O que são constantes de equilíbrio?
Algumas ações químicas procedem irreversivelmente em uma direção. Um exemplo disso é a queima de hidrogênio (H) gás em oxigênio (O) para produzir água, como mostrado na fórmula 2 H2O + O2 => 2 H2O. A reação oposta, 2 H2O => 2 H 2 + O 2 não ocorre nessas condições, não importa quanto tempo passe. Existem reações reversíveis, como o químico Claude-Louis Berthollet descobriu em 1803. As reações reversíveis prosseguem em uma direção até que as reações reversas se tornem as favorecidas, resultando em equilíbrio e possibilitando o cálculo de constantes de equilíbrio.
Tais constantes de equilíbrio foram derivadas de relações matemáticas reveladas no tempo através dos esforços de muitos cientistas. Essas relações utilizam as proporções de concentrações de espécies dissolvidas no sistema de reação. Um exemplo simples é a ionização do ácido acético. Outra é a quebra reversível do tetróxido de dinitrogênio gasoso. Nesses, como em todos os exemplos, as constantes de equilíbrio dependem das condições do sistema, como a temperatura.
O ácido acético se dissocia em um íon hidrogênio positivo mais um íon acetato negativo. O que torna a reação reversível é que esses íons podem e irão recombinar-se em moléculas de ácido. Outras moléculas de ácido acético se dissociam para substituir as que foram recombinadas. O resultado é equilíbrio, levando a uma expressão matemática. As concentrações de íons e ácidos estão relacionadas à constante de equilíbrio pela expressão K = [H +] [Ac -] / [HAc]. Logicamente, a constante de equilíbrio para a reação reversa é o inverso desse K, porque a concentração de ácido se torna o numerador e as concentrações de íons se tornam o denominador.
Para o tetróxido de dinitrogênio, que contém nitrogênio (N) e oxigênio, a reação química é escrita N 2 O 4 ⇆ 2 NO 2 . Qualquer mudança na proporção dessas duas espécies em um sistema fechado depende da mudança na pressão do sistema; para cada molécula de tetróxido que se decompõe, duas moléculas de dióxido de nitrogênio se formam, aumentando a pressão. Isso requer energia e, além de um ponto, desfavorece a divisão. A equação mostra K = [NO 2 ] [NO 2 ] / [N 2 O 4 ]. Quanto ao ácido acético, a constante de equilíbrio para a reação reversa, como para todas as constantes de equilíbrio para todas as reações reversas, é o inverso deste K.
As reações irreversíveis obedecem às mesmas relações matemáticas que as reações reversíveis. Nesses casos, no entanto, o denominador se torna 0 ou infinito, se examinarmos a reação direta ou a reação reversa. Isso sugere uma constante de equilíbrio com um valor oposto, infinito ou 0. Essa informação é inútil. Também é interessante a possibilidade de levar uma reação à conclusão, tornando-a irreversível ao remover um dos produtos do sistema, como por meio de uma membrana semipermeável que retém os reagentes.