Equilibrio

Objetivo de Aprendizaje 7.1.A: Explicar la relación entre la ocurrencia de un proceso químico o físico reversible y el establecimiento del equilibrio, a partir de las observaciones experimentales.

• 7.1.A.1 Muchos procesos observables son reversibles. Ejemplos incluyen la evaporación y condensación del agua, la absorción y desorción de un gas, o la disolución y precipitación de una sal. Algunos procesos químicos reversibles importantes incluyen la transferencia de protones en reacciones ácido-base y la transferencia de electrones en reacciones redox.
• 7.1.A.2 Cuando se alcanza el equilibrio, no ocurren cambios observables en el sistema. Los reactivos y los productos están presentes simultáneamente, y las concentraciones o presiones parciales de todas las especies permanecen constantes.
• 7.1.A.3 El estado de equilibrio es dinámico. Los procesos directo e inverso continúan ocurriendo a tasas iguales, lo que resulta en ningún cambio neto observable.
• 7.1.A.4 Las gráficas de concentración, presión parcial o velocidad de reacción frente al tiempo para reacciones químicas simples pueden utilizarse para comprender el establecimiento del equilibrio químico.

Objetivo de aprendizaje 7.2.A: Explicar la relación entre la dirección en que transcurre una reacción reversible y las velocidades relativas de las reacciones directa e inversa.

• 7.2.A.1 Si la velocidad de la reacción directa es mayor que la de la reacción inversa, entonces hay una conversión neta de reactivos a productos. Si la velocidad de la reacción inversa es mayor que la de la reacción directa, entonces hay una conversión neta de productos a reactivos. Se alcanza un estado de equilibrio cuando estas velocidades son iguales.

Objetivo de aprendizaje 7.3.A: Representar el cociente de reacción $Q_c$ o $Q_p$, para una reacción reversible, y las expresiones de equilibrio correspondientes $K_c = Q_c$ o $K_p = Q_p$.

• 7.3.A.1 El cociente de reacción $Q_c$ describe las concentraciones relativas de las especies reaccionantes en cualquier momento. Para reacciones en fase gaseosa, el cociente de reacción también puede escribirse en términos de presiones parciales como $Q_p$. El cociente de reacción tiende hacia la constante de equilibrio de tal manera que, en el equilibrio, $K_c = Q_c$ y $K_p = Q_p$. Como ejemplo, para la reacción

  $$a\,\mathrm{A} + b\,\mathrm{B} \rightleftarrows c\,\mathrm{C} + d\,\mathrm{D}$$
  la ley de acción de masas indica que la expresión de equilibrio para $(K_c, Q_c)$ es
  • Ecuación: $K_c = \dfrac{[\mathrm{C}]^c [\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a [\mathrm{B}]^b}$

  y que para $(K_p, Q_p)$ es

  • Ecuación: $K_p = \dfrac{(P_\mathrm{C})^c (P_\mathrm{D})^d}{(P_\mathrm{A})^a (P_\mathrm{B})^b}$
  • Declaración de exclusión: No se evaluará en el examen AP la conversión entre $K_c$ y $K_p$. Los estudiantes deben conocer las diferencias conceptuales y prestar atención a si se utiliza $K_c$ o $K_p$ en una pregunta del examen.
  • Declaración de exclusión: No se evaluarán en el examen AP los cálculos de equilibrio en sistemas donde una especie disuelta está en equilibrio con esa misma especie en la fase gaseosa.

• 7.3.A.2 El cociente de reacción no incluye sustancias cuyas concentraciones (o presiones parciales) son independientes de la cantidad, como ocurre con los sólidos y los líquidos puros.

Objetivo de Aprendizaje 7.4.A: Calcular $K_c$ o $K_p$ a partir de observaciones experimentales de concentraciones o presiones en el equilibrio.

• 7.4.A.1 Las constantes de equilibrio pueden determinarse mediante mediciones experimentales de las concentraciones o presiones parciales de los reactivos y productos en el equilibrio.

Objetivo de aprendizaje 7.5.A: Explicar la relación entre valores muy grandes o muy pequeños de $K$ y las concentraciones relativas de las especies químicas en el equilibrio.

• 7.5.A.1 Algunas reacciones de equilibrio tienen valores muy grandes de $K$ y proceden esencialmente hasta su terminación. Otras tienen valores muy pequeños de $K$ y apenas proceden en absoluto.

Objetivo de Aprendizaje 7.6.A: Representar un proceso en múltiples etapas con una expresión de equilibrio global, utilizando las expresiones constitutivas $K$ para cada reacción individual.

• 7.6.A.1 Cuando se invierte una reacción, $K$ se invierte.
• 7.6.A.2 Cuando los coeficientes estequiométricos de una reacción se multiplican por un factor $c$, $K$ se eleva a la potencia $c$.
• 7.6.A.3 Cuando se suman reacciones, la $K$ de la reacción global resultante es el producto de las $K$ de las reacciones que se sumaron.
• 7.6.A.4 Dado que las expresiones para $K$ y $Q$ tienen formas matemáticas idénticas, todas las manipulaciones algebraicas válidas de $K$ también se aplican a $Q$.

Objetivo de aprendizaje 7.7.A: Identificar las concentraciones o presiones parciales de las especies químicas en el equilibrio a partir de las condiciones iniciales y la constante de equilibrio.

• 7.7.A.1 Las concentraciones o presiones parciales de las especies en el equilibrio pueden predecirse dados la reacción balanceada, las concentraciones iniciales y la correspondiente $K$.
• 7.7.A.2 Cuando $Q < K$, la reacción procederá con un consumo neto de reactivos y generación de productos. Cuando $Q > K$, la reacción procederá con un consumo neto de productos y generación de reactivos. Cuando $Q = K$, el sistema se encuentra en equilibrio dinámico; tanto la reacción directa como la inversa proceden a la misma velocidad, y la proporción de reactivos y productos permanece constante.

Objetivo de Aprendizaje 7.8.A: Representar un sistema que experimenta una reacción reversible mediante un modelo particulado.

• 7.8.A.1 Las representaciones particuladas pueden utilizarse para describir los números relativos de partículas de reactivo y producto presentes antes y en el equilibrio, así como el valor de la constante de equilibrio.

Objetivo de aprendizaje 7.9.A: Identificar la respuesta de un sistema en equilibrio ante una perturbación externa, utilizando el principio de Le Châtelier.

• 7.9.A.1 El principio de Le Châtelier puede utilizarse para predecir la respuesta de un sistema ante perturbaciones tales como la adición o extracción de una especie química, el cambio de temperatura, el cambio de volumen/pressione en un sistema en fase gaseosa, o la dilución del sistema de reacción.
• 7.9.A.2 El principio de Le Châtelier puede utilizarse para predecir el efecto que tendrá una perturbación sobre propiedades medibles experimentalmente, como el pH, la temperatura y el color de una solución.

Objetivo de Aprendizaje 7.10.A: Explicar las relaciones entre $Q$, $K$ y la dirección en que procederá una reacción reversible para alcanzar el equilibrio.

• 7.10.A.1 Una perturbación en un sistema en equilibrio provoca que $Q$ difiera de $K$, sacando así al sistema del equilibrio. El sistema responde llevando $Q$ nuevamente a la concordancia con $K$, estableciendo así un nuevo estado de equilibrio.
• 7.10.A.2 Algunas perturbaciones, como los cambios en la concentración, provocan únicamente un cambio en $Q$. Un cambio en la temperatura provoca un cambio en $K$. En ambos casos, las concentraciones o presiones parciales de las especies se redistribuyen para igualar nuevamente $Q$ y $K$.

Objetivo de aprendizaje 7.11.A: Calcular la solubilidad de una sal basándose en el valor de $K_{sp}$ para la sal.

• 7.11.A.1 La disolución de una sal es un proceso reversible cuya extensión puede describirse mediante $K_{sp}$, la constante del producto de solubilidad.
• 7.11.A.2 La solubilidad de una sustancia se puede calcular a partir del $K_{sp}$ para el proceso de disolución. Esta relación también se puede utilizar para predecir la solubilidad relativa de diferentes sustancias.
• 7.11.A.3 Las reglas de solubilidad (ver 4.7.A.5) se pueden relacionar cuantitativamente con $K_{sp}$, en las que los valores de $K_{sp}$ $>1$ corresponden a sales solubles.
• 7.11.A.4 La solubilidad molar de una o más especies en una solución saturada se puede utilizar para calcular el $K_{sp}$ de una sustancia.

Objetivo de aprendizaje 7.12.A: Identificar la solubilidad de una sal y/o el valor de $K_{sp}$ para la sal, en función de la concentración de un ion común ya presente en la solución.

• 7.12.A.1 La solubilidad de una sal se reduce cuando se disuelve en una solución que ya contiene uno de los iones presentes en la sal. El impacto de este "efecto del ion común" sobre la solubilidad puede entenderse cualitativamente mediante el principio de Le Châtelier o calcularse a partir del $K_{sp}$ para el proceso de disolución.