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Capítulo 11- Equilíbrio Químico Até aqui admitimos que o sistema é composto de uma substância pura ou mistura com composição inalterada na mudança de estado. - No entanto, a composição do sistema muda e as propriedades Termodinâmicas também mudam à medida que a reação prossegue. É preciso introduzir correções. - Para substância pura ou mistura de composição fixa: VdPSdTdG Se o n° mols (n1, n2...) das substâncias presentes variar, (1) n i i nPTinTnP nPTnPTnTnP dn n GdP P GdT T GdG dn n Gdn n GdP P GdT T GdG nnPTGG jii jjii 1 ,,,, 2 ,,2 1 ,,1,, 21 ... ,...,,, (2) Se o sistema não sofre qualquer mudança de composição, então e 1 0dn 02 dn dP P GdT T GdG inTnP i ,, G = f(T,P), comparando com a eq. (1): S T G inP , V P G inT , Se a transformação ocorre a T e P constantes: (dT=0 e dP=0) i i i i i i i i i i nPTi dnVdPSdTdG dn dndG n G j 0 .: ,, P/ simplificar: No equilíbrio dG = 0. Reescrevendo a eq.(1): (energia de Gibbs molar) (3) Subst. (3) em (1) i nPTi i dn n GdG j,, VdPSdTdG (1) P/ substância pura ou mistura de composição fixa i njPTi n G ,, - i é uma propriedade intensiva do sistema: o da energia de Gibbs por mol da substância. i possui o mesmo valor em todos os pontos de um sistema em equilíbrio. - A propriedade i é chamada de potencial químico da substância i. A matéria escoa espontaneamente de uma região de potencial químico mais elevado para uma região de baixo potencial químico. Ex: Uma massa escoa espontaneamente de uma região de potencial gravitacional mais alto para região de potencial gravitacional mais baixo. “Se o potencial químico do componente do sistema for alto, esse componente terá maior tendência de escape”. Propriedades do i Outro nome freqüentemente dado para i é tendência de escape da substância i. P/ uma substância pura, = G/n (energia de Gibbs molar) Energia de Gibbs molar parcial da substância i. Potencial Químico de um Gás Ideal Puro PRTT ln)( (4) A eq. (4) mostra que em dada T, a pressão do gásideal é uma medida do potencial químico do gás. A condição de equilíbrio requer igualdade de potencial químico em todos os pontos do sistema, e conseqüentemente, que a pressão seja uniforme em todos os pontos. Potencial Químico de um Gás Ideal Puro em uma Mistura de Gases Ideais PxP ii ( ) lni i T iRT P , sendo Pressão 1 atm ( ): . ln lni i T iRT P RT x (5) Potencial químico substancia pura (4) i i iMistura iii xxnRTG xRTPTpuro ln ln),)(( , sendo: n G nxn ii n = nº total de mols(6) (5) ipuroii xRTPT ln),()( Interpretando as equações.... Como xi é uma fração e seu logaritmo é negativo, essa equação mostra que o potencial químico de qualquer gás em uma mistura é menor que o potencial químico do gás puro, sob a mesma pressão total. Isso significa que se um gás puro, sob pressão P, for colocado em contato com uma mistura sob a mesma pressão total, o gás puro escoará espontaneamente para a mistura. (5) i i imistura xxnRTG ln (6) A eq. (6) expressa a variação da energia de Gibbs de um processo de mistura em termos das frações molares dos constituintes da mistura. Cada termo do 2º membro é negativo, de forma que um processo de mistura a partir dos constituintes puros ocorre sempre com diminuição da energia de Gibbs. Potencial Químico de um Gás Ideal Puro em uma Mistura de Gases Ideais iimist xxnRTG ln (6) Plotando: imist xverusnRTG / nRT GMist . P/ uma Mistura de 2 componentes (Mistura Binária): 0 1xB 0 0 - A energia de Gibbs em um processo de mistura é sempre negativa. - A curva é simétrica em x = ½. Energia de Gibbs e Entropia do Processo de Mistura - A maior diminuição da energia de Gibbs em um processo de mistura está associada à formação de uma mistura contendo o mesmo nº mols dos dois constituintes (nA = nB). A formação de uma mistura a partir dos constituintes puros sempre ocorre espontaneamente. Mínimo p/ x=1/2 A B iimist xxnRTG ln (6) P/ Uma Mistura ou Solução Ideal (BINÁRIA) Derivando Gmist = Gfinal – Ginicial com relação à T, teremos o Smist , sendo: iiMistura ii niP xxnRS xxnR T G ln.: ln , S T G niP , .M istS nR 0 0 0 1x - O sinal negativo indica que a entropia do processo de mistura é sempre positiva e está relacionada com o aumento na desordem quando se misturam moléculas de vários tipos. Máximo p/ x=1/2 O calor do processo de mistura (Hmist) pode ser calculado pela equação: mistmistmist STHG Substituindo os valores da energia de Gibbs e da entropia do processo de mistura em (7): MisturaMistura Mistura iiMisturaii STG H xxnRTHxxnRT .: 0 lnln (não há efeito de calor associado ao processo de mistura de gases ideais). (7) A força responsável pelo processo de mistura (-Gmist) é um efeito inteiramente da entropia. O estado misturado é mais caótico e portanto mais provável (maior entropia) A formação de misturas ideais depende apenas da entropia de mistura. P/ misturas não ideais (H 0), a miscibilidade vai depender do Hmist e do TSmist. Misturas com G 0 são imiscíveis. Equilíbrio Químico em uma Mistura Consideremos um sistema fechado a T e P constantes. O sistema consiste de uma mistura de espécies químicas que podem reagir segundo a equação: i i i A 0 i é o coeficiente estequiométrico A i representa a fórmula química da substância.. Equações Químicas 2222 ClOHMnClHClMnO Balanceando... 2222 24 ClOHMnClHClMnO mols da reação ocorreu, 2 2 o MnO MnOn n 4oHCl HCln n 2 2 2oH O H On n 2 2 o MnCl MnCln n 2 2 o Cl Cln n Somatória dos coef esteq. de todas as espécies (reag. e prod) em uma reação química é zero (lei da conservação das massas). A energia de Gibbs vai aumentar ou diminuir se a reação prosseguir na direção indicada pela seta??? Variável = “Grau de avanço” Avanço da Reação Generalizando: :. Para toda reação química. 2 2 2 20 2 ( 1) ( 4)MnCl H O Cl MnO HCl i i i A 0 Logo, Diferenciando, ou i o ii nn Relação geral entre nº mols e grau de avanço. ddn ii ddn i i i é o coeficiente estequiométrico A i é a substância química. Supondo que a reação avança mols, então o nº mols de cada substância presente é dado por: niº é o nº mols inicial das substâncias presentes, antes da reação avançar. Como niº é cte: Os sinais algébricos aparecem porque os reagentes são consumidos e os produtos são formados , 0 i i i i i i i o i i i i i i i i i i iT P A dG SdT V dP dn dG dn n n dn d dG d dG d P e T constantes. (8) o in constante (9) (9) em (8) (10) Essa derivada é a taxa de variação da energia de Gibbs da mistura com o avanço da reação. A energia de Gibbs da mistura aumentará ou diminuirá se a reação prosseguir na direção indicada pela seta????? - Se a derivada 0 , PT G A energia de Gibbs à medida que a reação avança no sentido indicado pela seta (reação espontânea) - Se a derivada 0 , PT G À medida que a reação avança no sentido indicado pela seta, a energia de Gibbs (reação inversa espontânea) - Se a derivada 0 , PT G A energia de Gibbs terá um valor mínimo e a reação estará em equilíbrio. Condição de Equilíbrio 0 ,, eqPT G e 0 eqii No equilíbrio, os valores de são relacionados por essas equações. A derivada , correspondeà variação da energia de Gibbs da reação (G), que é a soma das energias de Gibbs dos produtos menos a soma das energias de Gibbs dos reagentes. Desta forma, podemos chamar , de (G), variação da energia de Gibbs da reação. PT G , PT G , Substituindo na equação (10): ii i G , no equilíbrio para qualquer reação: 0)( eqii i G No equilíbrio os valores de são relacionados de um modo especial por essas equações. Como cada i é função de T; p; n1º; n2º, ...), a condição de equilíbrio determina e como função de T, p e dos valores especificados dos nº de mols iniciais. 0 Espontaneidade da reação inversa. Espontaneidade da reação no sentido direto Comportamento de G como função de ξ Vemos que tem um valor limitado de variação entre um valor baixo e um valor alto. Em um valor intermediário de (e), G tem um valor mínimo e nesse ponto o sistema está em equilíbrio. Em qualquer composição a energia de Gibbs da mistura tem a forma: iinG Se adicionarmos e subtrairmos (T,P) (potencial químico das espécies puras), em cada termos da soma: . o i MISTURAPURO o iii o ii i o ii o ii GGG nPTnG nG ),( (Sistema homogêneo) G total gases puros G mistura G é a energia de Gibbs do sistema homogêneo. A energia de Gibbs do sistema é dada por: Podemos graficar Gpuro , Gmist e G (sist) em função de : eq MISTURA eq PURO PT MISTURA PT PURO PT GG GGG ,,, No equilíbrio: 0 , PT G (11) - Gpuro depende de através de ni, então Gpuro é função linear de . - O mínimo em G ocorre no ponto onde Gmist diminui tão rápido quanto Gpuro aumenta. - A eq.(11) é válida para qualquer equilíbrio onde pelo menos 1 fase seja mistura, ao contrário, Gmist = 0 e só aparecerá Gpuro . Essa equação mostra que um sistema se aproxima do equilíbrio (Gmín), formando substâncias c/ energia de Gibbs menor. Isso torna Gpuro pequeno e G mistura dos reagentes e produtos. MISTURAPURO GGG Aplicação a uma Reação Química Equilíbrio Químico – Constante de Equilíbrio Para uma mistura de gases ideais, foi mostrado na eq. (5) que o de um gás ideal em uma mistura de gases é dado por: ( ) lni i T iRT P (5) onde Pi é a pressão parcial do gás na mistura Para a reação: aA + bB cC + dD A, B, C e D representam as substâncias e a, b, c e d representam os coef. estequiométricos G = [c ºC + c RT lnpC + d ºD + d RT lnpD] - [a ºA + a RT lnpA + b ºB + b RT lnpB] G = (c ºC + d ºD) - (a ºA + b ºB) + RT [(clnpC+ dlnpD) – (alnpA + blnpB)] Gº = (c ºC + d ºD) – (a ºA + b ºB) Gº é a energia de Gibbs padrão da reação. b B a A d D c C pp ppRTGG lnº Qp (quociente da reação)(12) P/ calcularmos o G da reação: G = Gprod - Greag Utilizando o termo Qp para simbolizar o quociente reacional, podemos escrever a eq. (12) como: (13) Pela eq. (13) vemos que o sinal de G é determinado pelo valor e sinal de ln Qp, pois, a uma determinada temperatura, Gº é uma constante característica da reação. pQRTGG lnº Q = Keq Se as pressões parciais dos reagentes for maior que a dos produtos,Qp terá um valor fracionário e lnQp será um nº negativo. Isso tornará G mais negativo e aumentará a formação de produtos. No equilíbrio: 0G , e a equação (13) torna-se: eqKRTG lnº0 eqKRTG lnº (14) Gº é uma combinação dos º, cada um dos quais sendo função apenas da temperatura, assim, Gº e Keq são funções apenas da temperatura. Medindo-se a constante de equilíbrio da reação, pode-se calcular Gº. b B a A d D c C p pp ppQ Unidade ???? Para gases reais, usamos a fugacidade (f) e não as pressões parciais (p): b B a A d D c C f ff ffK )()( )()( Vapor Líquido gásP = Pressão vapor No equilíbrio (quando as tendências se igualam), - Tendência do líquido passar à fase vapor; - Vapor tende a escapar da fase de gás por condensação. = cte , T = cte.gásP BfRTG ln B = cte, depende da substância e da temperatura. Vapor Líquido P/ gases reais Kf e não Kp é função apenas da temperatura. G = energia livre f = fugacidade nesse estado (qdo p = 1 atm) aRTGG f fRTGG f fRTGG BfRTG ln.: ln.: ln.: ln a f f Ponto de Referência , se escrevermos (atividade), temos: A atividade (a) é a concentração “real” da substância. É uma medida do quanto as interações entre as moléculas numa solução ou num gás real desviam do comportamento ideal. a = atividade Geralmente a reação química e seu quociente de reação tem a forma: dDcCbBaA b B a A d D c C a.a a.aQ No equilíbrio: eqQ K Para gases ideais: Para gases reais: Para líquidos puros e sólidos: Para solutos a baixas concentrações: ppa XX / )1/(][ 1 molLXa X ffa XX / 1Xa Significado Geral de K - Se K>>1 (K é maior do que 10³) – No equilíbrio os produtos dominam a mistura de reação. - Se K<<1 (K é menor do que 10-³) – No equilíbrio os reagentes dominam a mistura e somente uma pequena proporção de produtos é formada. - K ≈ 1 Similar abundância de regentes e produtos. É uma medida da quantidade de reagentes e produtos presentes no equilíbrio. As Constantes de Equilíbrio, Kc, Kp e Kx Para a reação: aA + bB cC + dD Em unidades de Concentração (Kc) C eq K K lnRTG b B a A d D c C c CC CCK )()( )()( Ci é a concentração molar da espécie i. eqC KK SólidosLíquidos Em unidades de Pressão (Kp) b B a A d D c C p pp ppK )RT(KK Cp = n° mols produtos – n° mols reagentes Em unidades de Fração Molar (Kx) b B a A d D c C X XX XXK i i T P X P P.KK pX Energia de Gibbs Padrão de Formação A partir de Gº obtido de medidas das constantes de equilíbrio das reações, é possível calcular os valores convencionais da energia de Gibbs padrão molar (º), dos componentes individuais. Assim como no caso das entalpias padrão das substâncias, atribuímos o valor zero à energia de Gibbs dos elementos em seu estado de agregação mais estável, a 25ºC e 1 atm. º = 0 Estado mais estável de agregação T = 25 ºC P = 1 atm 0)romb,S(;0)l,Br(;0)g,H( o2 o 2 o Ex: )g,CO(G )g,O( 2 1)gr,C()g,CO(G COO 2 1C oo f 2 oooo f )g()g(2)gr( 0 0 Valores Tabelados (Tab. A-5 Castellan) A energia de Gibbs padrão de formação de qualquer composto é a energia de Gibbs Molar Padrão (º) deste composto. P/ a reação de formação de um composto, como CO: É sempre possível relacionar a composição de uma mistura em equilíbrio com o valor de equilíbrio do avanço (e), com o nº de mols inicial (niº) e os coeficientes estequiométricos (i). )(3)(2)(2 23 ggg NHHN Coeficiente estequiométrico -1 -3 2 nº mols inicial (niº) 1 3 0 nº mols equilíbrio (ni) 1- 3- 3 2 nº total de mols (n) n = 4 - 2 Fração Molar (Xi) 22 1 22 )1(3 22 2 Pressão Parcial, Pi=XiP P 22 1 P 22 )1(3 P 22 2 3 22 2 3 ))(( )( pHpN pNHKp Como pH2 = 3pN2, substituindo em Kp: 2/12/3 2 2 3 4 2 3 2 3 3 22 2 3 3 )()(3 )( )3)(( )( Kp pN pNH pN pNH pNpN pNHKp Substituindo as pressões parciais no equilíbrio: iii nn º )2(2/)1( 23 )( 22 2/12/3 2 2 3 p PKp pN pNH 22 2 2/12/3 )1( )2(23 p pKp p 2 2 2/12/3 )1( )2(23 Kp p A análise da mistura fornece o valor de xNH3 a partir do qual podemos calcular o valor de no equilíbrio. A partir de é possível determinar Kp e com esse resultado obter Gº. Variação da Constante de Equilíbrio com a Temperatura (1) KpRTG lnº Gº = H - TS S T H T G º Derivando com relação à T: 2TH T G T oo A constante de equilíbrio pode ser escrita como: RT GKp ºln KpRTG lnº Equação de Gibbs-Helmholtz RTGKp /ºln De (1), temos que: Como Kp é função apenas da temperatura, derivando com relação à T temos: 2 º)/º(1ln RT H dT TGd RdT Kpd 2 º T H (Resolvemos a derivada no final do Cap.10). 0H 0H o o Cte equilíbrio com o T. Cte equilíbrio com o T. Como um em Kp implica em do rendimento de produtos, a expressão matemática ,expressa um dos aspectos do Princípio de LeChatelier 2 ºln RT H dT Kpd Equação de Gibbs-Helmholtz 2 ºln RT H dT Kpd T d R H T dT R HKpd 1ººln 2 R H )T/1(d Klnd op pKln T/1 ( R H º - Se Kp for medido a várias T e os dados plotados como lnKp x 1/T, o coef. angular da reta fornece o valor de Hº da reação. (Os valores de Hº obtidos dessa forma são menos precisos do que os obtidos por métodos calorimétricos). - Porém esse método das Keq são satisfatórios para reações não adequadas p/ medidas calorimétricas. Essa equação pode ser expressa de maneira mais conveniente p/ se colocar em um gráfico: É possível medir também a constante de equilíbrio em uma determinada T e utilizando o Hº obtido por métodos termoquímicos, calcular Keq em outras Temperaturas. 2ln T dT R HKd o p Integrando a equação,de T1 a T2, obtemos: 121 2 11 )( )(ln TTR H TK TK P P Sendo Hº constante no intervalo de T: Conhecendo Hº p/ a reação e a constante de equilíbrio em pelo menos em uma T (à 298K, por exemplo), é possível obter Keq na outra temperatura. 2 2 1 2 1 ºln T dT R HKpd T T T T Equilíbrio entre Gases Ideais e Fases Condensadas Puras - Equilíbrios Homogêneos: Quando todas as substâncias participantes do equilíbrio estão na mesma fase. - Equilíbrios Heterogêneos: Quando as substâncias participantes do equilíbrio químico estiverem em fases diferentes. Considerando a Reação: )g(2)s()s(3 COCaOCaCO A condição de equilíbrio é: 0)s,CaCO()g,CO()s,CaO( eq32 0),(º)ln(),(º),(º 322 eqCO sCaCOpRTgCOsCaO )ln(),(º),(º),(º0 2 º 32 CO eqG pRTsCaCOgCOsCaO )ln(º )ln(º0 2 2 CO CO pRTG pRTG )ln(ln º)ln( 2 2 CO CO pKp RT Gp 5,39309,6359,1206mol/kJH 36,3940,6048,1128mol/kJ COCaOCaCOSubstância o f o )g(2)s()s(3 Substituindo os valores da Tab. A-V , pág. 257 Castellan: Gº = -604,0 – 394,4 – (-1128,8) = 130,4 kJ/mol 23 23 2 11 1 2 1043,1 1043,1 60,52 298.1314,8 130400º)ln( xK atmxp KmolJK Jmol RT Gp p CO CO )g(2)s()s(3 COCaOCaCO )( 2COpKp Calcular agora a pCO2 a 1100 K Vamos precisar de Hº 121 2 11 )( )(ln TTR H TK TK P P (à 298 K) 5,39309,6359,1206mol/kJH 36,3940,6048,1128mol/kJ COCaOCaCOSubstância o f o )g(2)s()s(3 Substituindo os valores da Tab. A-V , pág. 257 Castellan: Hº = -635,09 – 393,5 – (-1206,9) = 178,3 kJ/mol )g(2)s()s(3 COCaOCaCO 12 298211002 11)ln()ln( TTR Hpp COCO 298 1 1100 1 314,8 17830060,52)ln( 11 1 11002 molJK JmolpCO atmp p CO CO 84,0)( 17,0)ln( 11002 11002 Princípio de Le Chatelier Para verificar como T e P afetam o valor do equilíbrio do avanço da reação (e), precisamos apenas determinar o sinal das derivadas: TP P e T Partindo de: GG p,T (1) Como é função de T, P e , temos: c pT G , '' 2 2 GG dGdPG P dTG T Gd (2) (3) Substituindo (3) e (1) em (2): dGVdPSdTdGdP P GdT T GGd "" No equilíbrio: 0 G eeeqeq GPVTT H )()()(0 '' No equilíbrio: 0 G No equilíbrio, G é mínimo, logo, G”e é positivo dGVdPSdTdGdp p GdT T GGd "" À Pressão Constante, dP=0: À Temperatura Constante, dT=0: '' eP TG H T - Se H é +, T, no equilíbrio. - Se H é -, T, no equilíbrio. '' eT G V P - Se V é +, P, no equilíbrio. - Se V é -, P, no equilíbrio. Estas são expressões do Princípio de Le Chatelier: “Se um sistema em equilíbrio sofrer alguma perturbação externa que altere alguma propriedade do sistema, o equilíbrio se deslocará de forma a minimizar a perturbação. T HS Dependência de Outras Funções Termodinâmicas com a Composição Estabelecida a relação entre a energia de Gibbs e a composição, podemos facilmente obter a relação das outras funções TD com a composição. Consideremos a equação fundamental: i i i dnVdPSdTdG Temos que: PVGA TSGH TSPVGU Diferenciando cada uma das definições: VdPPdVdGdA SdTTdSdGdH SdTTdSVdPPdVdGdU Substituindo agora o valor de dG (**) em cada equação: (**) i i i i i i i i i i i i dnVdPSdTdG dnPdVSdTdA dnVdPTdSdH dnPdVTdSdU (1) (2) (3) (4) Equações fundamentais para sistemas de composição variável e implicam que i pode ser interpretado de quatro modos: jjjj nPTinVTinPSinVSi i n G n A n H n U ,,,,,,,, Jn,P,Ti i ii n JJ JnJ iJ = quantidade molar parcial. Qualquer propriedade extensiva de um sistema segue a regra da adição: Equação de Gibbs-Duhen Uma relação adicional entre os i pode ser obtida diferenciando a equação: i iinG i iiii dndndG i ii dnVdPSdTdG Como: , substituindo na equação acima: VdPSdTdn i i i i iiii i ii dndndnVdPSdT Logo: Equação de Gibbs-Duhem À T e P constantes, variando-se somente a composição: 0 i i i dn A eq. (6) mostra que se a composição variar, os potenciais químicos não variam de modo independente, mas relacionados pela eq (6). (5) (6) Ex: Para sistemas de 2 componentes, a eq. (6) torna-se: 1 2 1 2 22112211 0 d n nd dndndndn (T e P ctes): (7) As potencias não variam de forma independente. De maneira geral, a variação de qualquer quantidade parcial molar c/ a composição está relacionada pela equação: 0Jdn ii À T e P constantes: iJOnde, é qualquer quantidade parcial molar
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