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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS FACULDADE DE QUÍMICA QUÍMICA GERAL EXPERIMENTAL EQUILÍBRIO QUÍMICA JANAINA CRISTINE NUNES JUCA LARISSA CRISTINE PEREIRA SOARES PEDRO HENRIQUE PINHEIRO OLIVEIRA Belém 2021 Janaina Cristine Nunes Juca Larissa Cristine Pereira Soares Pedro Henrique Pinheiro Oliveira EQUILÍBRIO QUÍMICA Relatório de Equilíbrio Químico apresentado à disciplina de Química Geral Experimental I da Universidade Federal do Pará – UFPA, como um dos requisitos para a obtenção de avaliação, ministrada pela Prof.ª Dr.ª Elizabeth Maria Soares Rodrigues. Belém 2021 RESUMO Equilíbrio químico é o estudo do comportamento e das características de reações reversíveis, ou seja, daquelas que apresentam velocidade igual para reações diretas e inversas. Portanto, neste relatório usando como base o roteiro e slides da aula, pode-se perceber a importância de tal conteúdo para o ensino da química. Assim tendo como base o que foi exposto, foram realizados experimentos para comprovar na prática o que foi dito por Le Chatelier, que um sistema em equilíbrio quando perturbado tende a ajustar-se de modo a remover a perturbação e restabelecer o equilíbrio. Nos experimentos feitos pode-se observar que todos comprovaram o princípio de Le Chatelier, pois todas as reações químicas após serem submetidas a algumas situações como concentração removeram essas perturbações e voltaram a restabelecer o equilíbrio químico. Palavras chaves: Reação Química; Equilíbrio Químico; Reversibilidade; Concentração. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .........................................................................................5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................6 3. OBJETIVOS .............................................................................................8 3.1 Objetivo geral .........................................................................................8 3.2 Objetivos específicos ............................................................................8 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ......................................................9 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................12 6. CONCLUSÃO ........................................................................................16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. INTRODUÇÃO Pode-se entender equilíbrio químico como um processo reversível, indicado pela dupla seta (⇌). Isso significa que em uma reação química reversível, à medida que os produtos são formados, parte deles reagem formando, novamente, os reagentes (SANTOS; MÓL, 2013). Porém essas reações ocorrem inicialmente com velocidades (K) diferentes, e depois de um determinado tempo essas velocidades se igualam, assim atingindo o estado de equilíbrio. É preciso notar que o equilíbrio químico é um estado dinâmico, ou seja, ao atingi-lo, as concentrações de reagente e produto permanecem constantes, não necessariamente iguais. A + B ⇌ C + D As concentrações de reagente e produto de uma reação química no equilíbrio podem ser determinadas através da constante de equilíbrio (Kc). Porém, é interessante modificar o estado de equilíbrio, promovendo, por exemplo, a formação de mais produtos. Em 1884, o químico industrial francês Henry Louis Le Chatelier (1850–1936) publicou o seguinte princípio: “Se um sistema em equilíbrio é perturbado por uma variação na temperatura, pressão ou concentração de um dos componentes, o sistema deslocará sua posição de equilíbrio de tal forma a neutralizar o efeito do distúrbio” (BROWN et al., 2005). Isso quer dizer que quando um sistema, onde a velocidade direta e inversa está igualada, é perturbado, a velocidade da reação vai se deslocar para um dos sentidos tentando minimizar o efeito dessa perturbação. Segundo Brown et al. (2005), a interferência no sistema pode ser dada através de uma alteração na temperatura, pressão ou concentração de alguma substância envolvida. Quando há uma alteração na concentração o equilíbrio vai deslocar-se para que um novo estado de balanço seja atingido. Na variação de pressão, ao diminuir o volume da reação a pressão desta vai aumentar, e o sistema vai deslocar para diminuir a pressão. Porém na mudança de temperatura é diferente, pois ela altera diretamente a constante de equilíbrio (Kc), então nesta situação a temperatura é tratada como um reagente químico. Quando a temperatura é alterada é como se estivéssemos adicionando um produto ou reagente no sistema, então o equilíbrio vai se deslocar para consumir o excesso. 5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Muitas reações não se completam, mas, em vez disso, aproximam-se de um estado de equilíbrio no qual tanto os reagentes quanto os produtos estão presentes. Assim, depois de certo período de tempo, essas reações parecem “parar”- as cores param de mudar, os gases param de desprender e assim por diante- antes que a reação se complete, levando a uma mistura de reagentes e produtos. (BROWN et al, 2005) A condição na qual as concentrações de todos os reagentes e produtos em um sistema fechado pararam de variar com o tempo é chamada de equilíbrio químico. O equilíbrio químico ocorre quando as reações opostas acontecem a velocidades iguais: a velocidade na qual os produtos são formados a partir dos reagentes é igual a velocidade na qual os reagentes são formados a partir dos produtos. Para que o equilíbrio ocorra, nem os produtos, nem os reagentes podem escapar do sistema (BROWN et al, 2005). Um exemplo de processo reversível é o que ocorre com a água líquida contida num frasco fechado. Nesse sistema, temos moléculas de água passando continuamente do estado líquido para o de vapor e do de vapor para o líquido (USBERCO et al, 2002). FIGURA 1: SISTEMA FECHADO DE MOLÉCULAS DE ÁGUA FONTE: USBERCO; SALVADOR (2002, p 397) Vd = velocidade de vaporização Vi = velocidade de condensação H2O(l) ⇆ H2O(v) Quando a velocidade de vaporização (vd) se iguala à de condensação (vi), dizemos que o sistema atingiu o equilíbrio. No gráfico 1, podemos representar esse e outros equilíbrios por: Gráfico 1: Equilíbrio da reação 6 FONTE: USBERCO; SALVADOR (2002, p 397) Uma consequência importante do fato de as duas velocidades serem iguais na situação de equilíbrio é que as quantidades dos participantes são constantes, porém não obrigatoriamente iguais (USBERCO et al, 2002). A constante de equilíbrio Kc a qual é definida como: 𝐾𝑐 = 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 Com cada concentração elevada a uma potência igual ao coeficiente estequiométrico das espécies na equação química (ATKINS et al, 2002). aA + bB ↔ cC + dD 𝐾𝑐 = [𝐶]𝑐[𝐷]𝑑 [𝐴]𝑎[𝐵]𝑏 É possível determinar as concentrações de reagentes e produtos de uma reação química no equilíbrio e estabelecer o valor de uma constante de equilíbrio para a reação. Por outro lado, pode ser interessante modificar o estado de equilíbrio da reação promovendo, por exemplo, a formação de mais produtos. Essa situação é particularmente importante na indústria química, que procura maximizar a produção de alguma substância. Isso pode ser feito levando-se em conta o princípio de Le Chatelier (BROIETTI et al, 2013). Henry Louis Le Chatelier (1850–1936) foi um químico e industrial francês que investigou a solubilidade de sais, as reações em fase gasosa e se envolveu com metalurgia e produção de cimento. Segundoo princípio de Le Chatelier, se um sistema (uma reação química) em equilíbrio é perturbado, por exemplo, por uma variação de pressão, de temperatura ou de quantidade de substâncias, ele vai se modificar no sentido de minimizar o efeito dessa 7 perturbação. O uso de catalisadores apenas acelera a velocidade das reações, eles não interferem no deslocamento do equilíbrio. 3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GERAL Verificar experimentalmente o deslocamento de equilíbrio químico usando a lei de Le Chatelier. 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ● Conceituar o estado de equilíbrio de uma reação química. ● Comprovar experimentalmente o "Princípio de Le Chatelier”. ● Saber caracterizar o estado de equilíbrio e identificar como os fatores influenciam no equilíbrio. 8 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO I 1. Coloque duas gotas de solução de tiocianato de potássio (KSCN) em um tubo de ensaio; 2. Acrescente duas gotas de solução de nitrato férrico (Fe(NO3)2); 3. Adicione água destilada até quase encher o tubo de ensaio; 4. Utilizando outro tubo de ensaio, homogenize a solução passando a mesma de um tubo para o outro por 3 a 4 vezes; 5. Divida a solução em quatro partes iguais em tubos de ensaio de mesmo diâmetro e numere estes tubos; 6. Reserve o tubo nº 1 que será usado como referência (para comparar a intensidade da coloração); 7. Adicione 3 gotas de solução de tiocianato de potássio ao tubo nº 2 e observe a coloração. Compare com o tubo padrão (nº. 1); 8. Adicione 3 gotas de solução de nitrato férrico ao tubo nº 3 e observe a coloração. Compare com o tubo padrão; 9. Adicione 6 gotas de solução de nitrato de potássio (KNO3) ao tubo nº 4. Observe a coloração e compare com o tubo padrão; 10. Procure explicar o que você observou usando a equação química representativa do experimento e o princípio de Le Chatelier. EXPERIMENTO II 1. Coloque 1 mL de solução de cloreto de magnésio (MgCl2) 0,1M em um tubo de ensaio; 2. Ao mesmo tubo de ensaio adicione 1 mL de solução de hidróxido de sódio (NaOH) 0,2 M, aguarde um pouco e observe o que se forma; 3. Com uma espátula adicione um pouco de cloreto de amônio (NH4Cl) sólido ao tubo de ensaio. Observe o que ocorre; 4. Procure explicar o que você observou usando a equação química representativa do experimento e o princípio de Le Chatelier. 9 EXPERIMENTO III 1. Colocar 2mL de solução concentrada de CaCl2 em tubo de ensaio; 2. Adicionar 2mL de H2SO4 concentrado; 3. Filtrar o produto da reação; 4. Separar em 2 tubos de ensaio diferentes o filtrado e o sobrenadante; 5. Adicionar ao filtrado cerca de 5 gotas de solução concentrada de Ca(NO3)2; 6. Adicionar em seguida 4 mL de solução concentrada de NaCl; EXPERIMENTO IV 1. Coloque 10 gotas de cromato de potássio (K2CrO4) 0,1 M em um tubo de ensaio limpo. Acrescente 2 gotas de hidróxido de sódio 1 M. Acrescente, gota a gota, nitrato de bário (Ba(NO3)2) 0,1 M até perceber alguma alteração. Anote o resultado. Guarde este tubo de ensaio para a etapa 3; 2. Em outro tubo de ensaio limpo, adicione 10 gotas de dicromato de potássio (K2Cr2O7) 0,1 M. Acrescente 2 gotas de ácido clorídrico 1 M e, depois, 10 gotas de nitrato de bário 0,1 M. Observe o que ocorreu e anote o resultado. Guarde este tubo de ensaio para a etapa 4; 3. Anote suas observações a respeito das solubilidades relativas do cromato de bário (BaCrO4) e do dicromato de bário (BaCr2O7) de acordo com suas observações nas etapas (1) e (2); 4. Ao tubo de ensaio da etapa (1), acrescente, gota a gota, HCl 1 M até notar alguma alteração. Anote suas observações; 5. Ao tubo de ensaio da etapa (2) acrescente, gota a gota, NaOH 1 M até notar alguma modificação. Anote suas observações; 6. Sugira uma maneira de inverter as alterações observadas nas etapas (3) e (4). Discuta com seu professor e tente fazê-la; 7. Coloque 10 gotas de K2Cr2O7 0,1 M em um tubo de ensaio e a mesma quantidade de K2CrO4 0,1 M em outro tubo de ensaio. Acrescente algumas gotas de Ba(NO3)2 0,1 M a cada um dos tubos de ensaio. Observe os resultados e anote-os. 10 Baseando-se em suas observações responda: 1. O que você pode concluir a respeito da reação 2 CrO42-(aq) → Cr2O7 2-(aq) e da influência que os íons H +(aq) exercem sobre ela? Balancear essa equação, adicionando-lhe, no lado adequado, o número correto de íons H+(aq) e de moléculas H2O. 2. O que você pode concluir a respeito da reação inversa Cr2O7 2-(aq) → 2 CrO42-(aq) e da influência que os íons hidróxido, OH-(aq) exercem sobre ela? Balancear essa equação acrescentando, no lado adequado, o número correto de íons OH-(aq) e de moléculas H2O. 3. A partir do que observou na etapa (6), o que você pode concluir a respeito das concentrações relativas de equilíbrio do íon CrO4 2- (aq) nas soluções 0,1 M de K2Cr2O7 e de K2CrO4 ? 4. Use as equações balanceadas obtidas nas perguntas 1 e 2 para explicar os resultados obtidos nas etapas ( 3 ), (4), e (5). 5. Recorrendo ao princípio de Le Chatelier, resuma os resultados obtidos a respeito do equilíbrio dos íons cromato e dicromato. 11 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Experimento I Inicialmente foram adicionadas duas gotas da solução de Tiocianato de Potássio (KSCN), em um tubo de ensaio (tubo 1), seguidamente de duas gotas da solução de Nitrato Férrico (Fe(NO3)3, e água destilada no mesmo tubo. A mistura apresentou uma tonalidade alaranjada. Logo, foi dividida igualmente entre quatro tubos de ensaios que foram numerados partindo do tubo referência (tubo 1). No tubo 2, foi adicionado 3 gotas de Tiocianato de Potássio (KSCN), e percebeu-se que a coloração da solução mudou, do alaranjado para uma coloração vermelha escura. Essa coloração ocorreu devido ao Tiocianato Férrico (Fe(SNC)2, formado da reação entre o Tiocianato de Potássio (KSCN) e Nitrato Férrico Fe(NO3)3. Pois houve um deslocamento do equilíbrio para a formação do produto. Ou seja, em um sistema em equilíbrio, aumentando a concentração dos reagentes, no caso o Tiocianato de Potássio (KSCN), o equilíbrio foi deslocado em função dos produtos. No tubo 3 foram adicionadas três gotas de Nitrato Férrico (Fe(NO3)3, na solução, e percebeu-se a ocorrência da mudança na coloração da solução, que ficou com um vermelho mais intenso se comparada ao tubo 2. Fato que está interligado com o que ocorreu no tubo 2, um aumento dos reagentes deslocou o equilíbrio em função dos produtos. 3KSCN(aq) + Fe(NO3)3(aq) ⇌ Fe(SCN)3(aq) + 3KNO3(aq) Ao serem adicionadas 6 gotas de Nitrato de Potássio (KNO3) no tubo de ensaio 4, cuja a coloração era laranja, a solução adquiriu um tom amarelado mais claro. Nesse caso, ao serem acrescentadas as gotas de um dos componentes dos produtos, o equilíbrio deslocou-se em função dos reagentes. Fe(NO3)3 + 3KSC ⇌ KNO3 + Fe(SCN)3 Foi percebido que ao serem adicionadas determinadas quantidades de componentes que já faziam parte das equações químicas, portanto, da reação. O equilíbrio que havia ali foi perturbado. Como o sistema tende a voltar ao equilíbrio, sendo assim, as mudanças de coloração foram tão perceptíveis. 12 Experimento II Foi adicionado 1mL da solução de Cloreto de Magnésio (MgCl2) 0,1M em um tubo de ensaio, ao mesmo tubo foi adicionado 1mL da solução de Hidróxido de Sódio (NaOH) 0,2M. O produto dessa reação foi o Hidróxido de Magnésio (Mg(OH)2) e o Cloreto de Sódio (NaCl), com a presença de um precipitado esbranquiçado de aspecto leitoso, devido ao Hidróxido de Magnésio que fica suspenso em solução aquosa. MgCl2(aq) + 2 NaOH(aq) → Mg(OH)2(s) + 2 NaCl(aq) Posteriormente, ao tubo de ensaio, foi adicionado com uma espátulasais de Cloreto de Amônio (NH4Cl). No momento da adição dos sais de amônio, houve uma espécie de limpeza da solução esbranquiçada para a límpida. Isso ocorreu porque o precipitado (Mg(OH)2 dissolveu-se na presença de sais de amônio. No caso, a adição de sais de amônio resulta num aumento da concentração de íons NH4 + que ocasiona um deslocamento do equilíbrio da dissociação da amônia no sentido da formação de amônia não dissociada. NH3 + H 2O ⇌ NH4 + OH- Esse deslocamento de equilíbrio implica numa diminuição da concentração de OH-. Quando a concentração de OH- for reduzida a um valor tal que o produto de solubilidade do Mg(OH)2 não for atingido deve haver dissolução completa do precipitado. Se houver a adição de por exemplo um ácido como o Àcido clorídrico (HCl) o precipitado irá dissociar-se. Experimento III A princípio foi feita a mistura da solução de CaCl2 e de ácido sulfúrico H2SO4 concentrado. Houve uma reação na qual deu-se a formação do produto sulfato de cálcio CaSO4 como precipitado e de HCl que permaneceu em solução. O precipitado foi separado pelo método da filtração simples. E a solução de HCl que restou no tubo de ensaio, foi misturada a solução de nitrato de cálcio Ca(NO3)2 formando como produtos, o cloreto de cálcio e o ácido nítrico. A esses produtos, foi adicionado cloreto de sódio concentrado (NaCl) e de acordo com a equação química das reações, houve uma formação dos produtos HCl, e NaNO3. Percebe-se que os produtos permaneceram em equilíbrio com os reagentes. Seguindo assim, o princípio de Le Chantelier. A seguir as reações: 13 CaCl2 + H2SO4 ⇌ 2HCl + CaSO4 (Filtrar) 2HCl + Ca(NO3)2 ⇌ CaCl2 + 2HNO3 CaCl2 + 2HNO3 + 2NaCl ⇌ 2HCl + 2NaNO3 + CaCl2 Após a mistura do HCl, NaNO3 e CaCl2, a solução permanece límpida, então inferiu-se que todos os componentes estão na solução como íons e em equilíbrio. Experimento IV Em solução aquosa, o íon cromato (amarelo) (CrO4 2–) e o íon dicromato (laranja) (Cr2O7 2–) estão em equilíbrio químico. Este equilíbrio é deslocado para o dicromato com o aumento da concentração hidrogeniônica (tornando a solução ácida) de acordo com o princípio de Le Châtelier. 2 CrO42–(aq) + 2 H3O+(aq) → Cr2O72–(aq) + 3 H2O No quarto experimento vemos a diferença que íons provocam nas reações químicas, como no caso do equilíbrio cromato – dicromato. Foram adicionadas em um tubo de ensaio a solução de Cromato de Potássio (K2CrO4) 0,1M, que apresenta uma coloração amarela, em seguida foram colocadas 10 gotas da solução de Hidróxido de Sódio (NaOH) 1M. a solução continuou com a mesma coloração. Pois, o cromato é uma espécie estável em meio básico. Foi adicionado 10 gotas de HCl, e não houve mudanças na coloração. Devido ao HCl não ser o suficiente para a reação acontecer. Foram adicionadas, gota a gota da solução de Ácido Clorídrico (HCl) 1M, e vimos a ocorrência da mudança da colocação, do amarelo para um tom laranja. Isso ocorre pois segundo o princípio de Le chântelier, após a adição da substância ácida que possui íons H+ que deslocam o sentido da reação para formação do íon dicromato (Cr2O7 2-). A seguir a reações de equilíbrio: K2Cr2O7 + 2 NaOH ⇌ Na2CrO4 + 2 KOH 14 https://pt.wikipedia.org/wiki/Solu%C3%A7%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/wiki/Equil%C3%ADbrio_qu%C3%ADmico https://pt.wikipedia.org/wiki/Princ%C3%ADpio_de_Le_Ch%C3%A2telier https://pt.wikipedia.org/wiki/Princ%C3%ADpio_de_Le_Ch%C3%A2telier Na2CrO4 + 2 KOH + 2 HCl ⇌ Na2CrO4 + KCl Respostas: 1) O equilíbrio entre os íons é afetado com o acréscimo de H+. Logo, devido ao meio ácido, o equilíbrio tende a deslocar-se para a direita da reação, prevalecendo uma coloração alaranjada. 2 CrO4 2– (aq) + 2 H + (aq) → Cr2O72–(aq) + H2O(l) 2) A reação inversa entre os íons cromato e dicromato é influenciada pelos íons OH- do hidróxido de sódio, ocorrendo uma reação de neutralização com os H+ presentes em solução. Logo, a adição da base diminui a concentração do participante H+. NaOH(aq) → Na+ + OH- 2 CrO4 2– (aq) + 2 H + (aq) → Cr2O72–(aq) + H2O(l) H+(aq) + OH - (aq) → H2O(l) Neste caso, teremos o deslocamento para a esquerda do equilíbrio iônico. Já que os íons H+ são consumidos pelos íons OH-, ocorrendo a prevalência da coloração amarela. 2 CrO4 2– (aq) + 2 H + (aq) → Cr2O72–(aq) + H2O(l) 15 6. CONCLUSÃO Foi possível comprovar através das mudanças ocorridas nos experimentos o princípio de le chatelier, no experimento 1 foi possível observar com a mudança de coloração o deslocamento do equilíbrio com a adição de tiocianato de potássio se deslocando no sentido dos produtos no tubo 1, no tubo 2, foi adicionado tiocianato férrico e houve mudança na coloração e o equilíbrio foi deslocado no sentido dos produtos, no tubo 3, foi adicionado nitrato férrico e foi possível observar mudança na coloração e a mudança no equilíbrio para o lado dos produtos, no experimento 2 adicionando novamente mais reagente ocorreu o aparecimento de turbidez e precipitação do hidróxido de magnésio, depois foi adicionado cloreto de amônio e ocorreu o desaparecimento da turbidez, evidenciando o deslocamento do equilíbrio no sentido dos produtos, no experimento 3, houve precipitado de sulfato de cálcio, após a retirada deste precipitado a solução restante foi misturada com nitrato de cálcio e os produtos ficaram em equilíbrio com os reagentes, no experimento 4 houve a formação de precipitado de cromato de bário no tubo 1, ao adicionar o nitrato de bário em um tubo contendo dicromato de potássio e ácido clorídrico também ocorreu a formação de precipitado no tubo 2, no tubo de ensaio 1 foi adicionado ácido clorídrico e houve mudança de coloração constatando a deslocação do equilíbrio, no tubo de ensaio 2 foi adicionado hidróxido de sódio onde houve alteração na coloração e a mudança do equilíbrio. Com a realização do experimento, podemos verificar se uma reação se processa de forma espontânea ou não e também estudar a influência da concentração no equilíbrio. Além disso, constatou-se na prática, o que se encontrou na literatura. REFERÊNCIAS SANTOS, Wildson; MÓL, Gerson (Coords.). PEQUIS - Química cidadã: volume 2. 2. ed. São Paulo: Ajs Ltda, 2013. BROWN, L.; LEMAY, E; BURSTEN, E. Química, a ciência central. 9. ed. São Paulo: Pearson, 2005. BROIETTI, Fabiele; PASSOS, Marinez; FILHO, Ourides; SOUZA, J. ALGUNS SIGNIFICADOS DA EXPRESSÃO “DESLOCAR O EQUILÍBRIO” PARA FORMANDOS DO CURSO DE LICENCIATURA EM QUÍMICA. Ensaio: Pesquisa em 16 Educação em Ciências, Belo Horizonte, v. 15,, 2013. Disponível em:<https://www.scielo.br/j/epec/a/85K5pDWXDfjwdqg68SnmT4n/?format=pdf&lang=pt> . Acesso em: 19 agosto 2021. USBERCO, J; SALVADOR, E. Química. 5 ed. São Paulo, 2002. 17
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