O que é o equilíbrio químico?
A maioria das reações corre nos dois sentidos ao mesmo tempo. As moléculas do sentido direto combinam-se em produtos enquanto as moléculas de produto se voltam a partir, e quando as duas velocidades se anulam exatamente, as concentrações congelam nos seus valores de equilíbrio — não porque algo tenha parado, mas porque cada alteração é desfeita tão depressa quanto acontece. Essa razão congelada captura-se num número, a constante de equilíbrio K: produtos elevados aos seus coeficientes, divididos por reagentes elevados aos seus. Para a reação de Haber N2 + 3H2 = 2NH3, Kc = [NH3]2/([N2][H2]3). K é uma pontuação de cabo de guerra: muito maior do que 1 e ganham os produtos; muito menor e ganham os reagentes.
A regra a reter: só a temperatura altera K. A concentração, a pressão e os catalisadores podem deslocar a posição do equilíbrio — nunca mudam a própria constante.
Kc, Kp e a ponte entre eles
Quando tudo está dissolvido, K usa concentrações (Kc); para gases, também servem pressões parciais (Kp). São a mesma constante com roupagens diferentes, relacionadas por Kp = Kc(RT)Δn, onde Δn conta as moléculas gasosas do lado dos produtos menos as do lado dos reagentes. Para a reação de Haber Δn = 2−4 = −2, por isso Kp é muito menor do que Kc: com Kc = 4,0 a 500 K a amostra calcula Kp = 2,4×10−3. A termodinâmica fecha o ciclo pelo outro lado: ΔG° = −RT ln K, por isso ΔG° = −10 kJ/mol converte-se em K ≈ 57 (produtos favorecidos) no painel de Gibbs — uma pequena vantagem de energia livre já é uma grande razão.
Tabelas ICE: contabilizar a aproximação
Para prever onde a reação aterra, disponha três linhas: concentrações Iniciais, Cvariação como ±coeficientes·x, Equilíbrio como a sua soma. Depois resolva para x. A amostra ICE começa com N2 + 3H2 em 1,0 e 3,0 M sem amoníaco e Kc = 4,0; o resolvedor encontra x ≈ 0,65, por isso no equilíbrio coexistem cerca de 0,35 M de N2, 1,06 M de H2 e 1,29 M de NH3 — e ao voltar a substituir esses valores reproduz-se Kc = 4,0, que é exatamente a verificação que o painel imprime. Os manuais permitem o atalho « x é pequeno » quando reage menos de 5%; esta página, em vez disso, faz bissecção da equação completa, por isso não é preciso nenhuma suposição desse tipo.
Q vs. K: para que lado a partir daqui?
O quociente de reação Q é a fórmula de K aplicada às concentrações que existem agora, antes do equilíbrio. Compará-los dá o sentido: Q < K, para a frente; Q > K, para trás; Q = K, já lá está. A amostra Q é um caso dramático — com Kc = 4,0 mas Q = 4×104, a mistura está a afogar-se em produtos e a reação corre fortemente para trás. É assim que um químico prevê o sentido de uma mistura proposta antes de a misturar, e é assim que o corpo decide, por exemplo, se a hemoglobina capta ou liberta oxigénio.
Le Chatelier: a regra da tensão
Perturbe um equilíbrio e ele desloca-se para aliviar a perturbação. Adicione reagente → consome algum; remova produto → forma-se mais; comprima uma mistura gasosa → desloca-se para o lado com menos moléculas gasosas; aqueça-a → desloca-se no sentido endotérmico. Repare na letra miúda escondida na caixa da chave acima: a temperatura é o único estímulo que altera o próprio K (reavalia todo o cabo de guerra), enquanto a pressão e a concentração apenas reposicionam. Um catalisador não altera nenhuma das duas coisas — acelera o sentido direto e o inverso por igual, por isso o equilíbrio chega mais depressa, mas exatamente no mesmo sítio. O processo de Haber é o exemplo industrial: 4 moléculas gasosas tornam-se 2, por isso a alta pressão empurra para o NH3, enquanto a temperatura troca rendimento por velocidade.
Ideias erradas comuns
- Equilíbrio significa que a reação parou. Ambos os sentidos continuam a correr à velocidade máxima; só a variação líquida é zero.
- Adicionar reagente aumenta K. Desloca temporariamente a posição para a frente e o Q, depois o sistema regressa ao mesmo K. Só a temperatura move K.
- Um catalisador aumenta o rendimento. Altera o tempo para atingir o equilíbrio, nunca a sua posição. Os rendimentos industriais movem-se por temperatura, pressão e remoção contínua do produto.
- No equilíbrio, as concentrações de reagentes e produtos são iguais. Concentrações iguais significam K = 1, e nada mais. K = 4,0 na amostra: os produtos já estão quatro vezes favorecidos, e no entanto claramente não são iguais.
Ferramentas relacionadas: Ácido-base e pH (Ka e Kb são constantes de equilíbrio), Termoquímica (de onde vêm ΔG e K) e Cinética (as velocidades que determinam a rapidez com que se atinge o equilíbrio).
