Exercícios resolvidos de equilíbrio químico Kc e Kp

Letra e). Os dados fornecidos pelo exercício foram:

• Temperatura: 677oC, que, em Kelvin (somando com 273), corresponde a 950 K

• Massa da água = 7,2 g

• Massa molar da água = 18g/mol

• Massa do H2 = 8 g

• Massa molar do H2 = 2g/mol

• Massa do O2 = 6,4 g

• Massa molar do O2 = 32g/mol

Para determinar o valor do Kp do sistema, devemos realizar os seguintes passos:

1a etapa: determinar o número em mol de cada gás dividindo a massa fornecida pela massa molar.

• Para o H2O = 7,2 = 0,4mol
                     18

•  Para o H2 = 8 = 4mol
                  2

•  Para o O2 = 6,4 = 0,2mol
                   32

2a etapa: determinar o valor da pressão de cada gás utilizando o valor do volume (4L), a constante geral dos gases (0,082) e a temperatura (950) na expressão de Clapeyron.

• Para o H2O

P.V = n.R.T

P.4 = 0,4.0,082.950

P.4 = 31,16

P = 31,16 
     4

p = 7,79 atm

• Para o H2

P.V = n.R.T

P.4 = 4.0,082.950

P.4 = 311,6

P = 311,6 
     4

p = 77,9 atm

• Para o O2

P.V = n.R.T

P.4 = 0,2.0,082.950

P.4 = 15,58

P = 15,58 
     4

p = 3,895 atm

3a etapa: determinar o valor do Kp.

Kp =     (pH2O)2    
        (pH2)2.(pO2)1

Kp =       (7,79)2       
       (77,9)2.(3,895)1

Kp =      60,684      
       6068,41.3,895

Kp =    60,684    
       23639,456

Kp = 0,0025 atm-1

Observe a representação abaixo, que ilustra a reação reversível entre os gases hidrogênio e cloro, para formar o gás clorídrico:                   

Abaixo, iremos ilustrar, passo a passo, o processo que representa a reação reversível em questão:

Observe que os reagentes ainda não reagiram entre si.

Observe agora que a reação se inicia quando duas moléculas de H2 reagem com duas moléculas de Cl2 produzindo quatro moléculas de HCl.

Finalmente, observe que, em determinado instante, duas moléculas de gás clorídrico (HCl) reagem formando uma molécula de H2 e uma de Cl2, o que nos deixa claro que nesse momento duas reações passam ocorrem simultaneamente,

Analise o gráfico abaixo:

Podemos observar que no tempo t0 a velocidade no sentido 1(V1) é máxima, enquanto a velocidade no sentido 2 (V2) é nula.

À medida que o tempo passa, V1 diminui, devido ao consumo dos reagentes H2 e Cl2, enquanto V2 aumenta, devido a produção de HCl.

No tempo t, vemos que as velocidades nos dois sentidos são iguais, ou seja, a velocidade em que os gases hidrogênio e cloro reagem para formar gás clorídrico é igual à velocidade em que o gás clorídrico se decompõe nos gases hidrogênio e cloro. Nesse momento temos a impressão que a reação está parada, mas na verdade ela está ocorrendo simultaneamente nos dois sentidos com velocidades iguais. Temos uma situação de equilíbrio químico.

Vamos agora lembrar daquela expressão da velocidade que vimos nos módulos de cinética química:

V = velocidade da reação

K = constante da velocidade

[Reagentes] = concentração em mol/L dos reagentes

ordem da reação, que para as reações elementares representa os coeficientes de balanceamento da reação.

Vamos agora escrever as expressões da velocidade para as duas reações que ocorrem na síntese do gás clorídrico:

No sentido 1, temos

No sentido 2, temos

Como as reações reversíveis nunca terminam, esperamos o momento em que elas entram em equilíbrio, quando V1 = V2.

A razão das constantes de velocidades

Assim, temos:

Ou generalizando:

ATENÇÃO

Assim como na cinética química, ao escrever a expressão da constante de equilíbrio Kc, apenas as substâncias com maior grau de liberdade tomam parte da expressão.

Gasoso = aquoso > líquido > sólido

Exemplos:

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO EM TERMOS DE PRESSÕES PARCIAIS (Kp)

Nas reações em que pelo menos um dos participantes é um gás, a constante de equilíbrio pode ser expressa em termos de pressões parciais dos gases envolvidos.

Abaixo, alguns exemplos:

RELAÇÃO ENTRE Kc E Kp

Exercícios resolvidos

01) Um estudante introduziu 0,3 mol de NH3 gasoso em um recipiente fechado de 1,0 litro a 25°C e observou as variações de concentração das espécies que participam do equilíbrio químico , ilustradas no gráfico a seguir:

Determine:

A) O tempo em que a reação demorou até atingir o equilíbrio.

B) O valor numérico da constante Kc.

Solução:

A) Uma reação reversível entra em equilíbrio quando as velocidades das reações nos dois sentidos são iguais, ou seja, quando as concentrações de todos os participantes permanecem constantes. Isso ocorre quando se passam 16 segundos de reação.

B) Para calcular a constante de equilíbrio, é necessário, inicialmente, escrever a expressão do Kc.

Analisando o gráfico, retiramos as concentrações dos componentes no equilíbrio, ou seja, a partir do 16° segundo da reação e substituímos na expressão:

02) Na precipitação de chuva ácida, um dos ácidos responsáveis pela acidez é o sulfúrico. Um equilíbrio envolvido na formação desse ácido na água da chuva está representado pela equação:

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.

Solução:

Observe que nessa questão só há informação da concentração de um dos componentes, no equilíbrio. Sempre que isso ocorrer, é importante organizar uma tabela, para que possamos determinar as concentrações, em mol/L de todos os participantes da reação, no equilíbrio.

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, segundo a proporção estequiométrica da reação (2:1:2).

Com as concentrações de todos os componentes no equilíbrio, basta substituí-los na expressão do Kc: