Equilíbrio químico: Constante de equilíbrio e quociente da reação

Explicação

Quando uma reação é incompleta, não existe o consumo total de nenhum dos reagentes, estabelecendo-se um equilíbrio químico. Isto significa que irá ocorrer em simultâneo a reação no sentido direto e a reação no sentido inverso.

Exemplo

A reação da formação do iodeto de hidrogénio é dada por:

​$$H_2 (g) + I_2(g) \rightarrow 2 HI (g)$$

Uma vez que o iodo, $$I_2$$, é violeta e o iodeto de hidrogénio formado é incolor, dever-se-ia observar um desaparecimento total da cor violeta. No entanto, observa-se uma ligeira cor violeta, independentemente do tempo que se esperar, o que significa que o iodo não é totalmente consumido e a reação no sentido inverso (a reação inversa) está também a ocorrer:

​$$2 HI (g) \rightarrow H_2 (g) + I_2(g)$$

Assim, a coexistência de uma reação no sentido direto e no sentido indireto, leva à existência de uma reação incompleta (ou reversível), dada pela seta dupla, ​$$\rightleftarrows$$:

$$H_2 (g) + I_2 (g) \rightleftarrows 2HI (g)$$

Reação incompleta

Para a reação genérica:

​$$A+B \rightleftarrows C+D$$​​

Equilíbrio químico

O equilíbrio químico consiste num estado do sistema reacional onde, macroscopicamente, não se registam variações nas propriedades físicas e químicas (como cor, concentração, pressão e temperatura) e coexistem reagentes e produtos da reação. Nesse instante, as velocidades da reação direta e inversa são iguais (diz-se que se está num equilíbrio dinâmico) e a concentração de cada mantém-se constante.

Gráficos de evolução num estado de equilíbrio

É possível traçar vários gráficos que representam a evolução de uma reação ao longo do tempo. São eles:

• Concentração/tempo;
  
• Quantidade de matéria/tempo;
• Velocidade da reação direta e indireta/tempo.
  

Exemplo

A reação entre o monóxido de carbono e a água é dada por:

$$CO(g)+H_2O(g) \rightleftarrows CO_2(g)+H_2(g)$$

O gráfico abaixo mostra a variação da velocidade das reações direta e inversa ao longo do tempo. 

1. Representa a reação inversa;

2. Representa a reação direta.

Observa-se:

• Diminuição progressiva da velocidade da reação direta e aumento progressivo da velocidade da reação inversa;
• No instante $$t$$, as velocidades tornam-se iguais - atinge-se o equilíbrio químico.

O gráfico abaixo mostra a variação da concentração dos reagentes,  $$CO$$ e $$H_2O$$ e a variação da concentração dos produtos,  $$CO_2$$ e $$H_2$$.​

Observa-se:

• Aumento progressivo da concentração dos produtos (curva ascendente) e diminuição progressiva da concentração dos reagentes (curva descendente); 
• As alterações das concentrações vão-se tornando menos acentuadas ao longo do tempo;
  
• No instante $$t$$ as concentrações estabilizam - atinge-se o equilíbrio químico.

Nota: São tidas em conta as proporções estequiométricas dos reagentes e produtos. 

Equilíbrio químico homogéneo

Quando não se distinguem componentes numa reação, encontrando-se todos os elementos na mesma fase, diz-se que se está num equilíbrio homogéneo.

Exemplo

Na síntese do amoníaco ocorre o seguinte equilíbrio químico:

​$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3 (g)$$

O gráfico abaixo representado mostra a evolução da concentração dos componentes do sistema ao longo do tempo até estes atingirem o equilíbrio químico, no instante $$t$$.​

Analisando o gráfico e tendo em consideração que os regentes foram introduzidos num reator de $$1 dm^3$$ e a estequiometria da reação, pode-se obter a quantidade de matéria dos componentes para os vários estados da reação. Vejamos:

É importante perceber que a variação da quantidade de matéria ao longo do tempo obedece à proporção estequiométrica referente ao equilíbrio. Ou seja, uma vez que a proporção estequiométrica entre $$N_2$$​ e $$H_2$$ é de $$1:3$$, a diminuição de $$H_2$$ será $$3$$​ vezes superior à variação de $$N_2$$. Da mesma forma, a proporção estequiométrica entre $$N_2$$ e $$NH_3$$ é de $$1:2$$. Logo, a variação de $$NH_3$$ será $$2$$ vezes superior à variação de $$N_2$$.

Constante de equilíbrio

A constante de equilíbrio é uma constante que tem em conta a concentração dos reagentes e produtos em equilíbrio, bem como as suas proporções estequiométricas. Esta constante varia apenas com a temperatura. Para a reação:

$$aA+bB +\rightleftharpoons cC+dD$$​ 

A constante de equilíbrio é dada por:

​$$K_c = \frac{[C]_e ^c \times [D]_e ^d}{[A]_e ^a \times[B]_e ^b}$$​​

Em que $$e$$​ representa o equilíbrio e $$K_c$$​ a constante de equilíbrio. Tendo em conta a expressão da constante de equilíbrio, podem-se tirar as seguintes conclusões: 

Nota: Componentes sólidos ou líquidos não entram na contabilização da constante de equilíbrio. A água pura é um exemplo. Quando $$Kc\leq 10^{-5}$$ considera-se $$\Delta n=0$$.

Constante de equilíbrio da reação inversa

Para além de existir uma constante de equilíbrio para a reação direta, existe também uma reação de equilíbrio para a reação inversa, sendo o inverso da constante de equilíbrio. Representa-se por $$K'_c$$:

​$$K'_c=\frac{1}{K_c}$$​​

​

Para o equilíbrio químico:

$$A+B \rightleftharpoons C+D$$

​

$$K'_c$$ é dado por:

​$$K'_c = \frac{[A]_e \times[B]_e }{[C]_e \times[D]_e }$$​​

Nota: Se a reação direta for muito extensa, a reação inversa será pouco extensa.

​

Quociente da reação

O quociente da reação é semelhante à constante de equilíbrio, mas é utilizado para representar situações em que o sistema não se encontra em equilíbrio. Representa-se por $$Q_c$$. Para a reação:

​$$aA+bB \rightleftharpoons cC+dD$$​​

O quociente da reação é dado por:

​$$Q_c=\frac{[C] ^c \times[D] ^d}{[A] ^a \times[B]^b}$$

Através da comparação entre $$K_c$$​ e $$Q_c$$ é possível prever a reação que predomina.