Calculadora de Constante de Equilíbrio (K) - Calcule Kc para Reações Químicas

O que é uma constante de equilíbrio?

Uma reação que pode ocorrer nos dois sentidos é chamada de reação reversível. Ela atinge o equilíbrio quando as reações direta e inversa acontecem na mesma velocidade, de modo que as quantidades de cada substância deixam de mudar. A constante de equilíbrio (K) é um número que compara a quantidade de produto com a quantidade de reagente nesse momento. Esta calculadora encontra K a partir das concentrações e dos coeficientes informados.

Fórmula da constante de equilíbrio

Para uma reação balanceada:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

a expressão da constante de equilíbrio é:

$K = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$

Os produtos ficam no numerador e os reagentes, no denominador. Em uma dada temperatura, essa razão é constante no equilíbrio, regra conhecida como lei da ação das massas. Os colchetes significam "concentração em mols por litro (mol/L)". Cada concentração é elevada ao coeficiente correspondente da equação balanceada.

Como calcular a constante de equilíbrio

1. Escreva a equação balanceada e anote cada coeficiente.
2. Determine cada concentração no equilíbrio, não no início da reação.
3. Eleve cada concentração à potência correspondente ao seu coeficiente.
4. Multiplique os termos dos produtos entre si, multiplique os termos dos reagentes entre si e, em seguida, divida o primeiro resultado pelo segundo.

Exemplo: formação de iodeto de hidrogênio

A reação H₂ + I₂ ⇌ 2HI atinge o equilíbrio em um recipiente fechado. As concentrações medidas são:

• [H₂] = 0,2 mol/L
• [I₂] = 0,1 mol/L
• [HI] = 0,4 mol/L

$K = \frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]} = \frac{(0.4)^2}{0.2 \times 0.1} = \frac{0.16}{0.02} = 8.0$

K é próximo de 1, portanto reagentes e produtos estão presentes em quantidades mensuráveis no equilíbrio.

Exemplo: síntese de amônia (processo de Haber)

A reação N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ produz amônia para fertilizantes. Suponha que estas concentrações no equilíbrio tenham sido medidas:

• [N₂] = 0,10 mol/L
• [H₂] = 0,20 mol/L
• [NH₃] = 0,30 mol/L

$K = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \frac{(0.30)^2}{0.10 \times (0.20)^3} = \frac{0.09}{0.0008} = 112.5$

O coeficiente 3 de H₂ se torna o expoente 3 na fórmula. Um valor de K acima de 100 significa que, nessas condições, a reação favorece os produtos.

O que entra na expressão do equilíbrio

Só gases e substâncias dissolvidas aparecem em K. Sólidos puros e líquidos puros ficam de fora, porque a concentração deles permanece a mesma, qualquer que seja a quantidade presente. Para a reação CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), a expressão é simplesmente K = [CO₂]. Os dois sólidos são omitidos.

Um valor de K só vale para a temperatura em que foi medido. Mudar a temperatura muda o próprio K. Uma variação de pressão pode deslocar as quantidades de gases no equilíbrio, mas não altera K. Um catalisador acelera igualmente as reações direta e inversa, de modo que o equilíbrio é atingido mais cedo, sem alteração de K.

Tipos de constantes de equilíbrio

Os químicos usam diferentes denominações, dependendo do que é medido.

• Kc: baseado nas concentrações em mol/L. É isso que a calculadora acima calcula.
• Kp: baseada nas pressões parciais dos gases, relaciona-se com Kc por Kp = Kc(RT)^Δn, em que Δn é o número de mols de gás nos produtos menos o número de mols de gás nos reagentes.
• Ka e Kb: descrevem até que ponto um ácido fraco ou uma base fraca se dissocia na água.
• Ksp: descreve quanto de um sólido se dissolve na água; é chamado de produto de solubilidade.

Todos seguem a mesma regra: produtos sobre reagentes, cada um elevado ao seu coeficiente.

Como usar a calculadora

Escolha quantos reagentes e produtos a reação tem, até cinco de cada. Para cada substância, informe a concentração em mol/L e o coeficiente da equação balanceada. A calculadora multiplica os dois lados e faz a divisão automaticamente. Resultados acima de 1000 ou abaixo de 0,001 são exibidos em notação científica, por exemplo 1.2340e+4 em vez de 12340.

Um erro comum é inserir as concentrações iniciais em vez das concentrações no equilíbrio. Isso fornece o quociente da reação, Q, em vez de K. Q usa a mesma fórmula que K, mas pode ser calculado em qualquer ponto da reação, não apenas no equilíbrio. Comparar Q com K mostra em que direção a reação ainda precisa se deslocar: se Q for menor que K, a reação se desloca em direção aos produtos; se Q for maior que K, desloca-se em direção aos reagentes.

Perguntas frequentes

O que significa um valor de K grande ou pequeno?

Um K muito maior que 1 significa que a reação favorece os produtos no equilíbrio. Um K muito menor que 1 significa que ela favorece os reagentes. Um K próximo de 1 significa que os dois lados estão presentes em quantidades semelhantes.

Por que sólidos e líquidos são omitidos da expressão de K?

Porque sua concentração não muda. Um bloco de sólido tem a mesma densidade, seja grande ou pequeno; portanto, incluí-lo apenas multiplicaria K por uma constante, o que nunca muda.

A temperatura altera K?

Sim. Aumentar a temperatura eleva K para reações que absorvem calor e reduz K para reações que liberam calor. Um valor de K só é válido na temperatura em que foi determinado.

A pressão ou um catalisador altera K?

Não. Um catalisador aumenta a velocidade com que uma reação atinge o equilíbrio, mas não desloca o próprio equilíbrio. A pressão pode alterar as concentrações dos gases no equilíbrio, mas o K calculado a partir dessas novas concentrações permanece o mesmo.

K pode ser negativo?

Não. K vem de concentrações, que são sempre positivas, elevadas a potências inteiras positivas. A calculadora só aceita concentrações maiores que zero e coeficientes inteiros iguais ou superiores a 1. Trocar reagentes e produtos resulta em 1/K, que continua positivo.

Qual é a diferença entre K e Q?

K descreve uma reação depois que ela atinge o equilíbrio. Q usa a mesma fórmula, mas funciona com concentrações em qualquer outro momento. Comparar Q com K prevê em que direção a reação se deslocará em seguida.

História

Os químicos noruegueses Cato Guldberg e Peter Waage propuseram a lei da ação das massas em 1864. Ela levou à expressão da constante de equilíbrio usada hoje. O químico holandês Jacobus van 't Hoff mostrou depois como K depende da temperatura, parte da pesquisa que lhe rendeu o primeiro Prêmio Nobel de Química, em 1901.

Referências

1. OpenStax, Rice University. Chemistry 2e, seção 13,2 "Equilibrium Constants". Chemistry 2e: constantes de equilíbrio — lei da ação das massas, apenas espécies gasosas e solutos em K, e Kp = Kc(RT)^Δn.
2. OpenStax, Rice University. Chemistry 2e, seção 13,3 "Shifting Equilibria: Le Châtelier's Principle". Chemistry 2e: princípio de Le Châtelier — um catalisador não altera a constante de equilíbrio.
3. Nobel Prize Outreach. The Nobel Prize in Chemistry 1901. Prêmio Nobel de Química de 1901 — concedido a Jacobus Henricus van 't Hoff pelas leis da dinâmica química e da pressão osmótica.