Um catalisador é uma substância que aumenta a velocidade com que um sistema reacional alcança o estado de equilíbrio. Outra característica fundamental do catalisador é que ele não é consumido no processo.
O catalisador geralmente age diminuindo a energia de ativação, através da criação de um mecanismo de reação alternativo. As velocidades das reações direta e reversa são afetadas na mesma proporção, permanecendo inalterado o valor da constante de equilíbrio. A composição do meio reacional no equilíbrio será a mesma que na ausência de catalisador, pois este não altera as propriedades termodi- nâmicas do sistema (o que será discutido com mais detalhes em aula posterior, quando abordaremos a segunda lei da termodinâmica e o conceito de variação da energia livre como critério de espontaneidade de processos).
Na síntese da amônia, o fato de não poder aumentar muito a temperatura, como discutido no item anterior, limita a velocidade da reação, o que é compensado pelo uso de um catalisador adequado. Industrialmente, utiliza-se um catalisador à base de ferro, com diversos aditivos (Al2O3, K2O, CaO, SiO2 e MgO).
Atende aos Objetivos 1 e 4
8. Qual será o efeito das seguintes perturbações sobre o equilíbrio abaixo? N2 (g) + 2 O2 (g) 2 NO2 (g) + calor a. Aumento da concentração de N2. __________________________________________________________________ _________________________________________________________________ b. Diminuição da temperatura. __________________________________________________________________ _________________________________________________________________ c. Aumento do volume do sistema.
__________________________________________________________________ _________________________________________________________________ d. Adição de um catalisador.
__________________________________________________________________ _________________________________________________________________ e. Aumento da pressão pela adição de um gás inerte.
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RESPOSTAS COMENTADAS
Para avaliar o efeito das perturbações, devemos aplicar o Princípio de Le Châtelier, segundo o qual o sistema reage tentando compensar, ainda que parcialmente, a perturbação introduzida:
a. A adição de um excesso de reagente vai deslocar o equilíbrio na direção da formação de produtos, pois esta é a maneira de consumir parte desse excesso.
b. A reação direta é exotérmica, sendo, portanto, favorecida pela diminuição da temperatura (a liberação de energia na forma de calor compensa parcialmente o abaixamento da temperatura). O equilíbrio será deslocado na direção da formação de produtos. c. O aumento do volume do sistema provoca diminuição da pressão total e das pressões parciais dos componentes da mistura. O sentido favorecido é aquele em que há aumento do número de moles na fase gasosa (neste caso, a reação reversa: 3 moles de gases nos rea- gentes contra 2 nos produtos), o que eleva a pressão, compensando parcialmente a queda causada pelo aumento do volume.
d. A adição de um catalisador não altera a composição do sistema no equilíbrio, apenas faz com que esta condição seja alcançada mais rapidamente.
e. A adição de um gás inerte faz aumentar a pressão total sem alte- rar as pressões parciais das espécies presentes, não tendo, assim,
AULA
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ATIVIDADE FINAL
Sejaareação:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2 (g). A 900°C, a constante de equilíbrio Kp é 49,4. a.Quaisserãoaspressõesparciaisnoequilíbrioseinicialmentetemoscarbono sólidoe0,200molesdeH2Oemumrecipientede2,00L? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ b. Qual seria a quantidade mínima de carbono necessária para alcançar esta condiçãodeequilíbrio?
_____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ c. A 800°C, o valor da constante de equilíbrio é 14,1. A reação é exotérmica ou endotérmica?
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RESPOSTAS COMENTADAS
a. Começamos calculando a pressão inicial do vapor d’água. Supondo que os gases deste sistema se comportem idealmente:
P = n RT V = 0, 200 mol 0,0821 atm.L.mol .K 1.173 K 2,00 H O H O -1 -1 2 2 × × LL = 9,63 atm
Sendo o comportamento ideal, a variação da pressão e do número de moles por litro é proporcional. Tomando-se como incógnita (x) o decrésci- mo da pressão parcial do vapor d’água necessário para o sistema atingir o equilíbrio e considerando a estequiometria da reação, temos:
Espécies que reagem Pressões iniciais (atm) Variação da pressão (atm) Pressão no equilíbrio (atm) C - - - H2O 9,63 -x 9,63-x CO 0 +x x H 0 +x x
Lembre-se de que o C, sendo um sólido puro, não participa da expressão da constante de equilíbrio. Substituindo os valores na expressão de Kp:
K P P P x 9,63 x 49,4 x + 49,4x - 475,7 = 0 p CO H H O 2 2 2 2 = = − = ∴
Resolvendo a equação de segundo grau: x = 8,25 atm. Assim, no equilíbrio:
PH
2O = 9,63 - 8,25 = 1,38 atm e PCO = PH2 = 8,25 atm.
b. Cada mol de água necessita de um mol de carbono, logo o número mínimo de moles de carbono necessário é igual ao número de moles de água consumidos, que correspondem a uma variação de pressão de 8,25 atm.: n PV RT 8,25 atm 2,00 L 0,0821 atm.L.mol .K-1 -1 1.173 K 0,171 = = × × = mol
Massa de C = 12,0 g.mol-1 × 0,171 mol = 2,05 g.
c. O valor da constante de equilíbrio diminuiu com a redução da tem- peratura. Segundo a Lei de van’t Hoff, se as variações de K e de T têm o mesmo sinal (no caso, ambas são negativas), então ΔH é positivo, logo a reação é endotérmica.
R E S U M O
Todas as reações reversíveis progridem até as velocidades das reações direta e reversa se igualarem, fazendo com que as concentrações de reagentes e produtos não variem mais com o tempo, o que caracteriza o estado de equilíbrio.
As concentrações neste estado se correlacionam segundo uma expressão simples conhecida como constante de equilíbrio, que corresponde à razão entre as constantes de velocidade das reações direta e reversa.
A expressão da constante de equilíbrio é dada pela razão entre o produto das concentraçõesdosprodutosnoequilíbrio(cadaumaelevadaaoseucoeficiente estequiométrico) e o produto das concentrações dos reagentes no equilíbrio (cada umaelevadaaoseucoeficienteestequiométrico).
AULA
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Ovalordestaconstanteéfunçãoapenasdatemperatura,sendoindependentede variáveis como pressão, volume e concentrações iniciais de reagentes e produtos. Para construir a expressão da constante de equilíbrio, consideramos apenas as concentrações ou pressões parciais das espécies em fase gasosa e as concentrações dasespéciesdissolvidas.Sólidoselíquidospurosesolventesdesoluçõesdiluídas não são considerados nas expressões das constantes de equilíbrio.
A constante de equilíbrio pode ser utilizada em diversos tipos de cálculo, como, por exemplo, determinar a composição do meio reacional no equilíbrio, a partir das concentrações iniciais de reagentes e produtos.
Sistemas no equilíbrio, quando são submetidos a algum tipo de perturbação, reagem de forma a compensar parcialmente o efeito dessa perturbação (princípio de Le Châtelier).
INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA
Napróximaaula,serãointroduzidososconceitosdeacidezebasicidadesegundo oscritériosdeArrhenius,Brønsted-LowryeLewis.Serãotambémdiscutidosos conceitos de força ácida e o equilíbrio de auto-ionização da água.