Fenômeno de equilíbrio que acontece em reações reversíveis
O equilíbrio químico ocorre quando em uma reação reversível (ocorre paralelamente nos dois sentidos), a velocidade da reação direta é igual à velocidade da reação inversa. Quando esse equilíbrio é alcançado, as quantidades de reagentes e produtos envolvidas na reação permanecem estáveis.
Nas reações químicas diretas os reagentes formam os produtos, enquanto nas reações inversas os produtos formam os reagentes. Em uma equação química esses elementos organizam-se de modo que no primeiro membro estejam os reagentes e no segundo os produtos.
Como dito, para alcançar o equilíbrio químico a velocidade da reação direta (v1) precisar se igual à velocidade da reação inversa (v2), ou seja, v1 = v2. Isso pode ser exemplificado na imagem abaixo:
Gráfico equilíbrio químico. (Foto: Educa Mais Brasil)
O gráfico de equilíbrio químico possui a variável tempo (eixo x) e concentração em mol/L (eixo y). Qualquer curvatura descendente refere-se ao reagente, enquanto a curva ascendente refere-se ao produto.
Considere a equação genérica de equilíbrio químico abaixo:
Equação equilíbrio químico.
Inicialmente, v1 possui um valor máximo pois os reagentes A e B também apresentam grandes concentrações. Porém, v2 é igual a zero, já que os produtos C e D ainda não foram formados.
Na medida que a reação evolui, A e B reduzem, ao mesmo tempo que C e D aumentam, consequentemente, v1 reduz e v2 aumenta. Em função dessa relação inversamente proporcional, em um determinado momento as duas velocidades se igualam (v1 = v2).
Ao alcançar o estado de equilíbrio, a reação parece ter cessado. Contudo, ela ainda ocorre com velocidades iguais e as concentrações de reagentes e produtos permanecem constantes.
Grau de equilíbrio
O grau de equilíbrio (a) representa a relação matemática entre a quantidade de um reagente que foi consumido e a quantidade deste reagente no começo da reação. Essa grandeza, indicada em mols, é dada pela expressão abaixo:
a = quantidade em mols que reagiu/ quantidade inicial em mols
Em relação ao grau de equilíbrio, podemos observar que: quanto maior o valor de a no equilíbrio, menor a sobra de reagentes e maior a quantidade de produtos; quanto menor o valor de a no equilíbrio, maior a sobra de reagentes e menor a formação de produtos.
Exemplo - Considerando a reação x <--> y + w, que inicialmente tinha 2 mols de x e no equilíbrio foram encontrados 0,8 mols de x sem reagir. Podemos concluir que houve a reação de 2,00 – 0,8 = 1,20 mols de x, e o grau de equilíbrio é:
a = quantidade em mols que reagiu/ quantidade inicial em mols
a = 1,20/ 2,0
a = 0,60
0,6 x 100 = 60%
Constante de equilíbrio
A constante de equilíbrio (Ke) refere-se às quantidades de reagentes e produtos presentes em uma reação. Os numeradores C e D são os produtos, enquanto os denominadores A e B correspondem aos reagentes. Essa relação é dada pela fórmula abaixo:
Fórmula da constante de equilíbrio.
A constante de equilíbrio foi uma desenvolvida pelos cientistas Cato Maximilian Guldberg e Peter Waage, em 1864, a qual foi chamada de “Lei de Ação das Massas” ou “Lei de Guldberg-Waage”.
De acordo com os autores, as taxas de reação direta e inversa devem ser iguais para alcançar o equilíbrio químico. Este, por sua vez, pode acontecer em dois tipos de sistemas:
Homogêneos: os reagentes e os produtos estão na mesma fase, gerando um sistema homogêneo. Exemplo: H(g) + Cl2(g) <--> HCl (g)
Heterogêneos: os reagentes e os produtos estão em fases diferentes, gerando um sistema heterogêneo. Exemplo: Na2 CO3(s) <--> Na2 O(s) + CO2(g)
Exemplo – Considerando A + B <--> C + D, sabemos que v1= K1 [A] [B] e v2 = K2 [C] [D]. Logo, em equilíbrio K1 [A] [B] = K2 [C] [D]. No caso real da reação de formação da amônia N2 + 3H2 <--> 2NH3, temos: K = [NH3]²/ [N2] [H2]²
Deslocamento do Equilíbrio Químico
De acordo com o Princípio de Le Chatelier, um sistema pode ter seu equilíbrio perturbado em função de três fatores: pressão, temperatura e concentração de reagentes, e produtos. Conforme o enunciado abaixo:
“Quando uma força externa age sobre um sistema em equilíbrio, este se desloca, procurando anular a ação da força aplicada.”