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Equilíbrio Químico: Kc, Kp, Q e Energia de Gibbs

Em um recipiente fechado, uma reação reversível acontece nos dois sentidos. Depois de um tempo, as velocidades direta e inversa ficam iguais, então as quantidades param de mudar, mas a reação não para. Isso é o equilíbrio dinâmico. No equilíbrio, a razão entre produtos e reagentes (cada um elevado ao seu coeficiente) é um número fixo, a constante de equilíbrio K. Kc usa concentrações, Kp usa pressões parciais, e Kp = Kc(RT)^Δn. Sólidos e líquidos puros não entram em K. O quociente de reação Q mostra o sentido: Q < K vai para a direita, Q > K vai para a esquerda, Q = K é equilíbrio. K e a energia de Gibbs se ligam: ΔG = ΔG° + RT ln Q e ΔG° = −RT ln K.

🎬 História passo a passo

  1. Uma caixa fechada começa só com N₂O₄. Alguns pares cinza se quebram em NO₂ marrom, e alguns NO₂ se juntam de novo. Depois de um tempo, as contagens param de mudar, mas as moléculas continuam mudando. Isso é o equilíbrio dinâmico.
  2. Comece com as quantidades que quiser. No equilíbrio, [NO₂]² ÷ [N₂O₄] sempre dá o mesmo número. Esse número fixo é a constante de equilíbrio Kc.
  3. Para gases, podemos usar pressões no lugar de concentrações. Isso dá o Kp. Aqui os mols de gás mudam em Δn = 2 − 1 = 1, então Kp = Kc × RT.
  4. Agora uma caixa com um sólido: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g). Deixe o sólido maior ou menor. A pressão do CO₂ não muda. Por isso os sólidos ficam fora de K.
  5. Colocamos NO₂ extra. Agora o quociente de reação Q é maior que K. A reação anda para trás até Q voltar a ser K. O sinal de ΔG = RT ln(Q/K) mostra o sentido.
  6. Brincadeira livre: adicione N₂O₄ ou NO₂ e veja o sistema voltar para o valor de K.

Dica: arraste a cena 3D para girar. Use dois dedos para dar zoom.

🤔 Dúvidas comuns, esclarecidas

Se as quantidades param de mudar, a reação parou?

Não. As duas reações continuam com a mesma velocidade. No 3D, pares e unidades continuam trocando enquanto as contagens ficam estáveis.

K depende de quanto eu coloco no começo?

Não. Mude os controles iniciais: a razão final [NO₂]²/[N₂O₄] sempre chega ao mesmo Kc em uma temperatura fixa.

Quando Kp é igual a Kc?

Quando Δn (mols de gás) = 0, porque (RT)⁰ = 1. Para N₂O₄ ⇌ 2NO₂, Δn = 1, então Kp = Kc × RT.

Por que deixamos os sólidos fora de K?

A concentração de um sólido é fixada pela sua densidade. O 3D mostra que um bloco de CaCO₃ maior ou menor dá a mesma pressão de CO₂.

Como Q e K mostram o sentido?

Q usa as quantidades do momento. Se Q > K há produto demais, então a reação vai para a esquerda. No 3D, NO₂ extra faz Q > K e a contagem de marrom cai de volta.

Um K grande quer dizer reação rápida?

Não. K diz até onde a reação vai, não quão rápida ela é. A velocidade depende da energia de ativação e da temperatura.

Equilíbrio dinâmico em processos físicos e químicos

Equilíbrio quer dizer balanço. Ele só é alcançado em um sistema fechado (nada entra nem sai).

Processos físicos: em uma garrafa fechada, a água evapora e o vapor condensa. Depois de um tempo, os dois acontecem com a mesma velocidade, então a pressão de vapor fica constante. Gelo e água a 0 °C, e uma solução saturada de açúcar com açúcar extra no fundo, são outros exemplos.

Processos químicos: em uma reação reversível, os reagentes formam produtos e os produtos formam reagentes de volta. No começo a velocidade direta é alta. Conforme os produtos se acumulam, a velocidade inversa aumenta. Quando as duas ficam iguais, as quantidades param de mudar.

Chama-se dinâmico porque a reação nunca para. As moléculas continuam reagindo nos dois sentidos; só não vemos mudança líquida. Você pode chegar ao mesmo equilíbrio começando de qualquer lado.

Experimente: no 3D, no passo 1, observe as contagens de cinza e marrom. Elas se estabilizam, mas pares e unidades continuam trocando.

Lei do equilíbrio e a constante de equilíbrio Kc

Para uma reação geral aA + bB ⇌ cC + dD, em uma temperatura fixa:

Kc = [C]c[D]d / [A]a[B]b

Colchetes significam concentração em mol/L no equilíbrio. Esta é a lei do equilíbrio químico (lei da ação das massas). Os produtos ficam em cima, os reagentes embaixo, e cada um é elevado ao seu coeficiente.

Regras para lembrar:

Experimente: no passo 2, mexa nos controles de início. O Q final sempre se acerta no mesmo Kc.

Kc e Kp: a relação Kp = Kc(RT)^Δn

Para gases, a pressão parcial p é proporcional à concentração: p = (n/V)RT = [X]RT. Colocando isso na expressão, temos:

Kp = Kc (RT)Δn, onde Δn = (mols de produtos gasosos) − (mols de reagentes gasosos).

Use R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹ com a pressão em bar e T em kelvin. Só os gases contam em Δn.

Equilíbrios homogêneos e heterogêneos

Equilíbrio homogêneo: tudo está em uma só fase. Exemplos: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g); CH₃COOH(aq) + C₂H₅OH(aq) ⇌ CH₃COOC₂H₅(aq) + H₂O(l) em solução.

Equilíbrio heterogêneo: há mais de uma fase. Exemplos: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g); H₂O(l) ⇌ H₂O(g); Ni(s) + 4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g).

A concentração de um sólido ou líquido puro é fixa (a densidade não muda), então ela vale 1 e fica fora de K. Assim, para CaCO₃ ⇌ CaO + CO₂, Kp = p(CO₂). Mas o sólido precisa estar presente para o equilíbrio existir.

Experimente: no passo 4, mude a quantidade de CaCO₃. A leitura do CO₂ não se mexe.

Usos da constante de equilíbrio

1. Extensão da reação. K > 10³: quase só produtos (reação quase completa). K < 10⁻³: quase só reagentes (quase não acontece). K entre 10⁻³ e 10³: boas quantidades de ambos.

2. Sentido da reação. Escreva Q com as quantidades atuais (não as do equilíbrio). Q < K → vai para a direita. Q > K → vai para a esquerda. Q = K → está em equilíbrio.

3. Quantidades no equilíbrio. Use uma tabela ICE: Inicial, Mudança (Change) e Equilíbrio. Coloque os valores do equilíbrio em K e resolva para x.

K não diz nada sobre quão rápido o equilíbrio é alcançado. Isso é cinética.

K, Q e energia de Gibbs

A energia de Gibbs decide se uma mudança pode acontecer sozinha. Para uma mistura reacional:

ΔG = ΔG° + RT ln Q

No equilíbrio, ΔG = 0 e Q = K, então ΔG° = −RT ln K = −2.303 RT log K. Também ΔG = RT ln(Q/K).

Use aqui R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹ e T em kelvin. Experimente: no passo 5, o painel mostra o ΔG indo a 0 quando Q volta a K.

Dicas para a prova

A unidade de Equilíbrio costuma render uma boa parte das questões de Química em vestibulares e no Enem. Perguntas comuns: escrever as expressões de Kc e Kp, relação entre Kp e Kc, achar K com tabela ICE, prever o sentido usando Q, e cálculos com ΔG° = −RT ln K. Sempre escreva a unidade de K quando pedirem e diga a temperatura.

Fórmulas e definições principais

Exemplos resolvidos

1. Escreva Kc para 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g).

Produtos sobre reagentes, cada um elevado ao seu coeficiente: Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂]).

2. Para H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 50 a 700 K. Ache Kc para 2HI ⇌ H₂ + I₂ e para HI ⇌ ½H₂ + ½I₂.

Invertida: K = 1/50 = 0.02. Dividida por 2: K = √0.02 = 0.141.

3. 1.0 mol de N₂O₄ é colocado em um balão de 1 L. No equilíbrio há 0.52 mol de NO₂. Ache Kc para N₂O₄ ⇌ 2NO₂.

NO₂ formado = 0.52 mol, então N₂O₄ gasto = 0.26 mol. [N₂O₄] = 0.74 M, [NO₂] = 0.52 M. Kc = 0.52² / 0.74 = 0.2704/0.74 ≈ 0.37 mol/L.

4. Para N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g), Kc = 0.5 L² mol⁻² a 500 K. Ache Kp (R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹).

Δn = 2 − 4 = −2. RT = 0.0831 × 500 = 41.55. Kp = 0.5 × (41.55)⁻² = 0.5 / 1726.4 ≈ 2.9 × 10⁻⁴ bar⁻².

5. Para A ⇌ B, K = 4. Uma mistura tem [A] = 0.5 M e [B] = 1.0 M. Para onde ela vai?

Q = [B]/[A] = 1.0/0.5 = 2. Q (2) < K (4), então a reação vai para a direita, formando mais B.

6. Ache ΔG° a 300 K para uma reação com K = 10 (R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹).

ΔG° = −2.303RT log K = −2.303 × 8.314 × 300 × 1 = −5744 J/mol ≈ −5.74 kJ/mol. Negativo, então os produtos são favorecidos.

7. Para H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 64. Começamos com 1 mol de H₂ e 1 mol de I₂ em 1 L. Ache as quantidades no equilíbrio.

ICE: H₂ = 1 − x, I₂ = 1 − x, HI = 2x. Kc = (2x)² / (1 − x)² = 64. Raiz quadrada: 2x/(1 − x) = 8 → 2x = 8 − 8x → x = 0.8. Então H₂ = I₂ = 0.2 mol, HI = 1.6 mol.

8. ΔG° de uma reação a 298 K é +11.4 kJ/mol. Ache K.

log K = −ΔG°/(2.303RT) = −11400/(2.303 × 8.314 × 298) = −11400/5705.8 ≈ −2.0. K = 10⁻² = 0.01. Os reagentes são favorecidos.

Erros comuns

Quiz de prática

1. No equilíbrio dinâmico:
2. Para CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), Kp é igual a:
3. Para N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, Δn é:
4. Se Q > K, a reação:
5. Se ΔG° é negativo, K é:

Prática: responda você mesmo

Digite ou escolha sua resposta e aperte Conferir. Use a dica se travar; a solução completa aparece depois que você responder.

Perguntas frequentes

O que é equilíbrio químico em palavras simples?

É o estado de uma reação reversível em um recipiente fechado quando as velocidades direta e inversa são iguais, então as quantidades de reagentes e produtos ficam constantes.

Qual é a relação entre Kp e Kc?

Kp = Kc(RT)^Δn, onde Δn é a variação de mols gasosos (produtos menos reagentes).

Como ΔG° e K se relacionam?

ΔG° = −RT ln K = −2.303RT log K. Um ΔG° negativo significa K > 1.

Onde isso é ensinado

Canada (Ontario)Grade 12E. Chemical Systems and Equilibrium
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªChemistry
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªChemistry
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Design and experiments (part 1)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a XI-aChemical equilibrium
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класChemical reactions
CBSE (India)Class 11Equilibrium
England (GCSE, A level)Year 114.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 115.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
England (GCSE, A level)Year 133.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Equilibrium
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Chemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Chemical equilibrium
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Chemical equilibrium: reversible and dynamic
FranceTerminaleMatter and its changes
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.2 Rate and equilibrium

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