Princípio de Le Chȃtelier: variação na temperatura

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 de temperatura. O princípio de Le Chatelier diz que, se uma tensão é aplicada a uma reação em equilíbrio, a reação líquida vai ocorrer na direção que alivia a tensão. Uma possível tensão é alterar a temperatura da reação que se encontra em equilíbrio. Como exemplo desse caso, vamos observar a reação hipotética em que o gás A se transforma em gás B. O ΔH (delta H) para essa reação é menor que zero e isso nos diz que se trata de uma reação exotérmica. Como sabemos, quando temos uma reação exotérmica, o calor é liberado conforme a reação ocorre. Sabendo disso, vamos escrever “calor” aqui do lado dos produtos, já que o calor foi liberado. Vamos dizer aqui que nossa reação hipotética esteja em equilíbrio, mas, aí, alteramos a temperatura. Em nosso caso aqui vamos aumentar a temperatura. De acordo com o princípio de Le Chatelier, a reação líquida vai ocorrer na direção que diminua a tensão, ou seja, que diminua o estresse causado. Se a gente tratar o calor como um de nossos produtos, caso a gente aumente a temperatura, de certa forma estaremos aumentando a quantidade de um dos nossos produtos, e, portanto, a reação líquida vai ocorrer para a esquerda a fim de diminuir um produto. Vamos usar diagramas de partículas e o quociente de reação Q para explicar o que está acontecendo quando aumentamos a temperatura em nossa reação em equilíbrio? O primeiro diagrama de partículas mostra a reação em equilíbrio, e vamos mostrar isso aqui calculando Qc nesse momento. Podemos obter a expressão para o coeficiente de reação Qc observando a equação balanceada. Observe que temos coeficientes de 1 na frente de A e na frente de B. Sendo assim, Qc vai ser igual à concentração de B elevada à primeira potência dividida pela concentração de A também elevada à primeira potência. Para encontrar a concentração de B, sabemos que B é representado por esferas azuis, então, nós temos uma, duas, três esferas azuis aqui. E, se cada esfera representa 0,1 mol de uma substância, temos 3 vezes 0,1, que é igual a 0,3 mol de B. Considerando o volume igual a 1 litro, temos 0,3 dividido por 1 litro, que é igual a 0,3 molar. Portanto, a concentração de B é igual a 0,3 molar. Existem também três partículas de A, portanto, a concentração de A também é igual a 0,3 molar. 0,3 dividido por 0,3 é igual a 1. Então, Qc nesse momento é igual a 1. Kc para essa reação é igual a 1 a 25 graus Celsius. Sendo assim, Qc é igual a Kc. E, quando Qc é igual a Kc, a reação está em equilíbrio. Dessa forma, para esse primeiro diagrama de partículas, a reação está em equilíbrio. Agora, vamos introduzir uma tensão, um estresse, nessa reação em equilíbrio, e o estresse nesse caso é um aumento na temperatura. Em geral, para uma reação exotérmica, o aumento de temperatura diminui o valor da constante de equilíbrio. Portanto, para essa reação hipotética a 25 graus Celsius, Kc é igual a 1. Mas, como aumentamos a temperatura, o valor da constante de equilíbrio vai diminuir. Sabendo disso, vamos dizer que Kc vá para 0,5 caso a gente aumente a temperatura para 30 graus Celsius. Se calcularmos Qc para o nosso segundo diagrama de partículas, (repare que ainda temos 3 azuis e 3 vermelhas aqui, certo?) dessa forma, ao realizar o cálculo, ainda encontraremos Qc sendo igual a 1. Mas a diferença agora é que o Kc mudou. Então, Qc não vai ser mais igual a Kc, e, com isso, não teremos uma reação em equilíbrio. Neste caso aqui, Qc é maior que Kc porque Qc é igual a 1 e Kc é igual a 0,5. Como sabemos, quando Qc é maior que Kc, temos muitos produtos e não há reagentes suficientes. Com isso, a reação líquida vai ocorrer para a esquerda. Com a reação líquida ocorrendo para a esquerda, teremos B se transformando em A. Aqui, em nosso caso, teremos 1 esfera azul se transformando em 1 esfera vermelha. Portanto, se temos 3 azuis e 3 vermelhas e 1 azul se transforma em 1 vermelha, teremos agora apenas 2 azuis e 4 vermelhas. Dessa forma, quando calcularmos Qc para o nosso terceiro diagrama de partículas, a concentração de B vai ser 0,2 molar e a concentração de A vai ser 0,4 molar. Assim, ao dividir 0,2 por 0,4, teremos Qc sendo igual a 0,5. Bem, Kc também é igual a 0,5, sendo assim, Qc agora é igual a Kc e a reação está em equilíbrio novamente. Como já vimos, quando uma reação está em equilíbrio, as concentrações de reagentes e produtos são constantes. Agora que fizemos este exemplo, vamos voltar à nossa reação hipotética em equilíbrio. Mas, dessa vez, vamos diminuir a temperatura em vez de aumentar. Se tratarmos o calor como um produto, quando reduzirmos a temperatura, estaremos fazendo algo semelhante a diminuir a quantidade de um dos produtos. Portanto, a reação líquida vai ocorrer para a direita a fim de fazer mais produtos. Se abordarmos esse problema pensando no quociente de reação Q para uma reação exotérmica, uma redução na temperatura causa um aumento na constante de equilíbrio. E, caso a constante de equilíbrio aumente, Q será menor que K. E, quando Q é menor que K, a reação líquida vai ocorrer para a direita. A reação líquida continua a ir para a direita até que Q seja igual a K e o equilíbrio seja reestabelecido. Agora, vamos observar o caso de uma reação endotérmica, em que ΔH é maior que zero. Quando 6 moléculas de água complexam com o íon de cobalto 2+, teremos um íon resultante de cor rosa. E, quando os ânions de cloro complexam com o cobalto 2+, teremos um íon resultante de cor azul. Quando o íon rosa reage com 4 ânions cloreto, o íon azul é formado. E, como essa reação é endotérmica, podemos colocar calor no lado dos reagentes. Vamos usar esses diagramas de partículas aqui para nos ajudar a entender o que acontece com uma reação endotérmica em equilíbrio quando a temperatura se altera. No entanto, esses desenhos não foram projetados para serem totalmente precisos para essa reação em particular. Eles servem apenas para nos ajudar a entender que cor veríamos. Por exemplo, vamos dizer que esse diagrama de partículas intermediário represente a reação em equilíbrio. E, se houver quantidades próximas de íons azul e rosa em equilíbrio, a mistura de equilíbrio resultante, que é uma solução aquosa, ficaria com uma cor roxa ou violeta. Vamos aumentar a temperatura dessa reação endotérmica. E, como se trata de uma reação endotérmica, vamos tratar o calor como um reagente. Isso significa que, ao aumentar a temperatura, estaríamos meio que aumentando a quantidade de um reagente e, portanto, a reação líquida vai ocorrer para a direita a fim de eliminar parte desse reagente. Se a reação líquida ocorrer para a direita, aumentaremos a quantidade de íons azuis e vamos diminuir a quantidade de íons rosa. Portanto, olhando para este diagrama específico à direita, repare que temos aqui mais íons azuis do que íons rosa em comparação com a nossa mistura de equilíbrio, que se encontra no meio. Sendo assim, para esse terceiro diagrama de partículas, a solução aquosa resultante vai ficar com uma cor azul. Se pensarmos no consciente de reação Q para uma reação endotérmica, um aumento na temperatura causa um aumento na constante de equilíbrio K. E, se K aumenta, o coeficiente de reação Q será menor que K. E, quando Q é menor que K, a reação líquida ocorre para a direita. Vamos voltar ao nosso diagrama de partículas intermediário. Temos uma reação em equilíbrio, certo? Só que, dessa vez, vamos diminuir a temperatura. Se estamos tratando o calor como um reagente, diminuindo a temperatura, estamos fazendo algo como se estivéssemos diminuindo um de nossos reagentes. Dessa forma, a reação líquida vai ocorrer para a esquerda a fim de fazer mais de nosso reagente. Como a reação está indo para a esquerda, vamos diminuir a quantidade de íons azuis e aumentar a quantidade de íons rosa. Quando compararmos o diagrama de partículas do meio com o da esquerda, no da esquerda, nós temos muito mais íons rosa do que íons azuis. Portanto, a solução aquosa resultante vai ter uma cor rosa. Se a gente pensar sobre o que está acontecendo, usando Q para uma reação endotérmica em geral, quando você diminui a temperatura, você diminui a constante de equilíbrio, e, se a constante de equilíbrio diminui, agora o Q será maior do que o K, o que significa que teremos muitos produtos e reagentes insuficientes. Portanto, a reação líquida vai se deslocar para a esquerda. Vamos voltar à nossa reação exotérmica agora para conversar sobre mais um detalhe importante. Nesse momento, vamos fingir que estamos começando apenas com A. Como vamos começar apenas com A, não teremos nada de B. O nosso objetivo é fazer o máximo que pudermos e fazer isso o mais rápido possível. Uma maneira de aumentar a taxa de uma reação é aumentar a temperatura. No entanto, para uma reação exotérmica, aumentar a temperatura, diminui a constante de equilíbrio K. E, ao diminuir a constante de equilíbrio K, diminuímos a quantidade de B que precisamos atingir para alcançar o equilíbrio. Portanto, não podemos realizar nossa reação hipotética em uma temperatura muito alta porque isso vai diminuir a constante de equilíbrio. Sendo assim, em vez de acelerar a taxa da reação, podemos adicionar um catalisador. Vamos olhar aqui um gráfico de concentração de B em função do tempo? E vamos começar com esta curva azul aqui, que representa a reação hipotética sem um catalisador, ou seja, uma reação não catalisada? Quando o tempo é igual a zero, a concentração de B é zero porque começamos apenas com A. E, à medida que A se transforma em B, a concentração de B aumenta com o tempo. Aí, eventualmente, a concentração de B vai ficar constante. Quando a concentração de B se torna constante, a reação atinge o equilíbrio. Portanto, esta linha pontilhada aqui representa a concentração de B no equilíbrio. Agora, a linha amarela representa a reação com um catalisador adicionado. Mais uma vez, estamos começando apenas com A, então, quando o tempo é igual a zero, a concentração de B é igual a zero. Aí, à medida que o tempo passa, A se transforma em B, e, com isso, a concentração de B aumenta. Aí, em algum momento, a concentração de B vai ficar constante. Com isso, a reação vai atingir o equilíbrio. Observe que a reação atingiu o equilíbrio muito mais rápido com a adição do catalisador do que sem o catalisador. Repare que a adição de um catalisador permite que a reação atinja o equilíbrio mais rapidamente. No entanto, observe que a concentração de equilíbrio final de B é a mesma em ambas as situações, ou seja, para a reação não catalisada e para a reação catalisada. Sendo assim, a adição de um catalisador não altera a composição da mistura de equilíbrio, e isso porque o catalisador acelera tanto a reação direta quanto a inversa, mas as taxas ainda são iguais. E, como as taxas são iguais, não há alteração na composição da mistura de equilíbrio. Enfim, espero que você tenha compreendido aqui essas ideias, e, mais uma vez, eu quero deixar para você um grande abraço, e dizer que te encontro na próxima. Então, até lá!