Relatorio equilibrio quimico

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Universidade Federal de São Paulo
Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas
Experimento 7: Equilíbrio Químico
Diadema
2022
1. Objetivos
1.1. Objetivos gerais
Através do estudo do princípio de "Le Chatelier" verificar a forma como um
sistema em equilíbrio é “perturbado” com a ação de um agente externo.
1.2. Objetivos específicos
Como a adição de mais reagentes no sistema de tiocianato de amônio e
cloreto de ferro III alteram a sua coloração pelo excesso de um dos reagentes, ou
com a adição do produto formado pela reação, o cloreto de amônio. Como o cloreto
de prata reage ao ser adicionado ao sistema o hidróxido de amônio. Observar as
mudanças ao adicionar etanol absoluto e água na solução de cloreto de cobalto e
entender como isso ocorre, visualizar as mudanças de coloração da solução em
temperaturas mais baixas e mais altas. Por fim, observar a reação do cobre metálico
com o ácido nítrico e a coloração adquirida pelo gás formado na reação em
diferentes temperaturas.
2. Introdução
Um antigo conceito utilizado na Ciência e principalmente no ramo da Química
é a definição de soluções químicas: que são caracterizadas como misturas
homogêneas de duas ou mais substâncias, independentes de seus estados físicos,
em quantidades relativas que podem variar até atingir o seu limite de solubilidade.
(1) Esse limite é definido pela concentração máxima de átomos de soluto que se
pode dissolver no solvente para formar uma solução sólida. (2) A Figura 1
representa um exemplo de gráfico de limite de solução.
1
Figura 1: gráfico de limite de solução do xarope
Ainda compreendendo o termo “soluções químicas”, o conceito de
concentração também deve ser dominado de maneira intrínseca. A concentração de
uma solução é caracterizada como a medida da quantidade de soluto que está
contida em uma certa quantidade de solvente. A unidade de medida mais utilizada
para concentração é a molaridade (mol/L) , que calcula o número de mols em um
litro de solução (3). Visto isso, é possível definir a molaridade utilizando a fórmula:
Ademais, quando falamos de soluções também é necessário se compreender
as formas de separação de cada espécie na mistura. A forma mais básica de
separação é a decantação, que é o método utilizado para separar sólidos e líquidos,
no caso onde o sólido formado é mais denso que o líquido e é possível retirá-lo - se
obtendo apenas o sólido formado no recipiente. (4) A Figura 2 representa um
esquema de decantação.
2
Figura 2: Decantação
Assim, dentro do universo de reações químicas, de forma cinética ou
dinâmica existe uma condição que é chamada de equilíbrio químico na qual a
reação química está ocorrendo em quantidades iguais de direção direta e reversa,
onde as concentrações dos reagentes e dos produtos não mudam com o tempo. E
de forma termodinâmica, é a condição na qual não há tendência de mudança na
composição do sistema. (5)
No entanto, a atividade em nível molecular é grande pois as moléculas de
reagente continuam a dar origem a moléculas de produto e vice-versa. No início de
uma reação espontânea, a reação se dá no sentido da formação de produtos - esse
sentido é chamado de sentido direto. Em certo tempo se inicia o processo inverso,
onde as moléculas dos produtos se reorganizam para formar as espécies dos
reagentes - e esse sentido é chamado de sentido inverso. O equilíbrio químico
também é compreendido como o momento onde as velocidades do sentido direto e
do sentido inverso se igualam. (6)
Um exemplo de equilíbrio químico é reação reversível que envolve o dióxido
de nitrogênio (NO2) e o tetróxido de dinitrogênio (N2O4), que pode ser visivelmente
observado pois o dióxido de nitrogênio é um gás castanho escuro, já o tetróxido de
dinitrogênio é um gás incolor. Como pode ser observado pela reação:
Observando a reação, é notável a presença da meia-seta dupla para
representar reações reversíveis, que é um lembrete visual de que estas reações
podem proceder na direção direta para gerar produtos, ou na direção inversa para
gerar reagentes. (7) Além disso, os equilíbrios químicos podem ser representados
por gráficos de concentração por tempo - ainda analisando a reação do dióxido de
nitrogênio e o tetróxido de dinitrogênio, o gráfico abaixo mostra a reação atingindo o
equilíbrio.
3
Gráfico 1: Equilíbrio do NO2 com N2O4.
Ademais, notando-se a concentração de todas as diferentes espécies de
reação no estado de equilíbrio, podemos definir uma grandeza chamada de
constante de equilíbrio, que normalmente é escrita como Kc ou Keq. A constante de
equilíbrio descreve as concentrações molares, em mol/L, no equilíbrio a certa
temperatura específica - o Keq tem como função determinar se a reação já está em
equilíbrio e se a reação tende a ter uma maior concentração de produtos ou de
reagentes no equilíbrio. (7)
Além disso, é imprescindível possuir conhecimento do cálculo da constante
de equilíbrio. Considerando uma reação reversível genérica:
Conhecendo todas as concentrações molares, utilizamos a fórmula abaixo
para calcular a constante de equilíbrio. Na qual [C] e [D] são concentrações do
produto no equilíbrio; e [A] e [B] são as concentrações dos reagentes no equilíbrio, e
a, b, c e d são os coeficientes estequiométricos na equação balanceada. Ademais,
sólidos e líquidos puros não são incluídos na expressão de equilíbrio.(7) De acordo
com a “Lei da Ação das Massas”, a velocidade da reação é proporcional às
concentrações em mol L dos reagentes elevadas aos seus coeficientes
estequiométricos. (10)
Assim, podemos analisar os valores de Kc. Quando a constante de equilíbrio
é grande e igual 1000 ou mais, se tem majoritariamente produtos na reação.
4
Quando é um valor pequeno, aproximadamente igual a 0,001 ou menos, se tem
majoritariamente reagentes na reação. Já se o valor de Kc é entre 0,001 e 1000, se
pode concluir que existe quantidade significativa de ambos produtos e reagentes na
reação. (7)
Ao se compreender o conceito de equilíbrio químico, é igualmente importante
entender as formas de perturbação do equilíbrio e os agentes externos
responsáveis pelo mesmo. De acordo com o químico francês Henry Lois Le
Chatelier, responsável por desenvolver o Princípio de Le Chatelier, quando um
sistema que se encontra em equilíbrio dinâmico é perturbado por agentes externos,
este se desloca no sentido de minimizar o efeito dessa perturbação. (8)
Diante disso, os principais fatores que perturbam o equilíbrio são variação da
concentração de uma ou mais espécies, da pressão, do volume e da temperatura. A
temperatura sendo a única perturbação que pode alterar o valor da constante de
equilíbrio. (9) Utilizando a mesma equação genérica de um equilíbrio químico:
Pelo Princípio de Chatelier, é possível compreender de forma qualitativa
como o equilíbrio é deslocado com a variação de concentração; com outras
palavras, adicionando ou retirando um reagente ou produto. Se a concentração de A
for reduzida, para Keq permanecer constante, as concentrações dos produtos [C] e
[D] deverão diminuir para que o equilíbrio seja deslocado para o sentido dos
reagentes. O novo equilíbrio procura compensar a redução da concentração do
reagente A, esse é um dos casos que é possível compreender a tese de Chatelier.
(10)
Observando o exemplo: N2(g) + 3H2(g) ←-> 2NH3(g). Quando adicionamos H2
quando o sistema já havia atingido o equilíbrio, como forma de neutralizar a
perturbação, ocorre um consumo do gás hidrogênio e a formação de amônia até
que um novo equilíbrio seja atingido. A perturbação pode ser visto no gráfico x: (10)
5
Gráfico X: gráfico do efeito da adição do H2
Da mesma maneira, se a amônia for retirada, o sistema terá um
deslocamento no sentido dos produtos (sentido direto) como forma de compensar a
espécie retirada do equilíbrio. (10)
Outra forma de perturbação do equilíbrio é a alteração da temperatura. De
forma qualitativa, para reações endotérmicas, o calor favorece o sentido direto e a
maior formaçãode produtos. Já em reações exotérmicas, o calor favorece o sentido
inverso e a maior formação de reagentes - ocorre de forma inversa para o
resfriamento. (9)
Além disso, a temperatura é a única perturbação que consegue alterar o valor
da constante de equilíbrio. Como na reação abaixo:
O aumento da temperatura para essa reação favorece o sentido inverso pois é uma
reação exotérmica. O gráfico abaixo mostra os valores das constantes de equilíbrio
em duas diferentes temperaturas. (9)
Constante de Equilíbrio Temperatura (K)
1.300 273
170 298
6
E como última forma de perturbar o equilíbrio, há a alteração da pressão e do
volume, esses valores sendo proporcionalmente inversos. O aumento na pressão
de um sistema gasoso em equilíbrio (para uma temperatura constante) equivale a
uma diminuição no volume total da mistura de gases. Desse modo, o equilíbrio será
deslocado para o lado da reação que tiver menor quantidade molar total de
reagente(s) ou produto(s) gasoso(s). (9)
3. Materiais e métodos
3.1. Materiais
● Béquer 250 mL
● Bastão de vidro
● Tubo de ensaio
● Pipeta de Pasteur
● Balão volumétrico de 10 mL
● Espátula
● Banho de água quente
● Banho de gelo
● Solução de Cloreto de Ferro III
● Tiocianato de Amônio
● Cloreto de Amônio
● Solução de Nitrato de Prata
● Solução de Cloreto de Sódio
● Solução de Hidróxido de Amônio
● Cloreto de Cobalto
● Ácido Nítrico concentrado
● Etanol absoluto
● Água destilada
● Fio de Cobre (~1 cm)
3.2. Métodos
3.2.1. Parte A
Para o preparo da solução mãe, em um béquer adicionou-se 40
mL de água destilada, 5 mL da solução de Cloreto de Ferro III
7
e 5mL da solução de Tiocianato de Amônio, agitou-se e
observou-se a reação e alteração de cor. Em 4 tubos de ensaio
adicionou-se 10 mL da solução mãe.
O primeiro tubo foi utilizado como padrão. O segundo tubo de
ensaio adicionou-se 2 mL da solução de Cloreto de Ferro III e
agitou-se. No terceiro tubo de ensaio adicionou-se uma ponta
de espátula de Tiocianato de Amônio, agitou-se. Para o quarto
tubo de ensaio foi adicionada uma ponta de espátula de Cloreto
de Amônio e foi agitado.
Os tubos foram comparados entre si e observou-se a alteração
de cor em relação à solução mãe.
3.2.2. Parte B
Adicionou-se 1mL da solução de Nitrato de Prata e 1 mL da
Solução de Cloreto de Sódio em um tubo de ensaio.
Aguardou-se a decantação e retirou-se o líquido sobrenadante.
Após a retirada do sobrenadante, adicionou-se ao sólido
restante solução de Hidróxido de Amônio e observou-se.
3.2.3. Parte C
Em um tubo de ensaio foram adicionados 50 mg de Cloreto de
Cobalto e 3mL de Etanol absoluto, agitou-se até a total
dissolução. Em seguida foram adicionadas 6 gotas de água
destilada e observou-se alteração de cor. Após isso,
submeteu-se o tubo de ensaio a aquecimento no banho de
água quente e observou-se alteração de cor. Por fim, o tubo de
ensaio foi transferido para um banho de gelo e observou-se
novamente a mudança de coloração.
3.2.4. Parte D
Em um balão volumétrico de 100 mL adicionou-se cerca de 1
cm de fio de cobre. Adicionou-se, na capela, 1,5 mL de Ácido
Nítrico concentrado e tampou-se o balão imediatamente e
observou-se. Após alguns minutos, levou-se o balão para o
8
banho de gelo e observou-se. Em seguida, o balão foi levado
para banho de água quente a 50ºC e observaram-se as
alterações.
4. Resultados e discussão
em todos precisa:
Coloração adquirida nas diferentes perturbações nas reações
Reações químicas envolvidas
Fotos
Tabelas (???)
*não esquecer que ao representar as equações químicas colocar os estados físicos
e o balanceamento da forma correta*
*podem deixar como “imagem X” “tabela X” depois na hora de formatar eu arrumo a
ordem certinha*
4.1. Parte A mari
A adição de tiocianato de amônio à solução de cloreto de ferro III forma
tiocianato de ferro (III) e cloreto de amônio, os quais foram representados na
equação química abaixo:
FeCl3(aq) + 3NH4SCN(aq) ⇌ Fe(SCN)3(aq) + 3NH4Cl(aq)
O cloreto de ferro III tem coloração amarelada e o tiocianato de amônio é incolor,
na junção dos dois reagentes foi possível observar uma solução de coloração
vermelho sangue devido à formação do tiocianato de ferro III que tem como
propriedade tal coloração, podendo ser visualizada na imagem X abaixo:
9
Imagem x: Solução contendo 5 ml de cloreto de ferro III e 5 ml de tiocianato de amônio
No segundo tubo de ensaio, adicionou-se cerca de 2 ml de cloreto de ferro III
na solução e foi possível se comparar a coloração com o tubo I que havia sido
determinado como o padrão de comparação de coloração, no tubo II pode-se
observar a intensificação do vermelho da amostra, chegando a ser um vermelho
âmbar. Essa mudança se deve ao deslocamento do equilíbrio em direção aos
produtos por ter excesso de reagente, e a coloração avermelhada é proveniente do
tiocianato de ferro III formado, e com a formação de mais desse produto a cor da
solução é intensificada. O cloreto de amônio não interfere na coloração por ser
incolor. É possível visualizar na imagem X abaixo:
Imagem X: Comparação da coloração do tubo de ensaio com excesso de cloreto de ferro III com o da
solução original
10
No terceiro tubo de ensaio foi adicionado na solução original cerca de 2 mL
de tiocianato de amônio, assim como o tubo II, adicionou-se o reagente da reação, e
por esse motivo o equilíbrio foi deslocado para os produtos, isso é, houve a
formação de mais produtos, e como o resultado da reação é o tiocianato de ferro III,
que possui coloração avermelhada, a cor da solução se intensificou no vermelho
sangue. Podem-se observar as mudanças na foto X, em que esta comparada a cor
do tubo I (padrão) com o tubo III:
Imagem X: Comparação da coloração do tubo de ensaio com excesso de tiocianato de amônio com o
da solução original
No quarto tubo de ensaio, adicionou-se cloreto de amônio que, nesse caso, é
o produto da reação e ao contrário dos experimentos anteriores fez com que o
equilíbrio tenha deslocado para os reagentes, e isso pode ser observado pela
mudança de coloração da solução em que o vermelho proveniente do tiocianato de
ferro III não estava tão intenso quanto antes, já que os reagentes tem coloração
amarelada (cloreto de ferro III) e incolor (tiocianato de amônio). Na Imagem X
pode-se visualizar tal mudança.
11
Imagem X: Comparação da coloração do tubo de ensaio com excesso de cloreto de amônio com o
da solução original
A Imagem X apresenta a comparação entre os quatro tubos de ensaio com
os diferentes ensaios.
Imagem X: Comparação da coloração dos quatro tubos de ensaio com as diferentes perturbações no
equilíbrio.
4.2. Parte B mika
Ao adicionarmos cuidadosamente 1 mL de solução de nitrato de prata
(AgNO3) e 1 mL de solução de cloreto de sódio (NaCl), ocorre a formação de
cloreto de prata (AgCl) e nitrato de sódio (NaNO3). Como pode ser observado com
a equação abaixo:
12
OI MAGUI NÃO É UMA SETA DE EQUILÍBRIO PQ N ACONTECE ESSA REAÇÃO
INVERSA, MAS TO TIRANDO DA MINHA CABEÇA ISSO, ME AJUDA QNDO CE
TIVER LENDO ISSO! TE AMO!
Ao deixar a solução esbranquiçada decantando por alguns minutos, foi
possível observar a formação do precipitado de cor branca devido a composição do
cloreto de prata no fundo do tubo de ensaio, junto com a solução aquosa levemente
esbranquiçada do nitrato de sódio. Podendo ser observado na Imagem X abaixo:
Imagem X: formação do cloreto de prata e do nitrato de sódio
Após a formação do precipitado, foi retirada a solução aquosa com a
ajuda de uma pipeta de pasteur. Logo, foi adicionado ao sólido uma solução de
hidróxido de amônio (NH4OH) até que o cloreto de prata estivesse completamente
dissolvido, dando origem a uma solução inteiramente incolor. De forma a ser
observada na Imagem X:
13
Imagem X: cloreto de prata dissolvido na solução de hidróxido de amônio.
A equação que explica a reação química descrita acima é:
MAGUI NÃO SEI SE A REAÇÃO DESSA BOMBA AQUI TA CERTA, ELA
ACONTECE MESMO? eu fui conferir no google mas nachei sepa eu procurei igual
uma porta, mas confere ai se ta errado :(
AgCl(s) + NH4OH(aq) ←→ AgOH(aq) + NH4Cl(s)
AgCl + 2NH4OH –> Ag(NH3)2Cl + 2H2O
https://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/qualitativechem.
html link com a reação que mandei foto no whatsapp, descreve tudo certinho
4.3. Parte C
Inicialmente, ao dissolver o Cloreto de Cobalto em Etanol absoluto foi
observada a presença da coloração violeta/azulada (Imagem x).
14
https://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/qualitativechem.html
https://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/qualitativechem.html
Imagem x: Dissolução de Cloreto de Cobalto em Etanol absoluto.
Ao adicionar água destilada, a coloração se alterou para rosa claro
como na Imagem x abaixo:
Imagem x: Demonstração da alteração de cor do meio reacional com a
formação de Cloreto de Cobalto Hexahidratado.
A mudança de coloração ocorre pois há a formação do Cloreto de
Cobalto Hexahidratado (Reação X).
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Reação x: Reação de Equilíbrio de formação do Cloreto de Cobalto
Hexahidratado.
Após isso, ao colocar o tubo de ensaio em banho de água quente foi
observada mudança de cor gradativa, indo do rosa ao azul novamente,
porém com um pouco mais de intensidade de cor. Isso ocorreu por
conta do deslocamento do equilíbrio químico, que se deslocou para o
sentido do reagente Cloreto de Cobalto de acordo com o Princípio de
Le Chatelier. A reação neste sentido é considerada endotérmica, ou
seja, absorve calor.
Imagem x: Meio reacional após banho de água quente - coloração
azul/violeta.
Reação x: Reação respeitando o Princípio de Le Chatelier, com equilíbrio
deslocado para a esquerda, no sentido dos reagentes.
E por fim, o tubo de ensaio foi resfriado em banho de gelo e pode
observar novamente a ocorrência do Princípio de Le Chatelier, pois
houve alteração de cor para a coloração rosa, indicando que houve
maior formação, neste caso, do produto - Cloreto de Cobalto
Hexahidratado.
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Imagem x: Meio reacional após banho de gelo - coloração rosa.
Reação x: Reação respeitando o Princípio de Le Chatelier, com equilíbrio
deslocado para a direita, no sentido da formação dos produtos.
.
É importante destacar que deve-se utilizar Etanol Absoluto pois
apresenta um enorme grau de pureza (ausência de água), fator
importante para esta reação pois a presença de água poderia formar
outro complexo que não fosse o de interesse - Cloreto de Cobalto
Hexahidratado.
Uma aplicação dessa reação acima no cotidiano é a utilização do
“Galinho do Tempo” (13), pois o objeto varia de cor de acordo com a
temperatura e a umidade do ambiente. Varia da mesma forma que a
reação - em períodos quentes apresenta coloração azulada e em
períodos frios coloração rosa. Era comumente encontrado nas casas
da população, porém ao passar dos anos se tornou extinto.
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Imagem x: “Galinho do Tempo”.
Fonte: O saber atualizado. Galinho de tempo.
4.4. Parte D mari
A adição de ácido nítrico em um recipiente contendo cobre metálico, resulta
na formação de nitrato de cobre (solução de coloração azul proveniente do cobre),
monóxido de nitrogênio e água, como pode ser observado na reação abaixo:
3 Cu(s) + 8 HNO3(aq) → 3 Cu(NO3)2(aq) + 2 NO(g) + 4 H2O(l)
O oxigênio presente no recipiente reage com o monóxido de nitrogênio
formando dióxido de nitrogênio (gás amarelo amarronzado), exemplificado na
reação abaixo (11):
2 NO(g) + O2(g) → 2 NO2(g)
O excesso de oxigênio do balão volumétrico faz com que haja uma
dimerização do NO2, formando assim o N2O4 (gás incolor)(12), e esse equilíbrio
químico, representado na reação química abaixo, é o aprofundado do experimento
“d”.
NO2(g) ↔ N2O4(g)
A coloração da solução após a adição do ácido nítrico é azul esverdeado
devido à cor do líquido contendo o cobre e o gás amarelado do óxido nítrico. Na
Imagem X pode ser observado como ficou o recipiente logo após a reação.
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Colocou-se o balão no banho de gelo e no banho térmico a fim de observar o
comportamento da mistura de dióxido de nitrogênio e de tetróxido de dinitrogtênio e
como pode ser notado nas Imagens X e Y, a cor do gás se intensifica ao aumentar a
temperatura e, é sabido que o reagente (NO2) possui como propriedade a coloração
marrom, e assim podemos identificar a reação de obtenção do N2O4 como um
processo exotérmico, já que, pelo princípio de Le Chatelier o fornecimento de calor
favorece o deslocamento na direção endotérmica, nesse caso, dos reagentes.
19
5. Conclusão mari
Em suma, pode-se ter o entendimento do princípio de Le Chatelier através de
quatro experimentos que exemplificam visivelmente por meio da diferença de
coloração antes e depois da perturbação, as diferentes formas que um sistema em
equilíbrio pode ser perturbado pela ação de um agente externo, e como o sistema
reage a tais perturbações.
20
6. Referências Bibliográficas cada uma faz a sua
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https://www.britannica.com/science/solution-chemistry. Acesso em 10 de novembro
de 2022.
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https://chem.libretexts.org/Courses/SUNY_Oneonta/Chem_221%3A_Organic_Chemistry_I_(Bennett)/2%3ALab_Textbook_(Nichols)/01%3A_General_Techniques/1.05%3A_Filtering_Methods/1.5B%3A_Decanting#:~:text=When%20there%20is%20a%20need,4
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(8) LE CHATELIER 'S PRINCIPLE. Kenneth H. Norwich. Disponível em:
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(10) FUNDAMENTOS DA QUÍMICA ANALÍTICA. Ione Maria F de Oliveira, Maria
José de S F da Silva, Simone de F B Tófani. Disponível em:
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(11) REAÇÃO DO COBRE COM O ÁCIDO NÍTRICO. Filipe Matheus. Ponto Ciência.
Disponível em:
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17 de novembro de 2022.
(12) EQUILÍBRIO QUÍMICO. Pearson. Disponível em:
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https://www.saberatualizado.com.br/2019/11/como-funciona-o-galinho-do-tempo.htm
Acesso em 13 de novembro de 2022.
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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3059932/
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