Química Orgânica: Volume 1 (2ª Edição)

David Klein · Capítulo 114 de 302

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Química Orgânica: Volume 1 (2ª Edição)

6.4 Equilíbrios

conformações de menor energia. Na verdade, há uma tendência geral para qualquer sistema se

deslocar para uma energia menor. Como outro exemplo, os elétrons formam ligações porque

“preferem” alcançar um estado de menor energia. Podemos agora entender que a razão para esta

preferência baseia-se na entropia. Quando uma substância assume uma conformação de energia

mais baixa ou quando os elétrons assumem um estado de menor energia, ΔStot aumenta. Explique.

 

6.4 Equilíbrios

 

Considere o diagrama de energia na Figura 6.9, mostrando uma reação em

que os reagentes, A e B, são convertidos em produtos, C e D. A reação

apresenta um ΔG negativo e, portanto, será espontânea. Por conseguinte,

seria de esperar que uma mistura de A e B fosse convertida completamente

em C e D. Mas isso não ocorre. Em vez disso, um equilíbrio é estabelecido

em que todas as quatro substâncias estão presentes. Por que isso ocorre? Se

C e D são verdadeiramente inferiores em energia livre a A e B, então por

que existe alguma quantidade de A e B presente quando a reação termina?

FIGURA 6.9

O diagrama de energia de uma reação exergônica em que os reagentes (A e B) são convertidos em produtos (C e D).

 

Para responder a essa pergunta, devemos considerar o efeito de ter um

grande número de moléculas. O diagrama de energia na Figura 6.9 descreve

a reação entre uma molécula de A e de uma molécula de B. Entretanto,

quando se consideram os números de mols de A e B, as variações das

concentrações têm um efeito sobre o valor de ΔG. Quando a reação começa,

apenas A e B estão presentes. Conforme a reação avança, as concentrações

de A e B diminuem, e as concentrações de C e D aumentam. Isso tem um

efeito sobre ΔG, que pode ser ilustrado com o diagrama apresentado na

Figura 6.10. Conforme a reação avança, a energia livre diminui até atingir

um valor mínimo em concentrações muito particulares dos reagentes e

produtos. Se a reação fosse avançar ainda mais em qualquer direção, o

resultado seria um aumento da energia livre, que não é espontâneo. Neste

ponto, nenhuma mudança adicional é observada, e o sistema é dito ter

atingido o equilíbrio. A posição exata do equilíbrio para qualquer reação é

descrita pela constante de equilíbrio, Keq,

 

em que K é definida como as concentrações de equilíbrio dos produtos eq

divididas pelas concentrações de equilíbrio dos reagentes.

FIGURA 6.10

Um diagrama de energia que ilustra a relação entre ΔG e a concentração. Um mínimo de energia livre é atingido em concentrações específicas (concentrações de equilíbrio).

 

Se a concentração dos produtos é maior do que a concentração dos

reagentes, então K será maior do que 1. Por outro lado, se a concentração eq

dos produtos for menor do que a concentração dos reagentes, então Keq será

menor do que 1. A grandeza Keq indica a posição exata do equilíbrio, e está

relacionada com ΔG da seguinte forma, em que R é a constante dos gases

(8,314 J/mol·K) e T é a temperatura medida em Kelvin:

 

Δ G= –RT ln Keq

 

Para um processo qualquer, seja uma reação ou uma mudança

conformacional, a relação entre Keq e ΔG é definida pela equação anterior.

A Tabela 6.2 apresenta alguns exemplos e mostra que ΔG está associado ao rendimento máximo dos produtos. Se ΔG for negativo, os produtos serão

favorecidos (Keq > 1). Se ΔG for positivo, então os reagentes serão

favorecidos (Keq <1). Para que uma reação seja útil (para que os produtos

predominem sobre os reagentes), ΔG tem de ser negativo, isto é, Keq tem de

ser maior do que 1. Os valores apresentados na Tabela 6.2 indicam que uma

pequena diferença de energia livre pode ter um impacto significativo sobre

a razão entre reagentes e produtos.

 

TABELA 6.2 ALGUNS VALORES DE Δ G E OS CORRESPONDENTES VALORES DE Keq

 

ΔG° (kJ/MOL) K % DE PRODUTOS NO EQUILÍBRIO eq

 

–17 103 99,9%

 

–11 102 99%

 

–6 101 90%

 

0 1 50%

 

+6 10–1 10%

 

+11 10–2 1%

 

+17 10–3 0,1%

 

Nesta seção, investigamos a relação entre ΔG e o equilíbrio, um tema

que se insere no âmbito da termodinâmica. A termodinâmica é o estudo de

como a energia é distribuída sob a influência da entropia. Para os químicos, a termodinâmica de uma reação se refere especificamente ao estudo dos

níveis de energia relativa dos reagentes e dos produtos (Figura 6.11). Essa

diferença de energia livre (ΔG), finalmente determina o redimento dos

produtos que pode ser esperado para qualquer reação.

 

FIGURA 6.11

A termodinâmica de uma reação se baseia na diferença de energia entre os reagentes e os produtos.

 

VERIFICAÇÃO CONCEITUAL

 

6.6 Em cada um dos seguintes casos utilize os dados fornecidos para determinar se a reação

favorece os reagentes ou os produtos:

 

(a) Uma reação para a qual ΔG = +1,52 kJ/mol

 

(b) Uma reação para a qual Keq = 0,5

 

(c) Uma reação realizada a 298 K, em que ΔH = 33 kJ/mol e ΔS = 150 J/mol · K

 

(d) Uma reação exotérmica com um valor positivo de ΔSsis

 

(e) Uma reação endotérmica com um valor negativo de ΔSsis 6.5 Cinética Química