Exame de Física e Química A 2025 · 1.ª fase — item 9.3, resolvido

Como este item é corrigido. Os $10$ pontos são atribuídos por níveis de desempenho, contando os espaços certos: as quatro opções corretas valem $10$ pontos (nível 3), apenas três valem $7$ (nível 2), apenas duas valem $4$ (nível 1). Uma só certa, ou nenhuma, vale zero. Não há desconto por errar: responde aos quatro espaços.

O ponto de partida. Um gráfico de concentrações em função do tempo conta uma história em três actos: equilíbrio (as linhas são horizontais), perturbação e evolução (as linhas mexem-se) e novo equilíbrio (as linhas voltam a ser horizontais). Entre $t_0$ e $t_1$ e depois de $t_2$ nada varia: são os dois estados de equilíbrio. Entre $t_1$ e $t_2$ o sistema está fora do equilíbrio, a caminho do novo.

a) — qual foi a perturbação

Olha para o instante $t_1$ e procura a linha que dá um salto vertical. Uma variação instantânea de concentração não pode ser obra da reação (a reação leva tempo, e é por isso que as outras linhas mudam de forma gradual): é obra de quem mexeu no reator. No gráfico, só a concentração de ${\mathrm{H}}_2$ salta, e salta para cima: adicionou-se ${\mathrm{H}}_2$.

As outras duas opções ficam excluídas pelo mesmo critério. Uma remoção de ${\mathrm{I}}_2$ faria a linha do ${\mathrm{I}}_2$ saltar para baixo em $t_1$ — e ela desce, mas devagar, curva e não degrau. Uma adição de $\mathrm{HI}$ faria a linha do $\mathrm{HI}$ saltar para cima — e ela sobe devagar, a partir do valor que tinha.

a) → 1 (adição de ${\mathrm{H}}_2$).

b) — velocidade da reação direta face à inversa

Entre $t_1$ e $t_2$, o ${\mathrm{H}}_2$ e o ${\mathrm{I}}_2$ (reagentes) diminuem e o $\mathrm{HI}$ (produto) aumenta. Isto é a reação direta a acontecer mais do que a inversa. Num equilíbrio dinâmico as duas reações ocorrem sempre; o que as concentrações mostram é o saldo. Se o saldo é a favor dos produtos, a reação direta é mais rápida do que a inversa.

É o que prevê o Princípio de Le Châtelier: o sistema responde à adição de um reagente evoluindo no sentido que o consome, isto é, favorecendo a reação direta.

b) → 1 (superior).

c) — o quociente da reação face à constante

O quociente da reação tem a mesma expressão que a constante, mas com as concentrações de um instante qualquer:

Imediatamente antes de $t_1$ o sistema estava em equilíbrio, e $Q_c=K_c$. Em $t_1$ o $[{\mathrm{H}}_2]$, que está no denominador, aumenta de repente: o quociente diminui, e fica $Q_c<K_c$. Enquanto o sistema caminha para o novo equilíbrio, o $\mathrm{HI}$ aumenta e os reagentes diminuem, e $Q_c$ vai crescendo até voltar a igualar $K_c$ em $t_2$. Em todo o intervalo entre $t_1$ e $t_2$, portanto, $Q_c$ é inferior a $K_c$.

Repara que as respostas b) e c) são a mesma ideia vista de dois lados: $Q_c<K_c$ é exatamente a condição em que a reação direta predomina. Sabendo uma, tens a outra.

c) → 3 (inferior).

d) — o quociente nos dois equilíbrios

Entre $t_2$ e $t_3$ as concentrações estão constantes: o sistema está de novo em equilíbrio, e o quociente $\frac{[\mathrm{HI}{]}^2}{[{\mathrm{H}}_2][{\mathrm{I}}_2]}$ calculado com elas é a constante de equilíbrio. Entre $t_0$ e $t_1$ a situação é a mesma: equilíbrio, e o quociente é a constante.

A constante de equilíbrio de uma reação só depende da temperatura, e o enunciado diz que a temperatura se manteve constante. Logo o quociente tem o mesmo valor nos dois intervalos — ainda que as concentrações individuais sejam diferentes (mais ${\mathrm{H}}_2$, menos ${\mathrm{I}}_2$, mais $\mathrm{HI}$ no segundo equilíbrio). As três concentrações mudaram de modo a que a razão volte ao mesmo número.

d) → 2 (igual).

Resposta: a) — 1; b) — 1; c) — 3; d) — 2.

o gráfico é coerente com a estequiometria

O gráfico não está à escala, mas a forma bate certo: entre $t_1$ e $t_2$, o ${\mathrm{H}}_2$ e o ${\mathrm{I}}_2$ descem enquanto o $\mathrm{HI}$ sobe, como mandam os coeficientes ($1{\mathrm{H}}_2:1{\mathrm{I}}_2:2\mathrm{HI}$ — as descidas dos reagentes são iguais entre si e a subida do produto é o dobro de cada uma). E o ${\mathrm{H}}_2$ acaba acima do nível de partida mas abaixo do pico: o sistema contraria a perturbação sem a anular. É o que Le Châtelier diz, e o gráfico mostra-o.

onde se perdem pontos

• Ler «a velocidade da reação direta é superior» e concluir que a inversa parou. Não parou; é menor. Esta confusão leva muitas vezes a hesitar entre «superior» e «igual» no espaço b).
• Trocar o sentido de $Q_c$ face a $K_c$. Quem pensa «adicionou-se reagente, portanto o quociente aumenta» esquece que os reagentes estão no denominador. Um reagente a mais baixa o quociente.
• Achar que a constante mudou porque as concentrações de equilíbrio mudaram. As concentrações do novo equilíbrio são outras, mas $K_c$ é o mesmo enquanto a temperatura não mudar: d) é «igual».
• Confundir a perturbação com a resposta do sistema. A descida do ${\mathrm{I}}_2$ e a subida do $\mathrm{HI}$ são consequências (graduais); a perturbação é o degrau. Quem escolhe «remoção de ${\mathrm{I}}_2$» ou «adição de $\mathrm{HI}$» leu a curva e não o salto.
• Deixar espaços em branco. Cada espaço certo pode subir de nível: duas certas já valem $4$ pontos, três valem $7$.
• Não indicar a versão da prova. A chave da Versão 2 é diferente; sem versão inequívoca, os itens de seleção valem zero.

a regra a fixar

Num gráfico concentração–tempo: degrau = perturbação externa (adição ou remoção dessa espécie); curva = resposta do sistema. Enquanto as linhas se mexem, compara $Q_c$ com $K_c$: $Q_c<K_c$ significa reação direta predominante, $Q_c>K_c$ reação inversa predominante. E nos troços horizontais o quociente é sempre $K_c$, que só muda se mudar a temperatura.