O que acontece quando o equilíbrio químico é alcançado por um sistema?

Equilíbrio químico

O equilíbrio químico é atingido quando, na mistura reacional, as velocidades das reações direta (reagentes formando produtos) e inversa (produtos formando regenerando os reagentes) ficam iguais.

Mas, em primeiro lugar, é importante entender que reação química é um processo onde reagentes se combinam e formam novas substâncias com propriedades diferentes. Algumas reações se processam totalmente, enquanto outras parecem parar antes de estarem completas. Isso tem a ver com a reversibilidade da reação. Em uma reação reversível os reagentes formam os produtos, mas os produtos reagem entre si e regeneram os reagentes. 
Por exemplo, a produção da amônia ocorrendo em recipiente fechado, sob pressão e temperatura constantes:
N$$$_{2(g)}$$$ + 3H$$$_{2(g)}$$$ $$$\iff$$$ 2NH$$$_{3(g)}$$$ 

O processo é dinâmico, ou seja, a reação ocorre nos dois sentidos. Consideremos a reação hipotética entre a mols de A e b mols de B, formando c mols de C e d mols de D:
aA + bB $$$\iff$$$ cC + dD

Inicialmente, observando uma determinada quantidade de A e B e concentrações de C e D nulas. No decorrer da reação, as concentrações de A e B diminuem e de C e D aumentam.  A velocidade da reação inversa, que é nula a princípio, cresce continuamente com o tempo. A velocidade da reação direta diminui e da inversa aumenta, até que atinjam a igualdade. Nesse momento as substâncias A e B se formam na mesma velocidade em que são consumidas. As concentrações de reagentes e produtos não mais se alteram. Este é o instante no qual a mistura reacional atingiu o equilíbrio.

No estado de equilíbrio, mesmo com o sistema aparentando estar parado, as reações diretas e inversas continuam a ocorrer, com velocidades iguais. Por isso as concentrações das substâncias permanecem constantes. Por exemplo, na reação de produção de amônia:

Constantes de equilíbrio

Constante de equilíbrio em termos de concentração (K$$$_c$$$)
A constante K$$$_c$$$ é denominada constante de equilíbrio em termos de concentração, e é uma grandeza com valor específico para uma dada reação e temperatura, independente das concentrações iniciais, volume do recipiente ou pressão.

A expressão da constante de equilíbrio obtém-se pela multiplicação das concentrações dos produtos, estando elevadas a potências iguais aos respectivos coeficientes da equação balanceada, dividindo-se esse produto pelo produto das concentrações dos reagentes, cada qual também elevada à potência igual ao respectivo coeficiente estequiométrico.

Para o equilíbrio hipotético:
aA + bB $$$\iff$$$ cC + dD 
Onde A, B, C e D representam reagentes e produtos e a, b, c e d os respectivos coeficientes estequiométricos. A expressão da constante de equilíbrio é:
K$$$_c$$$ = $$$\frac {[C]^c \cdot [D]^d} {[A]^a \cdot [B]^b}$$$

A concentração molar está simbolizada pela fórmula da substância entre colchetes. Exemplo: 
Para a reação de formação da amônia temos:
N$$$_{2(g)}$$$ + 3 H$$$_{2(g)}$$$ $$$\iff$$$ 2 NH$$$_{3(g)}$$$
K$$$_c$$$ = $$$\frac {[NH_3]^2} {[N_2] \cdot [H_2]^3}$$$ 
  
O fato de os produtos estarem no numerador e os reagentes no denominador, significa que quanto maior o valor do numerador, maior o valor do K$$$_c$$$ e maior tendência de formação dos produtos. Logo, quanto maior for o valor da constante K$$$_c$$$ , maior será o rendimento da reação, ou seja, haverá o favorecimento na formação de produtos e a concentração destes presentes no sistema será maior que a concentração dos reagentes. E quanto menor o valor do K$$$_c$$$, menor o rendimento da reação, isto é, maior a concentração de reagentes em relação aos produtos.
O equilíbrio químico pode ser homogêneo ou heterogêneo.
Equilíbrio homogêneo $$$\rightarrow$$$ reagentes e produtos constituem uma única fase.
Exemplo:
H$$$_{2(g)}$$$ + Cl$$$_{2(g)}$$$ $$$\iff$$$ 2 HCl$$$_{(g)}$$$
Equilíbrio heterogêneo $$$\rightarrow$$$ reagentes e produtos constituem mais de uma fase.
Exemplo:
Na$$$_2$$$CO$$$_{3(s)}$$$ $$$\iff$$$ Na$$$_2$$$O$$$_{(s)}$$$ + CO$$$_{2(g)}$$$
Na expressão de constante de equilíbrio não devem ser incluídas substâncias nos estados sólidos ou líquidos, pois suas concentrações molares são constantes. 
NH$$$_{3(aq)}$$$ + H$$$_2$$$O$$$_{(l)}$$$ $$$\iff$$$ NH$$$^+ _{4(aq)} $$$ + OH$$$^-_{(aq)}$$$ 

Constante de equilíbrio em termos de pressão parcial (K$$$_p$$$)
O K$$$_p$$$ é aplicável a equilíbrios homogêneos gasosos, ou equilíbrios heterogêneos, cuja constante de equilíbrio é função apenas do componente gasoso. Para o equilíbrio hipotético abaixo, sob V, P e T constantes, temos:
aA + bB $$$\iff$$$ cC + dD
K$$$_p$$$ = $$$\frac {(P_C)^c \cdot (P_D)^d} {(P_A)^a \cdot (P_B)^b}$$$ 

Onde:
K$$$_p$$$ = constante de equilíbrio em função das pressões parciais.
P$$$_A$$$= pressão parcial do reagente A em equilíbrio
P$$$_B$$$ = pressão parcial do reagente B no equilíbrio
P$$$_C$$$= pressão parcial do reagente C no equilíbrio
P$$$_D$$$ = pressão parcial do reagente D no equilíbrio

O K$$$_p$$$ tem valor constante para uma dada temperatura, independente das pressões parciais iniciais, volume do recipiente ou pressão. Na$$$_2$$$CO$$$_{3(s)}$$$ $$$\iff$$$ Na$$$_2$$$O$$$_{(s)}$$$ + CO$$$_{2(g)}$$$
K$$$_p$$$ = (P$$$_{CO^2}$$$)

Relação entre K$$$_p$$$ e K$$$_c$$$ 
$$$K_p = K_c (RT)^{Δn}$$$ 

Onde:
R é a constante universal dos gases (se P é em atm e V em L, R = 0,082 atm.L.mol$$$^{-1}$$$ .K$$$^{-1}$$$);
T é a temperatura absoluta (kelvin); 
Δn é a diferença entre a soma dos coeficientes estequiométricos dos produtos e a soma dos coeficientes estequiométricos dos reagentes.
Exemplo:
2 H$$$_{2(g)}$$$ + O$$$_{2(g)}$$$ $$$\iff$$$ 2 H$$$_2$$$O$$$_{(g)}$$$
Se o K$$$_c$$$ = 3,3 . 10$$$^{81}$$$ e T = 25°C, o K$$$_p$$$ valerá:
K$$$_p$$$ = 3,3 . 10$$$^{81}$$$ . (0,082 . 298)$$$^{-1}$$$
K$$$_p$$$ = $$$\frac {(3,3 \cdot 10^{81})} {0,082 \cdot 298}$$$ / ( 0,082 .298)
K$$$_p$$$ = 1,4 . 10$$$^{80}$$$ 

Exercício

(PUC-RJ 2008) Reações químicas dependem de energia e colisões eficazes que ocorrem entre as moléculas dos reagentes. Em sistema fechado, é de se esperar que o mesmo ocorra entre as moléculas dos produtos em menor ou maior grau até que se atinja o chamado “equilíbrio químico”.

O valor da constante de equilíbrio em função das concentrações das espécies no equilíbrio, em quantidade de matéria, é um dado importante para se avaliar a extensão (rendimento) da reação quando as concentrações não se alteram mais.

Considere a tabela com as quantidades de reagentes e produtos no início e no equilíbrio, na temperatura de 100°C, para a seguinte reação:

A constante de equilíbrio tem o seguinte valor:
a) 0,13
b) 0,27
c) 0,50
d) 1,8
e) 3,0

Gabarito
Letra B. A constante de equilíbrio em função das concentrações (K$$$_c$$$) não depende das concentrações iniciais, logo:
K$$$_c$$$ = $$$\frac {(0,09)^2} {0,03}$$$ 
K$$$_c$$$ = 0,27