Princípio de Le Châtelier e efeitos de perturbações no equilíbrio químico

Explicação

O Princípio de Châtelier afirma que se a um sistema em equilíbrio químico for introduzida uma perturbação, o sistema irá reagir no sentido de a contrariar, até atingir novo estado de equilíbrio.

Fatores que alteram o equilíbrio químico 

• ​Pressão (apenas para sistemas gasosos);
  
• Temperatura;
• Concentração;
• Volume.

Estes fatores podem ou não afetar a constante de equilíbrio. 

Concentração

Um aumento na concentração de uma das espécies envolvidas vai levar o sistema a reagir no sentido de a diminuir. Uma diminuição nessa concentração irá produzir o efeito contrário.

Exemplo

Considera a reação de produção de eteno, $$C_2H_4$$:

$$C_2H_6 (g) \rightleftharpoons C_2H_4 (g) + H_2(g)$$

No caso de uma diminuição da concentração de eteno:

Nota: Os vários equilíbrios criados após desestabilização do sistema nunca irão fazer repor a concentração em equilíbrio de reagentes ou produtos, ainda que a constante de equilíbrio se mantenha intacta.

​​Pressão

A pressão é um variável presente em sistemas gasosos, dependente da quantidade de matéria. Quanto mais substância gasosa existir, maior será a pressão no sistema.

Exemplo

Considera a reação de formação do cianeto de hidrogénio, $$HCN$$:

$$NH_3(g) + CH_4(g) \rightleftharpoons HCN(g) + 3H_2(g)$$​​

No caso de um aumento de pressão:

Volume

O volume é uma variável inversamente proporcional à pressão. Quanto maior a pressão de um sistema, menor o seu volume e vice-versa. Isto é válido a uma temperatura constante.

Exemplo 

Considera outro processo de obtenção do cianeto de hidrogénio, $$HCN$$:

​$$3NH_3(g) + C_3H_8(g) \rightleftharpoons 3HCN(g) + 7H_2(g)$$​​

​​No caso de um aumento do volume do sistema:

Temperatura

O efeito da temperatura no equilíbrio químico depende da natureza da reação em questão, para sistema isolados:

Exemplo

Considera a reação de formação acetato de etilo, $$CH_3CO_2C_2H_5$$:

$$CH_3CO_2H(l) + C_2H_5OH(l) \rightleftharpoons CH_3CO_2C_2H_5 (l) + H_2O(l)$$ e $$\Delta H = -3,3kJ/mol$$​

No caso de um aumento da temperatura do sistema:

Equilíbrio químico e otimização de reações químicas

A partir do Princípio de Le Châtelier é possível prever valores de temperatura e pressão ideais para as reações químicas, bem como justificar a utilização de catalisadores a nível industrial. 

Exemplo

Considera a otimização da reação de síntese do amoníaco:

​$$N_2 (g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$ com $$\Delta H = -92kJ$$

Problemas da síntese do amoníaco

1. Aumento da temperatura leva à diminuição da extensão da reação, pelo que ocorre menor síntese do produto desejado;
   
2. Diminuição da temperatura, apesar de aumentar a extensão da reação, leva à diminuição da velocidade da reação, pelo que é necessário gastar mais tempo para obter o produto desejado.

A necessidade de otimização da reação levou à introdução de catalisadores da reação, que são componentes introduzidos no sistema com o intuito de aumentar a velocidade das reações sem que nela interfiram.

Otimização da síntese do amoníaco

1. O catalisador utilizado nesta reação (mistura de ferro em pó com óxidos de potássio e alumínio) aumenta a velocidade da reação a temperaturas baixas, tornando a produção de amoníaco viável.
2. Um aumento da pressão favorece a reação direta, sendo que esta deverá ser $$150$$​ a $$300$$​ vezes superior à pressão atmosférica normal.
3. A remoção do amoníaco favorecerá a reação direta.