Laboratório virtual de Le Chatelier: cores, Qc e Kc

Este laboratório virtual de Le Chatelier segue o laboratório de investigação guiada do AP Chemistry em que os alunos perturbam equilíbrios coloridos e explicam cada mudança de cor. Os alunos trabalham com dois tubos de ensaio. No primeiro, Fe³⁺ e SCN⁻ formam o FeSCN²⁺ vermelho-sangue; os alunos acrescentam reagentes, retiram um deles com um precipitado e diluem. No segundo, o [Co(H₂O)₆]²⁺ rosa e o [CoCl₄]²⁻ azul respondem ao aquecimento e ao resfriamento. Depois de cada mudança, a simulação mostra as concentrações e compara Qc com Kc. Os alunos saem com uma tabela de dados, uma regra para cada tipo de perturbação e evidências do sinal de ΔH.

Alinhamento com o currículo

• AP Chemistry, Unidade 7, tópicos 7.9 Introduction to Le Châtelier's Principle (TRA-8.A) e 7.10 Reaction Quotient and Le Châtelier's Principle (TRA-8.B), e o laboratório de investigação guiada do AP Chemistry sobre o princípio de Le Chatelier.
• NGSS HS-PS1-6 (padrão dos EUA): aperfeiçoar o projeto de um sistema químico mudando as condições para deslocar um equilíbrio.
• Também se encaixa nos temas de equilíbrio do IB Chemistry e do A-level Chemistry.

O Simulic não é afiliado ao College Board nem à AQA, nem endossado por eles.

Antes do laboratório (5 min)

Mostre o tubo vermelho de tiocianato de ferro no projetor e pergunte:

"Esta mistura vermelha está em equilíbrio: Fe³⁺ + SCN⁻ ⇌ FeSCN²⁺. Você acrescenta uma gota de nitrato de prata. O Ag⁺ retira SCN⁻ como um sólido branco. O que acontece com a cor vermelha?"

Muitos alunos dizem "nada, a prata não está na equação". Recolha os votos e siga em frente.

Método na simulação

Parte A: tiocianato de ferro (Fe³⁺ + SCN⁻ ⇌ FeSCN²⁺)

1. Abra a primeira aba. Mantenha os valores iniciais (Fe³⁺ 2,0 mM, SCN⁻ 1,5 mM). Espere cerca de 10 segundos, até o mostrador dizer que o sistema está em equilíbrio. Registre as três concentrações e a cor.
2. Clique em Adicionar Fe³⁺ uma vez. Observe o indicador: Qc cai abaixo de Kc e depois volta. Registre o novo equilíbrio.
3. Clique em Reiniciar, espere o equilíbrio e depois clique em Adicionar AgNO₃ uma vez. Registre.
4. Clique em Reiniciar, espere e depois clique em Adicionar água uma vez (5 mL). Registre. Calcule quanto seria [FeSCN²⁺] só pela diluição (× 10/15).

Parte B: cloreto de cobalto ([Co(H₂O)₆]²⁺ + 4Cl⁻ ⇌ [CoCl₄]²⁻ + 6H₂O)

5. Abra a segunda aba. Mantenha os valores iniciais (Cl⁻ 6 M, banho a 25 °C). Espere o equilíbrio e registre as duas concentrações de cobalto e Kc.
6. Mova Temperatura do banho para 60 °C. Espere o termômetro marcar 60 °C e Kc parar de mudar (cerca de 40 segundos). Registre.
7. Mova o banho para 0 °C e registre de novo quando Kc parar de mudar (até um minuto).

Perturbação	Cor depois	Qc vs. Kc logo após a perturbação	Sentido do deslocamento	Concentração-chave (mM)
Nenhuma (início)
+ Fe³⁺
+ AgNO₃
+ água
Banho 25 → 60 °C
Banho 60 → 0 °C

Resultados esperados

Todos os valores vêm da simulação com as configurações acima.

Etapa da Parte A	[Fe³⁺] (mM)	[SCN⁻] (mM)	[FeSCN²⁺] (mM)	Cor
Equilíbrio	1,710	1,210	0,290	vermelho-alaranjado
+ Fe³⁺	2,577	1,091	0,394	vermelho mais intenso
+ AgNO₃	1,791	0,796	0,199	mais claro, AgSCN branco
+ água	1,190	0,857	0,143	mais claro

Qc volta a Kc = 140 depois de cada perturbação. Só a diluição deixaria 0,193 mM de FeSCN²⁺. Os 0,143 mM medidos mostram um deslocamento para o lado com mais partículas dissolvidas.

Banho da Parte B	[Co(H₂O)₆]²⁺ (mM)	[CoCl₄]²⁻ (mM)	Kc	Cor
0 °C	48,0	2,0	3,16·10⁻⁵	rosa
25 °C	39,9	10,1	2,00·10⁻⁴	violeta
60 °C	16,8	33,2	1,66·10⁻³	azul

Acrescentar ou retirar uma substância muda Qc, mas nunca Kc. Só a temperatura muda Kc. O aquecimento aumenta Kc cerca de 8,3 vezes e deixa o tubo azul, então a reação direta é endotérmica.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) Você acrescenta AgNO₃ à mistura vermelha em equilíbrio. O que acontece com a cor vermelha?
2. Quais variáveis precisam ficar iguais entre as leituras do cobalto a 25 °C e a 60 °C?
3. Com os valores iniciais, quanto vale [FeSCN²⁺] no equilíbrio?
4. Por que fator o Kc do sistema do cobalto aumenta de 25 °C para 60 °C?
5. A reação direta do cobalto é exotérmica ou endotérmica? Explique usando a cor e Kc.

Respostas para o professor: (1) Fica mais clara: retirar SCN⁻ deixa Qc > Kc, então o FeSCN²⁺ se dissocia. (2) A quantidade de Cl⁻ e o volume: não acrescente HCl nem água entre as leituras. (3) 0,290 mM. (4) Cerca de 8,3 (1,66·10⁻³ ÷ 2,00·10⁻⁴; aceite 8,0–8,6). (5) Endotérmica: o aquecimento deixa o tubo azul e aumenta Kc, então o equilíbrio se desloca no sentido direto para absorver o calor fornecido.

Erros conceituais comuns

• "Acrescentar Fe³⁺ consome todo o Fe³⁺ extra." O deslocamento só contraria a mudança em parte: [Fe³⁺] ainda termina mais alto (2,577 contra 1,710 mM).
• "Kc muda quando você acrescenta um reagente." O indicador mostra Qc se movendo e Kc fixo em 140. Só a temperatura move Kc.
• "A diluição só deixa a cor mais fraca." Ela também desloca o equilíbrio, então a cor clareia mais do que o fator de diluição sozinho explicaria.

Extensão

• Confira Kc você mesmo: os alunos calculam Qc a partir das três leituras depois de cada perturbação, por exemplo 0,394 ÷ (2,577 × 1,091) × 1000 = 140 L/mol.
• Varie o início: defina outros valores iniciais de Fe³⁺ e SCN⁻ no link da turma. As concentrações de equilíbrio mudam, mas Qc se estabiliza em 140 todas as vezes.

Perguntas frequentes

Por que o equilíbrio leva vários segundos?

O tempo passa mais devagar para que os alunos possam ver o deslocamento. Num tubo de ensaio real, esses equilíbrios se estabelecem quase instantaneamente.

O Kc e o ΔH do cobalto são valores reais?

São valores ilustrativos escolhidos para reproduzir as cores observadas. O sentido de cada deslocamento está certo, mas não compare os números do cobalto com uma tabela de dados.

Ainda devo fazer o laboratório real?

Se puder, sim: as cores reais ficam na memória. O cloreto de cobalto(II) é uma substância perigosa, porém, então muitas escolas usam a simulação para a parte do cobalto e deixam os tubos de tiocianato de ferro para a bancada.

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