-se $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ HI. No balão $1.00\ \text{dm}^3$, as concentrações iguais aos mols, por isso $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.

Para reações de gases, usamos pressão parcial 分压 em vez de concentração. A pressão parcial de um gás é a parte da pressão total que ele contribui. Ela é encontrada através da fração molar 摩尔分数 (a fração de todos os mols que são esse gás):

$$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$

A constante escrita com pressões parciais é $K_p$.

Exemplo resolvido. Uma mistura gasosa contém $2.0\ \text{mol}$ de $\text{N}_2$ e $6.0\ \text{mol}$ de $\text{H}_2$ a uma pressão total de $200\ \text{kPa}$. Encontre a pressão parcial de cada gás.

Há $8.0\ \text{mol}$ no total, portanto

$$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$

Exemplo resolvido (um numérico $K_p$). Para $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$, as pressões parciais de equilíbrio são $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ e $p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. Então

$$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$
as unidades vindas de $\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.

Apenas temperatura altera o valor de $K_c$ ou $K_p$. Alterar concentração ou pressão desloca a posição do equilíbrio, mas deixa a constante inalterada; adicionar um catalisador não altera nenhuma das duas — ele apenas faz o equilíbrio chegar mais rápido.

Explorar

Le Chatelier e Kc

Alterar temperatura, pressão ou concentração e observar o equilíbrio deslocar para se opor — Kc só muda com temperatura.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
partial pressure/ˈpɑːʃl ˈpreʃə/ 分压 fēn yā
mole fraction/məʊl ˈfrækʃn/ 摩尔分数 mó ěr fēn shù
Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/ 哈伯法 hā bó fǎ
Contact process/ˈkɒntækt ˈprəʊses/ 接触法 jiē chù fǎ
proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
7.1

Processos Haber e Contact

Um grande complexo químico industrial
Amônia para fertilizante é produzida pelo processo Haber em grandes plantas industriais como esta.

Esses dois processos industriais são escolhidos equilibrando rendimento, velocidade e custo usando o princípio de Le Chatelier.

  • o processo Haber 哈伯法 produz amônia: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ (exotérmico). Usa cerca de $450\,°\text{C}$, $200\ \text{atm}$ e um catalisador de ferro. Uma baixa temperatura daria mais amônia, mas muito lentamente, então uma temperatura moderada é um compromisso.
  • O Processo de Contacto 接触法 faz trióxido de enxofre: $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ (exotérmico). Usa cerca de $450\,°\text{C}$, perto de $1$–$2\ \text{atm}$ e um catalisador de óxido de vanádio(V).
Um gráfico de rendimento de amônia contra temperatura para três pressões, rendimento caindo com a temperatura e subindo com a pressão, com o ponto operacional marcado
O equilíbrio de Haber produz mais amônia em temperatura mais baixa e pressão mais alta; cerca de $450\,°$°C e $200$ atm é o compromisso operacional
Explorar

Os processos Haber & Contact

compromisso: rendimento vs taxa

Alta pressão aumenta o rendimento; alta temperatura acelera, mas reduz o rendimento — um compromisso.

7.2

Ácidos e bases: a teoria de Brønsted–Lowry

Programa
  1. enunciar os nomes e fórmulas dos ácidos comuns, limitados a ácido clorídrico, $\text{HCl}$, ácido sulfúrico, $\text{H}_2\text{SO}_4$, ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, ácido etanóico, $\text{CH}_3\text{COOH}$
  2. enunciar os nomes e fórmulas das bases comuns, limitados a hidróxido de sódio, $\text{NaOH}$, hidróxido de potássio, $\text{KOH}$, amoníaco, $\text{NH}_3$
  3. descrever a teoria de Brønsted–Lowry de ácidos e bases
  4. descrever ácidos fortes e bases fortes como totalmente dissociados em solução aquosa e ácidos fracos e bases fracas como parcialmente dissociados em solução aquosa
  5. apreciar que a água tem pH de 7, soluções ácidas pH abaixo de 7 e soluções alcalinas pH acima de 7
  6. explicar qualitativamente as diferenças de comportamento entre ácidos fortes e fracos, incluindo a reação com um metal reativo e a diferença nos valores de pH pelo uso de um medidor de pH, indicador universal ou condutividade
  7. compreender que reações de neutralização ocorrem quando $\text{H}^+(\text{aq})$ e $\text{OH}^-(\text{aq})$ formam $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$
  8. compreender que sais são formados em reações de neutralização
  9. esboçar as curvas de titulação de pH de titulações usando combinações de ácidos fortes e fracos com bases fortes e fracas
  10. selecionar indicadores adequados para titulações ácido-base, dados dados apropriados (valores de $\text{p}K_a$ não serão usados)

Fonte: Programa Cambridge International

Um próton 质子 é simplesmente um íon $\text{H}^+$. A teoria de Brønsted–Lowry define ácidos e bases pelo que eles fazem com prótons:

  • um ácido 酸 é um doador de prótons 质子供体 (ele libera $\text{H}^+$).
  • uma base 碱 é um aceptor de prótons 质子受体 (ela recebe $\text{H}^+$). Uma base que se dissolve em água é chamada de alcali.
H cloreto doando um próton para uma molécula de água, formando um íon hidroxônio e um íon cloreto, com os dois pares conjugados marcados
Brønsted–Lowry: o ácido doa um protão ($\text{H}^+$) à base, formando dois pares conjugados ácido-base

Ácidos comuns que você deve saber: ácido clorídrico ($\text{HCl}$), ácido sulfúrico ($\text{H}_2\text{SO}_4$), ácido nítrico ($\text{HNO}_3$) e ácido etanóico ($\text{CH}_3\text{COOH}$). Alcalis comuns: hidróxido de sódio ($\text{NaOH}$), hidróxido de potássio ($\text{KOH}$) e amônia ($\text{NH}_3$).

Explorar

Escala de pH

Deslize o pH ou toque em uma substância — cada passo para baixo no pH significa dez vezes mais íons H⁺; ácidos estão abaixo de 7, alcalinos acima.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
base/beɪs/ 碱 jiǎn
proton acceptor/ˈprəʊtɒn əkˈseptə/ 质子受体 zhì zi shòu tǐ
strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ 强酸 qiáng suān
strong base/strɒŋ beɪs/ 强碱 qiáng jiǎn
dissociated/dɪˈsəʊsɪeɪtɪd/ 解离 jiě lí
7.2

Ácidos e bases fortes e fracos

Isso trata de quão completamente um ácido ou base se divide na água — não da sua concentração.

  • um ácido forte 强酸 ou base forte 强碱 está totalmente dissociado 解离 na água (quase todas as moléculas se dividem em íons).
  • um ácido fraco 弱酸 ou base fraca 弱碱 está apenas parcialmente dissociado (a maioria das moléculas permanece intacta).
Dois béqueres na mesma concentração: o ácido forte cheio de íons separados, o ácido fraco cheio de moléculas intactas com poucos íons
Mesma concentração, diferente ionização: um ácido forte está totalmente dissociado em íons; um ácido fraco permanece principalmente como moléculas intactas

A escala de pH mede o quanto uma solução é ácida: a água pura tem pH 7, ácidos têm abaixo de 7 e alcalis têm acima de 7. Um ácido forte tem pH menor do que um ácido fraco na mesma concentração.

Você pode distinguir ácidos fortes e fracos por:

  • reação com metal reativo: um ácido forte borbulha mais rápido.
  • pH: medido com um potenciômetro de pH ou indicador universal 通用指示剂.
  • condutividade elétrica: um ácido forte conduz melhor, pois possui mais íons.
Explorar

Forte vs ácidos fracos

Um ácido forte ioniza-se totalmente (pH baixo); um ácido fraco ioniza-se parcialmente, então na mesma concentração seu pH é mais alto. Deslize para comparar.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
acid/ˈæsɪd/ 酸 suān
proton donor/ˈprəʊtɒn ˈdəʊnə/ 质子供体 zhì zi gōng tǐ
weak acid/wiːk ˈæsɪd/ 弱酸 ruò suān
weak base/wiːk beɪs/ 弱碱 ruò jiǎn
universal indicator/ˌjuːnɪˈvɜːsl ˈɪndɪkeɪtə/ 通用指示剂 tōng yòng zhǐ shì jì
Neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 中和 zhōng hé
7.2

Neutralização, sais e curvas de titulação

Neutralização 中和 ocorre quando os íons de hidrogênio de um ácido reagem com os íons hidroxila de um alcali:

$$\text{H}^+(\text{aq}) + \text{OH}^-(\text{aq}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{l})$$

Um sal 盐 também é formado, a partir do restante do ácido e da base.

Em uma titulação 滴定 você adiciona uma solução à outra e acompanha o pH. A curva de titulação 滴定 curva apresenta um salto íngreme, quase vertical, próximo ao ponto final. A forma exata depende de cada reagente ser forte ou fraco.

Para escolher um indicador 指示剂, selecione aquele cuja mudança de cor ocorra dentro desse salto íngreme. Para um ácido forte com uma base forte, a maioria dos indicadores funciona; para um ácido fraco com uma base forte, você precisa de um que mude na faixa de pH mais alta.

Duas curvas de titulação de pH contra base adicionada, cada uma com um salto íngreme no ponto final; a curva do ácido fraco salta sobre uma faixa de pH mais alta, com uma faixa de indicador sombreada
As curvas de titulação possuem um salto íngreme de pH no ponto final. O salto do ácido fraco situa-se mais alto, então o indicador deve mudar de cor nessa faixa
Explorar

Uma curva de titulação

Adicione base ao ácido e veja o pH subir. A subida íngreme é o ponto de equivalência, onde o ácido é apenas neutralizado.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
salt/sɒlt/ 盐 yán
titration/taɪˈtreɪʃn/ 滴定 dī dìng
titration curve/taɪˈtreɪʃn kɜːv/ 滴定曲线 dī dìng qū xiàn
indicator/ˈɪndɪkeɪtə/ 指示剂 zhǐ shì jì
7.2

Dicas de prova

  • Defina equilíbrio dinâmico com os três pontos: taxas direta e inversa iguais, concentrações constantes, sistema fechado.
  • Responda questões de Le Chatelier declarando a mudança, a direção do deslocamento e a razão; um catalisador não desloca a posição (ele acelera ambas as taxas).
  • Escreva $K_c$ como produtos sobre reagentes, elevados aos seus números de balanceamento; inclua símbolos de estado para decidir o que aparece.
  • Justifique as condições de Haber/Contact como um compromisso entre rendimento, taxa e custo — não apenas cite-as.
  • Brønsted: ácido = doador de prótons, base = aceptor de prótons; pares conjugados diferem por um $\text{H}^+$.

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