Equilíbrios

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.

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.

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

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

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 $K_c$.

(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):

$0.80\ \text{mol}$ 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):

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

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

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.

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 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.

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 ($\text{NH}_3$).

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).

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.

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

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.

• 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 $\text{H}^+$.