Princípios do Equilíbrio Químico
1. Reações Reversíveis e Irreversíveis
Da mesma forma que um fenômeno físico pode ser reversível,
como a água líquida, que pode virar gelo e, logo após, se transformar em água novamente,
fenômenos químicos também podem ser reversíveis.
Para que uma reação química seja reversível, basta que ela aconteça nos dois sentidos, ou seja:
os reagentes “A e B” podem sofrer um fenômeno químico e se transformar em produtos “C e D”,
assim como os produtos “C e D” podem sofrer um fenômeno químico e se transformar nos reagentes “A e B”.
$A + B \rightarrow C + D$ e $C + D \rightarrow A + B$
Mas para representar que uma reação é reversível, ou seja, que acontece nos dois sentidos,
não precisamos escrever a reação duas vezes, como a gente fez em cima.
A representação química para uma reação reversível é uma única reação com duas setas, apontando uma para cada lado da reação.
$A + B \underset{\text{2}}{\overset{\text{1}}{\rightleftharpoons}} C + D$
O sentido comum de uma reação (A e B formando C e D) é chamado de sentido direto da reação ou reação direta,
representado pela seta de número 1 (esquerda para a direita).
Já o sentido contrário (C e D formando A e B) é chamado de sentido inverso da reação ou reação inversa,
representado pela seta de número 2 (direita para a esquerda).
O sentido comum de uma reação (A e B formando C e D) é chamado de sentido direto da reação ou reação direta,
representado pela seta de número 1 (esquerda para a direita).
Já o sentido contrário (C e D formando A e B) é chamado de sentido inverso da reação ou reação inversa,
representado pela seta de número 2 (direita para a esquerda).
Mas é claro que nem todas as reações químicas são reversíveis.
Se você queimar uma folha do seu caderno, ela sofrerá combustão, liberará gás carbônico e água, e nada mais fará com que elas voltem a ser folha.
Para que uma reação química seja reversível, é preciso de algumas condições. Essas condições são:
O sistema precisa ser fechado;
Os produtos e reagentes precisam permanecer na mistura;
As reações precisam ser energeticamente viáveis em ambos os sentidos.
Um sistema fechado não troca matéria com o ambiente externo.
Se não há troca de matéria, os reagentes e produtos permanecem no sistema para continuarem reagindo.
Da mesma maneira, nenhum composto pode ser removido,
como por exemplo gás que, ao ser formado, escapa, ou uma substância que, ao ser formada, precipita e sai da solução.
Por fim, as duas reações precisam ser viáveis nos dois sentidos.
No assunto anterior, em Cinética Química, você aprendeu que você precisa de uma energia mínima para permitir que ela ocorra.
Lembra do exemplo da montanha-russa que precisa de energia para chegar no ponto mais alto,
para depois conseguir descer loucamente sem ajuda nenhuma mais?
Portanto, por mais que a energia de ativação do sentido direto seja fácil de ser alcançada,
se a energia de ativação do sentido inverso de uma reação for muito alta ou impossível de ser alcançada,
a reação inversa não ocorre e ela não é reversível.
Entender o que é uma reação reversível é importante,
porque uma reação precisa ser reversível e estar em sistema fechado para que possa existir o equilíbrio químico.
E o nosso desafio a partir de agora é entender tudo sobre Equilíbrio Químico.
Vamos começar agora. Boa sorte, é um assunto difícil, mas estaremos juntos como sempre. Vamos pra cima!
2. Equilíbrio Químico
Imagine o seguinte cenário: em um recipiente vazio, você colocou uma solução de dois reagentes, A e B, em um sistema fechado.
A reação se inicia, como mostra a equação abaixo:
$aA + bB \underset{\text{2}}{\overset{\text{1}}{\rightleftharpoons}} cC + dD$
No início, só existem apenas os reagentes A e B, portanto a reação 1 (sentido direto) ocorre, mas a reação 2 (sentido inverso) não,
já que ainda não existem produtos C e D.
Pelos conhecimentos de Cinética Química, sabemos que as fórmulas das velocidades de cada uma das reações V1 e V2 são:
$V1 = K1 . [A]^a . [B]^b$
$V2 = K2 . [C]^c . [D]^d$
Antes de iniciar o consumo dos reagentes, as suas concentrações são máximas, portanto a reação 1 inicia com sua velocidade V1 máxima.
De forma contrária, como os produtos ainda não existem, [C] =[D] = 0 ainda, logo, a velocidade V2 (sentido inverso) é inicialmente nula.
Conforme a reação 1 acontece, as concentrações de A e de B diminuem gradativamente, fazendo com que V1 diminua.
Enquanto isso, as concentrações de C e de D aumentam gradativamente.
A partir do momento que já existem concentrações dos produtos C e D, a reação 2 começa a acontecer.
Logo, V2 começa a aumentar junto com a queda de V1.
Enquanto V1 continua maior que V2, o sentido direto acontece em uma proporção maior que o sentido inverso,
o que significa que eu tenho mais reagentes sendo consumidos do que sendo formados.
Se meus reagentes A e B são mais consumidos do que formados, então as suas concentrações seguem diminuindo, assim como a velocidade V1.
E se você fizer o raciocínio contrário, você conclui a mesma coisa:
se V2 segue menor, então meus produtos são mais formados que consumidos, as concentrações de C e D seguem aumentando, portanto V2 segue aumentando.
Chegamos em uma grande conclusão aqui então!
Quer dizer que enquanto V1 continuar maior que V2, V1 continuará diminuindo e V2 continuará aumentando o tempo inteiro!
E de tanto isso acontecer, as velocidades vão se aproximar tanto até o momento em que elas se igualam.
Quando a velocidade do sentido direto se torna igual à velocidade do sentido inverso,
a quantidade de reagente consumida é igual à formada (assim como a de produto).
E é nesse momento que as concentrações [A], [B], [C] e [D] se tornam constantes.
Se as concentrações de todos os componentes da reação se tornam constantes, as velocidades não se alteram mais, portanto V1=V2.
A partir desse momento, a reação está em equilíbrio químico.
Portanto, no gráfico, a partir do ponto em que V1=V2, a reação está em equilíbrio.
3. Gráficos de Concentração x Tempo
Entendemos o que é o equilíbrio químico, agora vamos aprender a identificá-lo em gráficos.
No equilíbrio químico, as velocidades das reações direta e inversa são iguais e constantes.
Já as concentrações das substâncias são constantes, mas não precisam obrigatoriamente ser iguais!!!
Dependendo da reação específica e das condições da reação (como a temperatura e a pressão),
no momento do equilíbrio, você pode identificar qualquer uma das três situações:
Concentração dos reagentes maior que a concentração dos produtos
Concentração dos reagentes igual à concentração dos produtos
Concentração dos reagentes menor que a concentração dos produtos
Agora, em um gráfico de "concentração x tempo", quais linhas são reagentes e quais são produtos?
É simples: os reagentes são consumidos, portanto são representados por linhas decrescentes.
Nesses três exemplos de gráficos acima, você teria condições de saber que a linha azul representa a concentração dos reagentes, mesmo sem legenda.
Da mesma forma, os produtos são formados, portanto são representados por linhas crescentes.
Nos gráficos acima, os produtos foram representados pela linha vermelha.
4. E todas as substâncias ficam com concentrações iguais?
Para completar, reagentes diferentes não precisam ter valores de concentração iguais no equilíbrio, assim como produtos.
Imagine a reação a seguir:
$3 H_2 (g) + N_2 (g) \rightleftharpoons 2 NH_3 (g)$
Essa reação vai ocorrer em uma solução de 1,0 L contendo 3 mols de H2(g) e 1 mol de N2(g).
Quando essa reação alcançar o equilíbrio, a concentração molar de cada um dos três componentes será constante, mas com valores diferentes entre si.
Por enquanto, não precisa se atentar aos valores finais de cada concentração (no próximo capítulo, aprenderemos a calcular).
A informação que precisa ficar gravada é:
No equilíbrio, todos os componentes possuem concentrações constantes,
mas essas concentrações não precisam ser de mesmo valor entre si
5. O Equilíbrio Químico é dinâmico
Por fim, é importante que você entenda que o equilíbrio de uma reação química é um fenômeno dinâmico.
Ou seja, por mais que as concentrações das substâncias estejam constantes, as reações não estão paradas.
No gráfico de “velocidade das reações x tempo”, vimos que as reações direta e inversa não possuem velocidade nula no equilíbrio.
Portanto, existe a todo momento reagente virando produto e produto virando reagente.
A diferença é que essa proporção é a mesma nos dois sentidos (R → P e P → R).
É como se fosse uma partida de cabo de guerra equilibrada!
Por mais que a corda não se mova para nenhum dos lados, as duas equipes continuam exercendo muita força!
Da mesma forma, por mais que as concentrações não mudem, as reações continuam ocorrendo em ambos os sentidos.
Por isso que definimos o equilíbrio químico como dinâmico, e não estático.
Esse é o capítulo introdutório de equilíbrio químico e ele foi extenso, mas eles precisam ser dominados para que todo o resto possa fazer sentido.
Revise quantas vezes for necessário, não menospreze esse capítulo!
