Uma reação se encontra em equilíbrio químico quando a taxa de desenvolvimento ou velocidade da reação direta (no sentido de formação dos produtos) é igual à taxa de desenvolvimento ou velocidade da reação inversa (no sentido de formação dos reagentes).
Para analisar essas reações em termos quantitativos os cientistas Cato Guldberg (1836-1902) e Peter Waage (1833-1900) desenvolveram em 1861 a Lei de Ação das Massas ou Lei de Guldberg-Waage.
Cato Guldberg (1836-1902) e Peter Waage (1833-1900)
Considere a reação reversível genérica abaixo:
a A + b B ↔ c C + d D
Temos que a taxa de desenvolvimento (Td) das reações direta e inversa pode ser expressa da seguinte forma:
*Reação direta: Tddireta = Kdireto . [A]a. [B]b
*Reação inversa: Tdinversa = Kinverso . [C]c. [D]d
Visto que no equilíbrio químico as taxas de desenvolvimento das duas reações (direta e inversa) são iguais, temos:
Tddireta = Tdinversa
Kdireto . [A]a. [B]b = Kinverso . [C]c. [D]d
Kdireto__ = _[C]c. [D]d_
Kinverso [A]a. [B]b
A divisão de uma constante por outra constante é sempre igual à outra constante, desse modo, a relação Kdireto/ Kinverso é igual a uma constante, que é denominada de constante de equilíbrio, K ou Ke.
Geralmente, a constante do equilíbrio é calculada em termos de concentração em mol/L, que é representada por Kc.
Kc = _Kdireto_
Kinverso
Kc = _[C]c. [D]d_
[A]a. [B]b
Na expressão de Kc só devem ser expressas as concentrações de componentes gasosos e em solução aquosa, que são as concentrações que sofrem variações. Os sólidos e os líquidos puros não são escritos, pois eles possuem concentração constante que já está inclusa na constante de equilíbrio, Kc.
Veja alguns exemplos:
N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) Kc = __ [ NH3]2___
[N2]. [H2]2
CO2(g) + H2(g) ↔ CO(g) + H2O(?) Kc = __ [CO]___
[CO2]. [H2]
CuO(s) + H2(g) ↔ Cu(s) + H2O(?) Kc = _1_
[H2]
CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g) Kc = [CO2]
Zn(s) + 2HCl(aq) ↔ ZnCl2(aq) + H2(g) Kc = [ZnCl2] . [H2]
[HCl]2
Zn(s) + Cu2+(aq) ↔ Zn2+(aq) + Cu(s) Kc = [Zn2+]_
[Cu2+]
Observe que nem sempre as concentrações de todas as espécies químicas são expressas, mas somente de gases e soluções aquosas. Além disso, cada concentração é elevada ao expoente igual ao respectivo coeficiente de cada substância na equação química.
Quando existe pelo menos um dos componentes da reação no estado gasoso, a constante de equilíbrio também pode ser expressa em termos de pressão, sendo representada por Kp.
Para a reação genérica (a A + b B ↔ c C + d D) em que todos os componentes são gasosos, temos:
Kp = __(pC)c. (pD)d___
(pA)a. (pB)b
Onde “p” é a pressão parcial de cada substância no estado gasoso no equilíbrio.
No caso de Kp, devem ser representados somente os componentes gasosos. Veja os exemplos a seguir:
N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) Kp = __ (p NH3)2___
(pN2). (pH2)2
CO2(g) + H2(g) ↔ CO(g) + H2O(?) Kp = __ (pCO)___
(pCO2). (pH2)
CuO(s) + H2(g) ↔ Cu(s) + H2O(?) Kp = _1_
(pH2)
CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g) Kp = (pCO2)
Zn(s) + 2HCl(aq) ↔ ZnCl2(aq) + H2(g) Kp = (pH2)
Zn(s) + Cu2+(aq) ↔ Zn2+(aq) + Cu(s) Kp = não é definido.
Os valores de Kc e de Kp dependem somente da temperatura. Se a temperatura for mantida constante, os seus valores também serão mantidos os mesmos.
Por exemplo, considere que a reação abaixo foi realizada várias vezes em laboratório, partindo de concentrações dos reagentes e dos produtos diferentes em cada situação, que são mostradas na tabela:
N2O4(g) ↔ 2NO2(g)
Todas essas reações foram mantidas à temperatura constante de 100ºC. Veja como os valores de Kc foram mantidos constantes:
Kc = [NO2]2
[N2O4]
1ª experiência: 2ª experiência: 3ª experiência: 4ª experiência:
Kc = (0,4)2 Kc = (0,6) 2 Kc = (0,27)2 Kc = (0,4)2
0,8 1,7 0,36 0,8
Kc = 0,2 Kc = 0,2 Kc = 0,2 Kc = 0,2
No entanto, se a temperatura for mudada isso alterará a constante do equilíbrio. Por exemplo, para a reação a seguir veja como é expresso o Kc e o Kp:
CuO(s) + H2(g) ↔ Cu(s) + H2O(g) Kc = _[ H2O]_ Kp = _pH2O
[H2] pH2
Mas, se abaixássemos a temperatura a um valor suficientemente baixo em que a água existisse apenas no estado líquido no equilíbrio, teríamos:
CuO(s) + H2(g) ↔ Cu(s) + H2O(?) Kc = _1_ Kp = _1_
[H2] (pH2)
Os valores de Kc nos fornecem informações importantes com respeito às reações:
?
Videoaula relacionada: