Reações Químicas e Equilíbrio

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Módulo Q3
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Reações Químicas. Equilíbrio Químico Homogéneo
1. Reações químicas.
2. Aspetos energéticos de uma reação química.
3. Reações químicas e Equilíbrio químico.
1. Reações Químicas
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As reações químicas são processos em que ocorrem transformações das substâncias iniciais em novas substâncias. Ou seja, as reações químicas são transformações dos reagentes em produtos da reação.
Reação entre o nitrato de chumbo e o iodeto de potássio, em solução aquosa.
Observa-se a formação de um sólido amarelo.
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Verificamos	que	ocorre	uma	reação	química	quando
existe:
· mudança de cor;
· libertação de um gás;
· formação de um sólido;
· formação de chama;
· cheiro característico;
· desaparecimento de substâncias iniciais.
Reação entre o ácido nítrico e o cobre.
Observa-se mudança de cor e libertação de um gás acastanhado.
Reações Químicas
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Ovo estrelado. Reação química por ação do calor. Ocorre uma
mudança do seu aspeto.	Oxidação do ferro é o resultado de uma reação química de oxidação-redução.
Lenha a arder. Reação de combustão.
Reagentes		Produtos
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Eletrólise da água – Por ação da corrente elétrica,
água decompõe-se em hidrogénio e oxigénio.
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Reações Químicas𝒈
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𝟐 𝑯𝟐𝑶𝒍
→ 𝟐 𝑯𝟐
+ 𝑶𝟐(𝒈)
Numa reação química, os átomos dos elementos que formam os reagentes reagrupam-se de maneiras diferentes para originar outras substâncias (produtos de reação).Número total de
átomos dos
reagentes
=
Número total de
átomos dos
produtos de reação
Uma equação química indica:
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· Os reagentes e os produtos de reação através das
fórmulas químicas, acompanhados do estado físico.
· A proporção de combinação em que os reagentes se combinam e os produtos de reação se formam.
Síntese do amoníaco:
N2 (g)
 3 H2 (g) 2
NH3 (g)
2 átomos de N
6 átomos de H
2 átomos de N e 6 átomos de H
1 molécula de N2	3 moléculas de H2
2 moléculas de NH3
1 mol de N2	3 mol de H2	2 mol de NH3
Equações Químicas
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C2H5OH (l) + 3 O2 (g) → 2
CO2 (g) +3
H2O (g)
Al2S3 (s) +6H2O (l) → 2 Al(OH)3 (aq) +3H2S (g)
Escrita e leitura de uma equação química
Considerando a equação química4
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C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) +
Assim, a equação química pode ser lida:
H2O (g)
Em termos de moléculas e átomos
Uma molécula de propano no estado gasoso reagem com cinco moléculas de oxigénio no estado gasoso originando três moléculas de dióxido de carbono no estado gasoso e quatro moléculas de água no estado gasoso.
Em termo de quantidades químicas
Uma mole de moléculas de propano no estado gasoso reagem com cinco moles de moléculas de oxigénio no estado gasoso originando três moles de moléculas de dióxido de carbono no estado gasoso e com quatro moles de moléculas de água no estado gasoso.
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Exercícios propostos:
1. Acerte as seguintes equações químicas:
	A)	O3 (g) →
	O2 (g)
	
	B)	K (s) +
	O2 (g) →
	K2O (s)
	C)	Ca (s) +	HCl (aq) →	H2 (g) +	CaCl2 (aq)
	
D)
	
Na (s) +
	
H2O (l)	→	NaOH (aq) +	H2 (g)
	E)
	CH4 (g) +
	O2 (g) →	CO2 (g) +	H2O (g)
	F)
	F2 (g) +
	H2 (g) →	HF (g)
	G)
	Fe2[SO4]3
	(s) →	Fe2O3 (s) + SO3 (g)
http://www.wfu.edu/~ylwong/balanceeq/balanceq.html
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2. Classifique as seguintes frases em verdadeiras ou falsas.
A) Uma equação química indica-nos a proporção de combinação dos reagentes e dos produtos numa reação química.
B) Numa reação química há sempre rutura de ligações químicas nos reagentes e formação de novas ligações.
C) Uma equação química só representa uma reação química se estiver devidamente certa.
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3. Reação entre as soluções aquosas de cloreto de
potássio e de nitrato de prata
KCl (aq) + AgNO3 (aq) → KNO3 (aq) + AgCl (aq)
3.1. Identifique os reagentes e os produtos da reação.
3.2. Escreva a equação química da seguinte em equação de palavras.
R: 1 mol de cloreto de potássio, em solução aquosa, reage com 1 mol de nitrato de prata, em solução aquosa, originando 1 mol de nitrato de potássio, em solução aquosa, e 1 mol de cloreto de prata, em solução aquosa.
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4. Quando se aquece óxido de mercúrio (HgO) sólido, este decompõe-se em mercúrio (Hg) líquido e em oxigénio (O2) gasoso.
4.1. Indique o nome do reagente e dos produtos de reação.
4.2. Escreve a equação química que traduz a reação.
4.3. Deste sistema reacional fazem parte substâncias
elementares e compostas. Identifica-as.
Reação Química de Síntese
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São reações em que duas ou mais substâncias reagem
entre si para formar um único produto.
N2 (g)
 3H2 (g)
 2NH3 (g)
Reação Química de Decomposição
São reações em que um único reagente origina dois ou mais produtos da reação.
2H2O(l)
 2H2 (g)
 O2 (g)
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Lei da conservação das massas ou Lei de Lavoisier
Sabemos que durante uma reação química há substâncias que se transformam (reagentes), originando novas substâncias (produtos da reação).
Assim, é de esperar que:
· a massa dos reagentes diminua;
· a massa dos produtos de reação aumente.
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Efetivamente, durante uma reação química, a massa total das substâncias que tomam parte da reação permanece constante.+
metano
+	oxigénio
dióxido de carbono
água
4 g	16 g	11 g	9 g
reagentes	produtos
4 g +
16 g
= 20 g
11 g
+ 9 g
= 20 g
NUMA REAÇÃO QUÍMICA A MASSA TOTAL DOS
REAGENTES É IGUAL À MASSA TOTAL DOS PRODUTOS
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Esta conclusão foi tirada pelo químico francês Lavoisier, no século XVIII, com base em observações experimentais.
Ficou célebre a frase de Lavoiser “nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”.
Lei de Lavoisier – numa reação química, a massa total das
substâncias que nela tomam parte permanece constante.
Exercícios propostos:
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1. Com base na Lei de Lavoisier, calcula a massa de cada uma das seguintes reações químicas.𝒈
𝒍
1.1.
𝟐 𝑯𝟐
+ 𝑶𝟐(𝒈) → 𝟐 𝑯𝟐𝑶
4 g	32 g	?
1.2.
𝑯𝑪𝒍
+ 𝑵𝒂𝑶𝑯
→ 𝑵𝒂𝑪𝒍
+ 𝑯𝟐𝑶
36,5 g	40 g	?	18 g𝒂𝒒
𝒂𝒒
𝒂𝒒
𝒍
1.3.
𝑯𝑪𝒍
+ 𝒁𝒏
→ 𝒁𝒏𝑪𝒍𝟐
+ 𝑯𝟐
?	64,5 g	136,4 g	2 g𝒂𝒒
𝒔
𝒂𝒒
𝒈
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2. O metano (CH4) é um gás que ao reagir com a molécula de oxigénio origina dióxido de carbono e vapor de água.
2.1. Escreve a equação química.
2.2. Quando se fazem reagir 32 g de metano, formam-se 160 g de produtos de reação. Que massa de oxigénio reage então com o metano?
Reações Completas e Incompletas
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A quantidade de produto que pode ser obtida a partir de uma dada quantidade de reagente é normalmente inferior à prevista a partir da equação química correspondente, como acontece nas reações incompletas.
Reações completas – Os reagentes esgotam-se completamente. No final, só existem produtos da reação.
Reações incompletas – Os reagentes não se esgotam completamente, aparecendo misturados com os produtos da reação.
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Reagente Limitante e Reagente em Excesso
A Estequiometria é a parte da química que relaciona as proporções entre os coeficientes segundo as quais se combina a matéria.
Em situações do quotidiano, quer no laboratório, quer na indústria, os reagentes podem não se encontrar em proporções estequiométricas, isto é, há um reagente limitante e um reagente que se encontra em excesso.
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O reagente limitante vai condicionar a quantidade de produto da reação que se formar pois a reação termina quando este se esgota.
O reagente limitante é o reagente que é totalmente consumido (está em menor quantidade estequiométrica) e que condiciona a quantidade possível (teórica) que se pode obter do(s) produto(s) da reação.
Reagente em excesso é o reagente cuja quantidade é superior à quantidade prevista pela proporção estequiométrica.
Determinação do Reagente Limitante
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Considere-se a reação entre 80 g de azoto e 10 g de
hidrogénio, traduzida pela equação química
𝑵𝟐𝒈
+ 𝟑𝑯𝟐
→ 𝟐𝑵𝑯𝟑
1º	passo:	Determinar	a	quantidade	química	de	cada𝒈
𝒈
reagente.N2
m (N2) = 80 g
M (N2) = 2 x 14 = 28 g/mol
n  m 
M
n  80  2,86	mol
28
H2
m (H2) = 10 g
M (H2) = 2 x 1,01 = 2,02g/mol
n  m 
M
n  10  4,95 mol
2,02
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2º passo: Obter a relação entre quantidade química da substância e coeficiente estequiométrico.
𝟑𝐻2	𝑔	→ 𝟐𝑁𝐻3𝑁2
𝑔
+
𝑔
Coeficiente estequiométrico
n(N2 )  2,86	mol
N  2,86  2,86
2
1
n(H2 )  4,95	mol
H	 4,95  1,65
2
3
Reagente em excesso	Reagente limitante
Exercício proposto:
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1. A ureia , (NH2)2CO, usada como fertilizante e em rações para animais. A síntese da ureia pode ser traduzida pela seguinte equação química:𝒂𝒒
𝟐 𝑵𝑯𝟑𝒈
+ 𝑪𝑶𝟐(𝒈) → (𝑵𝑯𝟐)𝟐𝑪𝑶
+ 𝑯𝟐𝑶(𝒍)
Considere que se faz reagir 681,2 g de NH3 com 1760 g de dióxido de carbono.
Indique o reagente limitante.
Rendimento de uma Reação
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Quando as reações são incompletas, as quantidades de produtos da reação obtidas são inferiores às quantidades esperadas teoricamente.
Assim, o rendimento de uma reação incompleta, calcula-se
através da expressão:
  nobtida 100
nteórica
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O rendimento, , pode ser calculado de acordo com as seguintes expressões:
 nobtida
nteórica
100
 mobtida
mteórica
100
 Vobtida
Vteórica
100
Exercício proposto:
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1. A partir de 21,0 g de ácido acético e 11,5 g de hidróxido de magnésio obtiveram-se 0,08 mol de acetato de magnésio, de acordo com a equação seguinte:𝒂𝒒
𝟐 𝑪𝑯𝟑𝑪𝑶𝑶𝑯𝒂𝒒
+ 𝑴𝒈(𝑶𝑯)𝟐(𝒂𝒒) → 𝑴𝒈(𝑪𝑯𝟑𝑪𝑶𝑶)𝟐
+ 𝟐𝑯𝟐𝑶(𝒍)
Qual é o rendimento da reação?
1º passo: Determinar o reagente limitante.
2º passo: Relacionar estequiometricamente a quantidade do
reagente limitante com a do produto de reação em estudo.
3º passo: Determinar o rendimento da reação química.
Exercícios propostos:
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1. A redução do óxido de crómio pelo alumínio processa-se segundo a equação química:
2 Al (s) + Cr2O3 (s) → Al2O3 (s) + 2 Cr (s)
Misturaram-se 6,0 g de alumínio com 8,0 g de óxido de crómio. Obtendo-se 4,4 g de crómio.
1.1. Determina qual é o reagente em excesso.
1.2. Calcula a massa de crómio que se pretendia obter, sabendo que o rendimento desta reação foi de 80%.
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2. Misturaram-se 14,0 g de azoto [M(N2) = 28 g/mol] com 4,8 g de hidrogénio [M(H2) = 2 g/mol] para obter amoníaco. No fim da reação química é previsto obter-se 17,0 g de amoníaco.
2.1. Determine o reagente limitante.
2.2. Se se formassem apenas 12,0 g de amoníaco, qual o rendimento da reação?
Grau de Pureza
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Em situações reais, é comum os reagentes não se encontrarem puros, isto é conterem misturadas pequenas quantidades de outras substâncias, designadas impurezas.
O grau de pureza permite conhecer a percentagem de substância pura que a matéria prima contém e que realmente vai reagir.
Pode-se calcular o grau de pureza através da seguinte expressão:
Exercícios propostos:
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1. Uma lâmina metálica de alumínio de 30,0 g de massa, contém 10% de impurezas.
Qual a quantidade de massa pura de alumínio?
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Aspetos Energéticos de uma Reação Química
Os químicos interessam-se por estudar a quantidade de energia posta em jogo numa reação química. Deste modo, é necessário definir a porção do Universo que se pretende estudar, ou seja, o sistema. À volta do sistema está o exterior (ou vizinhança) existindo uma fronteira a separar o sistema do exterior. Na fronteira ocorrem as trocas de energia entre o sistema e o exterior.
Sistema e Vizinhança
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Numa reação química os reagentes e produtos	são o
sistema.vizinhança
sistema
fronteira
· Sistema = parte do Universo que nos interessa.
· Vizinhança = resto do Universo, fora do sistema
Tipos de Sistemas
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Há diferentes tipos sistemas: abertos, fechados e isolados, consoante as trocas de matéria e energia efetuadas com o exterior.
Sistema aberto
Há troca de energia e de
massa.
Sistema
fechado
Não há troca de massa, apenas
de energia.
Sistema isolado
Não há troca de matéria nem de
energia.
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Reações Endotérmicas e Exotérmicas
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Nas reações químicas, dado que há rutura de algumas ligações e formação de outras, existe, obviamente, variação da energia do sistema.
Quando os reagentes dão origem aos produtos, no decurso de uma reação, pode haver aumento ou diminuição da sua energia interna.
As reações químicas podem absorver ou libertar energia, sob a forma de calor.
REAÇÃO EXOTÉRMICA
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Quando envolve libertação de calor (aquecem o ambiente). Ex: processos de combustão, respiração animal...
REAÇÃO ENDOTÉRMICA
Quando envolve absorção de calor (arrefecem o ambiente). Ex: fotossíntese, cozedura de alimentos…
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Variação da Entalpia, ∆H
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A variação de entalpia (ΔH), mede a energia transferida entre o sistema e a vizinhança.
Reação exotérmica (é libertado calor para a vizinhança),
H é negativo, H 0.
ΔH 0 → Reação endotérmica
Exemplos:
CH4(g) + 2 O2(g) ⟶ CO2(g) + H2O(l)
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H = - 890,4 kJ
ΔH 0 → Reação endotérmica
A reação é endotérmica pois o valor da variação da entalpia é positivo, ou seja, a reação absorve mais energia do que a que liberta.
Exercício proposto:
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1. Considere	as	reações	químicas,	traduzidas	pelas seguintes equações químicas:
A. F2(g) + H2(g) ⟶ 2HF (g)	H = - 543 kJ
Reação exotérmica
B. N2(g) + H2(g) ⟶ N2H2 (g)	H = 173 kJ
Reação endotérmica
C. C2H4 (g) + H2(g) ⟶ C2H6 (g)	H = - 118 kJ
Reação exotérmica
Reversibilidade das Reações Químicas
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As reações químicas podem ser completas ou incompletas.Reversíveis
(ou incompletas)
Irreversíveis
(ou completas)
Reações Químicas
podem ser
Reações irreversíveis
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Os produtos de reação em contacto entre si não reagem entre si para regenerar os reagentes.
𝟐 𝐇𝐂𝐥	𝐚𝐪	+ 𝐌𝐠	𝐬	→ 𝐌𝐠𝐂𝐥𝟐	𝐚𝐪	+ 𝐇𝟐 (𝐠)
Exemplo: A ⟶ B
A (REAGENTE)
a ser consumido
B (PRODUTO)
Em formação
Reações reversíveis
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À medida que os reagentes se consomem e se convertem em produtos de reação, também estes reagem entre si e se transformam em reagentes.
𝑵𝟐	𝐠	+ 𝟑𝑯𝟐	𝐠	⇄ 𝟐𝐍𝐇𝟑 (𝐠)
Reações reversíveis - Exemplo
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Para realizar esse teste vamos usar um indicador de humidade atmosférica – um objeto usado para indicar de modo aproximado a humidade do ar.
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Reação direta
𝑵𝟐	+ 𝟑𝑯𝟐	𝐠	⇄ 𝟐𝐍𝐇𝟑 (𝐠)𝐠
Reação inversa
Equilíbrio Químico𝐠
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𝑰𝟐𝐠
+ 𝑯𝟐
⇄ 𝟐𝐇𝐈 (𝐠)
Módulo Q3
Equilíbrio Químico – Velocidade das Reações
Num estado de equilíbrio químico a velocidade da reação direta é igual à velocidade da reação inversa.
Módulo Q3
Equilíbrio Químico – Concentrações dos Reagentes e Produtos de Reação ao Longo do Tempo
Num estado de equilíbrio químico as concentrações dos reagentes e dos produtos de reação não variam ao longo do tempo.
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Assim, num sistema em equilíbrio:
· a reação direta e inversa continuam a ocorrer com
igual velocidade;
· as concentrações das substâncias presentes mantêm- se constantes;
· não há mudanças observáveis nas propriedades do sistema (cor, pressão, temperatura,…).
Exercícios proposto:
1. Identifique as reações reversíveis e irreversíveis.
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A. F2(g) + H2(g) ⟶ 2HF (g)
B. N2(g) + H2(g) ⟶ N2H2 (g)
Irreversível
Irreversível
C. 2 NO (g) + O2(g) ⇄ 2 NO2 (g)
Reversível
D. Fe2O3 (s) + 3 CO (g) ⇄ 2 Fe (s) + 3 CO2 (g)
Reversível
Módulo Q3
2. Classifique	cada	uma	das	seguintes	afirmações	como
verdadeira (V) ou falsa (F).
A. Nas reações reversíveis os produtos da reação também são
reagentes.	V
B. As reações reversíveis só ocorrem em sistemas isolados.	F
C. As reações reversíveis terminam quando as concentrações
dos reagentes e dos produtos se tornam constantes.	F
D. Para que um sistema, onde ocorre uma reação química,
esteja em equilíbrio é necessário não deixar que os produtos seescapem, ou seja, é necessário que o sistema esteja fechado.	V
Módulo Q3
3. Justifique qual dos diagramas poderá representar a variação das concentrações de X e Y com o tempo, numa reação reversível que fica em equilíbrio ao fim do
tempo t.
Constante de Equilíbrio
Módulo Q3
Para uma mesma reação, existe uma infinidade de estados de equilíbrio, ou seja, as quantidades das substâncias presentes no equilíbrio dependem das quantidades iniciais dos reagentes.
No entanto, à mesma temperatura e para uma mesma reação, há uma relação que se mantém constante.
Essa relação é a…
constante de equilíbrio
que corresponde à Lei de Guldberg e Waage:
“Num sistema em equilíbrio químico é constante a razão entre o produto das concentrações dos produtos da reação e o produto das concentrações dos reagentes, elevadas aos respetivos coeficientes estequiométricos.”
Constante de Equilíbrio
Quando um sistema está em equilíbrio:
KC	 	e	e 
Cc Dd
A
 
a
e
B
b
e
H2 (g) + I2 (g) ⇄ 2 HI (g)Kc  H .I 
HI 2
2
2
Módulo Q3
KC > 1 - equilíbrio muito deslocado no sentido da formação dos produtos de reação. (Favorece a reação no sentido direto).
KC