Como ocorre a influência da concentração no deslocamento do equilíbrio?

A partir do momento em que uma reação quimica está ocorrendo tanto no seu sentido direto como no sentido inverso com velocidades iguais, caracterizando o estado de equilibrio, podemos esperar que esse estado de equilíbrio seja vulnerável a alguns fatores como temperatura, concentração e pressão. Se a velocidade de uma das duas reações (reação direta ou inversa) for alterada, o equilíbrio será desbalanceado devido à diferença entre as velocidades das reações direta e inversa. Chama-se esse desbalanceamento do equilíbrio de deslocamento do equilíbrio.

Qualquer deslocamento de equilibrio gera aumento ou queda nas concentrações das espécies químicas presentes, por exemplo :

2SO2(g) + O2(g) = 2SO3(g)

Se o equilíbrio sofrer deslocamento e a concentração da espécie SO3(g) aumentar, então o equilíbrio foi deslocado para a direita. (porque SO3(g) está à direita do sinal igual ( = ).

No entanto, se ocorrer o contrário e a concentração das espécies SO2(g) e O2(g) aumentarem, o equilíbrio foi deslocado para a esquerda. (porque essas espécies estão à esquerda da dupla seta D ).

Por outro lado, se não for notado qualquer variação nas concentrações das espécies, não houve deslocamento de equilíbrio.

A seguinte reação encontrava-se em equilíbrio :

2 NO2 = N2O4

A temperatura foi elevada e a concentração de N2O4 aumentou !

Como a espécie N2O4 está à direita da dupla seta, a reação foi deslocada para a direita.

(não é sempre que o aumento da temperatura causa esse efeito, apenas em alguns casos)

A situação de equilíbrio existente em um sistema químico depende sempre da igualdade de velocidades das duas reações : a direta e a inversa. Quando uma dessas reações ocorre com maior velocidade em relação a outra, seus produtos adquirem maior concentração pois passam a ser produzidos mais rápidamente do que a reação inversa pode consumi-los.

A + B à C + D

V = K[A].[B]

Devemos lembrar de que a velocidade de uma reação depende sempre de seus reagentes.

Dessa forma, se forem adicionadas quantidades extras de reagentes A e B, a velocidade da reação aumenta. Com isso uma maior quantidade dos produtos C e D serão formados.

Se a reação inversa estiver ocorrendo :

C + D à A + B

Da mesma forma, a sua velocidade depende das concentrações dos reagentes C e D. Assim, se forem adicionadas quantidades extras das espécies C e D a velocidade desta reação aumenta produzindo maiores quantidades de produtos A e B.

Portanto, se tivermos o equilíbrio :

A + B = C + D

O que aconteceria ao adicionar quantidades extras das espécies A e B ?

O que aconteceria ao adicionar quantidades extras das espécies C e D ?

Devemos ter em mente que a velocidade de uma reação depende das concentrações dos reagentes.

Partindo da situação de equilíbrio, ao adicionar quantidades extras das espécies A e B, as concentrações dessas espécies aumentariam. A velocidade da reação que transforma A e B em C e D aumentaria também e assim as concentrações de C e D aumentariam. Portanto o equilíbrio seria deslocado para a direita.

Seguindo o mesmo raciocínio, tendo uma situação inicial de equilíbrio, ao adicionar quantidades extras das espécies C e D, as concentrações dessas espécies aumentariam e com isso a velocidade da reação inversa (C + D à A + B) aumentaria também. Dessa forma uma quantidade maior dos produtos A e B seriam produzidos aumentando suas concentrações. Assim o equilíbrio seria deslocado para a esquerda.

Inicialmente temos o seguinte equilíbrio :

H2CO3 = H+ + HCO3-

Ao adicionar H2CO3 o equilíbrio será deslocado para a direita pois a produção de H+ e HCO3- será maior.

Inicialmente temos o seguinte equilíbrio :

A + B = C + D

O que acontece ao adicionar quantidade extra apenas da espécie C ?

Qual das reações terá sua velocidade aumentada ? a direta ou a inversa ?

O raciocínio envolvido no equilíbrio químico é bastante desenvolvido ao responder essas questões.

Adicionando-se a espécie C a velocidade da reação inversa aumenta :

C + D à A + B

V = K[C].[D]

Assim o equilíbrio será deslocado para a esquerda (no sentido de aumentar as concentrações das espécies A e B).

E a concentração da espécie D ? aumenta, diminui ou permanece constante ?

Sabemos que as concentrações das espécies A e B aumentam porque o equilíbrio foi deslocado para a esquerda. A concentração da espécie C aumentou pois foi a espécie de que adicionamos quantidades extras, mas e a concentração da espécie D ?

A concentração da espécie D diminui !

Quando adicionamos a espécie C parte da concentração da espécie D reagiu com a espécie C que foi adicionada produzindo A e B. Dessa forma, a concentração da espécie D restante é menor que a inicial.

Seguindo esse raciocínio é possível resolver qualquer problema relacionado a equilíbrio químico envolvendo alterações nas concentrações das espécies envolvidas.

A pressão total do sistema é frequentemente um fator capaz de deslocar o equilíbrio químico. De acordo com a lei de Le Chatelier, se a pressão total do sistema é aumentada, o sistema tenderá a reduzir esse efeito. Assim, o equilíbrio será deslocado no sentido de diminuir a pressão. Num sistema onde o equilíbrio envolve espécies gasosas, o equilíbrio será deslocado no sentido de diminuir a quantidade de gás no sistema. Para isso ser possível, o equilíbrio deve deslocar-se para o lado que possui menor número de moles gasosos.

Por exemplo :

2NO2(g) = N2O4(g)

Se a pressão do sistema aumentar, o equilíbrio é deslocado para a direita pois o número de moles gasosos no lado direito é menor. Por outro lado, se a pressão diminuir acontece o contrário: o equilíbrio desloca-se para a direita.

Vamos considerar agora o deslocamento do equilíbrio causado pela variação da temperatura do sistema.

Sempre que a temperatura aumenta, a energia cinética das moléculas aumenta e os choques entre elas tornam-se mais intensos. Isso faz com que a velocidade de qualquer reação aumente. Como temos duas reações ocorrendo no estado de equilíbrio, as velocidades das duas irão aumentar.

No entanto, as velocidades das duas reações presentes no estado de equilíbrio não aumentam em proporções iguais. Assim, as velocidades das duas reações tornam-se diferentes entre si e a partir disso o equilíbrio é deslocado.

Por que as velocidades das duas reações presentes no estado de equilíbrio não crescem igualmente se a variação da temperatura é a mesma para as duas reações ?

Cada reação possui uma característica própria e exclusiva sua. Esta característica é denominada "Entalpia" e está relacionada com a quantidade de calor liberada na reação.

Existem reações que liberam calor e por isso são chamadas "reações exotérmicas". Por exemplo :

2CO + O2 à 2CO2 + calor

Quando queremos dizer que uma reação libera calor, não utilizamos a notação acima. Basta dizer que a entalpia dH < 0).

Calor é sinônimo de energia térmica. No exemplo acima ocorre a liberação de energia.

Existem reações que consomem energia, por exemplo a reação inversa :

2CO2 + calor à 2CO + O2

Reações que consomem energia são chamadas reações endotérmicas e possuem entalpia positiva (dH > 0). O valor de dH é positivo porque temos de adicionar energia para a reação ocorrer.

A forma correta de expressar estas duas reações é a seguinte :

2CO + O2 à 2CO2 dH < 0

2CO2 à 2CO + O2 dH > 0

"Calor" não é reagente nem produto de reação. A energia representada por "Calor" é a elevação da temperatura.

Se aumentarmos a temperatura, estamos fornecendo energia à reação. Ao contrário, se resfriarmos o sistema, estamos retirando energia da reação.

Se uma reação precisa de energia para ocorrer, oque devemos fazer para que ela ocorra ? elevar a temperatura ou resfriar o sistema ?

Para a reação ocorrer é necessário energia. Uma forma de fornecer energia é aumentar a temperatura, portanto devemos elevar a temperatura do sistema.

Sempre que uma reação apresentar dH > 0 significa que sua velocidade aumenta se a temperatura elevar. Se dH < 0 a veocidade da reação aumenta se a temperatura diminuir.

Suponhamos que :

2CO + O2 à 2CO2 dH < 0

2CO2 à 2CO + O2 dH > 0

Temos o seguinte equilíbrio :

2CO + O2 = 2CO2

O que acontece se a temperatura aumentar ?

Se a temperatura aumentar, a reação cujo valor dH > 0 é a reação inversa :

2CO2 à 2CO + O2 dH > 0

Se esta reação sofrer aumento de velocidade, o equilíbrio será deslocado no sentido de produzir as espécies químicas CO + O2. O equilíbrio

2CO + O2 = 2CO2

será deslocado para a esquerda.

Le Chatelier propôs este teorema geral em 1884 :

"Se uma perturbação é aplicada a um sistema em equilíbrio, o sistema altera-se, se possível, no sentido de anular a perturbação".

Catalisadores são espécies químicas geralmente encontradas nos metais de transição. Foi descoberto o fato de alguns metais de transição tornarem determinadas reações químicas mais velozes e a partir disso inicializou-se o uso desses metais de transição no sentido de facilitar a ocorrência de algumas reações que até então dificilmente os químicos conseguiam realizar em laboratórios.

A grande função dos catalisadores consiste em aumentar a velocidade das reações. No entanto eles não são capazes de deslocar equilíbrios químicos. A explicação para esse fenômeno é bastante simples : os catalizadores não aumentam apenas a velocidade da reação direta. A velocidade da reação inversa também é aumentada proporcionalmente de modo que o deslocamento do equilíbrio é compensado. Essa informação foi comprovada experimentalmente através da síntese da amônia a partir de nitrogênio e hidrogênio utilizando o ferro como catalizador. Da mesma forma que o ferro ajudava a reação de síntese da amônia, facilitava a sua decomposição.