Princípio de Le Chȃtelier: variação no volume

RKA12MC – Olá! tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma aula de Ciências da Natureza, e, nesta aula, vamos conversar sobre o princípio de Le Chatelier e a variação em uma reação em equilíbrio. O princípio de Le Chatelier diz que, se um estresse é provocado em uma mistura de reação em equilíbrio, a reação líquida vai ocorrer na direção que diminua esse estresse. Um possível estresse que podemos fazer em uma reação é alterar o volume de uma reação que se encontra em equilíbrio. Vamos dizer que temos uma reação hipotética aqui, em que o sólido A (que é representado pela cor vermelha em nosso diagrama de partículas) se transforma no sólido B (que é representado pela cor azul) e também C (que é representado por pontos brancos). A constante de equilíbrio Kc para essa reação é igual a 0,4 a 25 graus Celsius. O primeiro diagrama de partículas mostra a reação em equilíbrio, e podemos ver que existe algum sólido de A e algum sólido de B no fundo do recipiente, mas também há algumas partículas gasosas de C. Vamos introduzir um estresse em nossa mistura de reação em equilíbrio, e, para isso, vamos diminuir o volume do recipiente. Olhando do primeiro diagrama para o segundo, podemos ver que houve uma diminuição no volume do recipiente. Isso vai causar um aumento na pressão porque a pressão vem dessas partículas de gás batendo nas laterais do recipiente. Aí, se diminuirmos o volume, haverá uma distância menor para essas partículas viajarem antes de baterem nas laterais do recipiente. Devido a isso, aumentaremos a frequência de colisão, e, consequentemente, a pressão vai aumentar. De acordo com o princípio de Le Chatelier, a reação líquida vai na direção que alivia o estresse, portanto, se o estresse for o aumento da pressão, a reação líquida tentará se mover na direção que diminua essa pressão. Olhando para a equação dessa reação hipotética, os dois sólidos não estão realmente contribuindo com a pressão, portanto, devemos nos preocupar apenas com o gás C. Repare aqui que temos 1 mol de gás no lado dos produtos, portanto, se a reação líquida fosse para a direita, estaríamos indo de zero mol de gás para 1 mol de gás. Ou seja, ao ir para a direita, aumentaremos os mols de gás, o que aumentaria a pressão. No entanto, não é isso que a reação deseja fazer. O objetivo da reação é aliviar o estresse, e, devido a isso, a reação quer diminuir a pressão. Então, a reação vai se movimentar para a esquerda para se livrar de um pouco desse gás. Afinal, ao diminuir a quantidade de gás, a pressão será reduzida, aliviando com isso o estresse. Se a reação líquida se mover para a esquerda, perderemos alguns de nossos produtos, ou seja, vamos diminuir a quantidade de C e a quantidade de B e ganhar um pouco de nossos reagentes. Sendo assim, vamos aumentar a quantidade de A. E podemos ver tudo isso acontecendo entre o segundo e o terceiro diagrama de partículas. Então, indo do segundo diagrama de partículas para o terceiro, vamos diminuir a quantidade de C. Passamos de 4 partículas de C para apenas 2 partículas de C. Também diminuímos a quantidade de B (repare que esse sólido azul ficou menor) e aumentamos a quantidade de A. A é esfera vermelha aqui, e, como você pode ver, ela ficou maior entre o segundo diagrama e o terceiro. Indo de 4 partículas de C para apenas 2 partículas de C, diminuímos a quantidade de gás e, portanto, diminuímos a pressão. Para entender melhor o que acontece com a mistura de reação em equilíbrio quando uma tensão é colocada sobre ela, ou seja, quando um estresse é colocado sobre ela, vamos calcular o coeficiente de reação Q para esses três diagramas particulares, que se referem a momentos diferentes para a mesma reação hipotética. A expressão para o quociente de reação Qc tem a mesma forma que a expressão da constante de equilíbrio Kc. Portanto, como os sólidos são deixados de fora da expressão da constante de equilíbrio, vamos incluir aqui apenas a concentração do gás. E, como há um coeficiente de 1 na frente de C, Qc é igual à concentração de C elevada à primeira potência. Uma vez que existem 4 partículas de C no primeiro diagrama de partículas, e, se cada partícula representa 0,1 mol de C, 4 vezes 0,1 é igual a 0,4 mol de C. Para encontrar a concentração de C, pegamos os mols aqui e dividimos pelo volume do recipiente, que vamos considerar aqui que seja inicialmente de 1,0 litro. Dividindo 0,4 por 1,0, temos 0,4 molar. Então, essa é a concentração de C no primeiro diagrama de partículas. Colocamos isso em nossa expressão para Q. Sendo assim, Qc é igual a 0,4. Observe que Kc também é igual a 0,4. Então, nesse momento, Qc é igual a Kc, o que nos diz que a reação está em equilíbrio. Agora, vamos pensar sobre o estresse causado à reação em equilíbrio. Diminuímos o volume. Observando os volumes aqui, a gente tinha inicialmente 1 litro, e agora tem 1/2 litro. Portanto, estamos diminuindo o volume por um fator de 2, o que causaria um aumento na pressão por um fator de 2. Além disso, ao mudar o volume, também vamos alterar a concentração. Sendo assim, em vez de ter aqui 0,4 dividido por 1,0, vamos ter aqui 0,4 dividido por 0,5, que é igual a 0,8 molar. Repare que a concentração dobrou, portanto, se calcularmos Q para o nosso segundo diagrama de partículas, vamos inserir a concentração de C aqui, que é 0,8 molar. Sendo assim, temos agora que Qc é igual a 0,8, porém K é igual a 0,4. Então, Q não é igual a K, e, devido a isso, a reação não vai estar em equilíbrio para o nosso segundo diagrama de partículas. Eu vou escrever isso aqui: não está em equilíbrio. Nesse caso, o Qc é maior que Kc, o que nos indica que temos muitos produtos e poucos reagentes. Devido a isso, a reação líquida vai para a esquerda a fim de eliminar alguns dos produtos e aumentar a quantidade de reagentes. A reação líquida continua indo para a esquerda até que alcancemos o equilíbrio novamente. Portanto, se calcularmos a concentração de C no terceiro diagrama, vamos encontrar o quê? Aqui, existem apenas 2 partículas, então, temos 0,2 mol dividido por um volume de 0,5 litro. 0,2 dividido por 0,5 é igual a 0,4 molar. Sendo assim, Qc vai ser igual a 0,4. Nesse caso, Qc é igual a 0,4 e Kc ainda é 0,4. Então, Qc é igual a Kc e estamos em equilíbrio. Portanto, o equilíbrio foi reestabelecido. Como a reação líquida está em equilíbrio no terceiro diagrama de partículas, a reação líquida para de ir para a esquerda e a concentração de C permanece constante. Vamos aplicar o que aprendemos a outra reação? À síntese de amônia a partir do gás nitrogênio e do gás hidrogênio? Se tivermos uma mistura desses gases em equilíbrio e introduzimos um estresse no sistema, como, por exemplo, uma redução de volume, o que vai acontecer? A redução de volume do recipiente vai causar um aumento na pressão, e, de acordo com o princípio de Le Chatelier, a reação líquida vai na direção que diminua o estresse que foi causado no sistema. Então, se o estresse é o aumento da pressão, a reação final diz: eu quero me mover na direção que diminua essa pressão. Portanto, a reação líquida vai se mover para a direita, porque há 4 mols de gás à esquerda e apenas 2 mols de gás à direita. Repare que, ao se mover para a direita, vamos passar de 4 mols de gás para 2 mols de gás, o que diminui a quantidade de gás e provoca uma redução na pressão. Se tivéssemos uma mistura desses gases em equilíbrio e aumentássemos o volume, o aumento do volume causaria uma diminuição da pressão. Portanto, o estresse dessa vez seria a redução da pressão. Aí, a fim de diminuir o estresse, a reação líquida ia se mover na direção que aumentasse a pressão. Ou seja, em uma situação como essa, a reação líquida se moveria para a esquerda porque, se ela se mover para a esquerda, estaremos indo de 2 mols de gás à direita para 4 mols de gás à esquerda. Com isso, teremos um aumento nos mols de gás. E, como já visto, um aumento na quantidade de gás causa um aumento na pressão. Agora, vamos ver o que acontece quando temos quantidades iguais de mols de gás em ambos os lados da equação. Por exemplo, para uma reação hipotética, em que o gás A se transforma em gás B, há 1 mol de gás no lado dos reagentes e 1 mol de gás no lado dos produtos. Vamos usar aqui diagramas e conscientes de reação para entender o que está acontecendo? Para o nosso primeiro diagrama de partículas, aqui está a expressão Qc, e isso é igual à concentração de B elevada à primeira potência dividida pela concentração de A elevada à primeira potência. Qual é a concentração de B? Como B é azul e há 2 esferas azuis nesse primeiro diagrama particular, vamos multiplicar 2 por 0,1 mol, e isso vai ser 0,2 mol de azul. Aí, dividindo isso pelo volume, que vamos considerar que seja 1 litro, chegaremos à concentração de B. Então, a concentração de B é igual a 0,2. A concentração de A também é igual a 0,2 molar porque há 2 partículas de A aqui. Portanto, 0,2 dividido por 0,2 é igual a 1, e, como K é igual a 1 para essa reação (olhe aqui que K é igual a 1 a 25 graus Celsius), temos aqui que Qc é igual a Kc nesse momento. Portanto, a reação está em equilíbrio nesse primeiro diagrama de partículas. Agora, se você introduzir um estresse em nosso sistema em equilíbrio, como, por exemplo, diminuindo o volume por um fator de 2, o que vai acontecer? Bem, vamos de 1 litro para 1/2 litro. Devido a isso, tanto a pressão quanto as concentrações vão aumentar por um fator de 2. Sabendo disso, podemos dizer que a concentração de B vai ser agora 0,4 molar e a concentração de A também vai ser 0,4 molar. Portanto, teremos 0,4 dividido por 0,4, e isso é igual a 1. Repare que aqui Qc ainda é igual a Kc, e, com isso, a reação ainda vai estar em equilíbrio. Ou seja, nesse caso, mesmo alterando o valor do volume, o valor de Qc não foi alterado, ele continuou sendo igual a Kc. Como não houve nenhuma mudança, não há reação líquida indo para a esquerda, nem para a direita. Observando esse exemplo, chegamos à conclusão [de] que, se alterar o volume em uma reação em equilíbrio quando há quantidades iguais de mols de gás em ambos os lados aqui da equação, não tem efeito nenhum sobre a composição da mistura em equilíbrio. Vamos voltar agora à nossa reação para a síntese do gás amônia a partir do gás nitrogênio e do gás hidrogênio e vamos dizer que essa reação esteja em equilíbrio? Se a gente adicionar um pouco de gás hélio à mistura de reação em equilíbrio, o que vai acontecer? Como sabemos, o hélio é um gás inerte, e isso significa que ele não reage com nenhum dos gases que temos aqui. É muito tentador dizer aqui que a adição desse gás inerte aumentaria a pressão total, e, devido a isso, a reação líquida se movimentaria para a direita a fim de se livrar desse aumento de pressão, não é? No entanto, observe que o hélio não faz parte da expressão para Qc, e, portanto, depois de adicioná-lo, você não estará realmente alterando nenhuma dessas concentrações. Devido a isso, Qc ainda vai ser igual a Kc após a adição de hélio. E, como Qc é igual a Kc, a reação ainda vai estar em equilíbrio, e não haverá mudança em nenhuma direção. Portanto, adicionar um gás inerte a uma reação que está em equilíbrio não tem nenhum efeito sobre a composição da mistura de reação. Enfim, conseguiu compreender tudo direitinho aqui? Eu espero que sim. E, mais uma vez, eu quero deixar aí para você um grande abraço, e dizer que te encontro na próxima. Então, até lá!