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Unidad 7: Equilibrio

Química AP · Unidad 7: Equilibrio

7.1 Introducción al equilibrio

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Pregunta esencial

¿Qué pasa en una reacción que parece haberse detenido?

A veces mezclamos sustancias, observamos un rato y de pronto parece que ya nada cambia. Al terminar esta lección, deberías poder explicar qué ocurre en realidad a nivel de partículas cuando pasa esto.

El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección de abajo.

Procesos reversibles

Hasta ahora, casi siempre vimos las reacciones como una calle de un solo sentido: los reactivos se convierten en productos y ya. Pero muchos procesos pueden ir en los dos sentidos. Se llaman procesos reversibles.

Un recipiente cerrado con agua líquida en el fondo y partículas de vapor de agua arriba. Una flecha azul hacia arriba tiene la etiqueta evaporation y una flecha roja hacia abajo tiene la etiqueta condensation. Pie de imagen: H2O(l) ⇌ H2O(g).

En un recipiente cerrado con agua, algunas moléculas del líquido escapan a la fase gaseosa (evaporación, el proceso directo). Al mismo tiempo, algunas moléculas del gas chocan con la superficie y se quedan pegadas (condensación, el proceso inverso). La flecha doble ⇌ nos dice que los dos sentidos ocurren a la vez.

Los procesos reversibles están por todas partes

  • Cambios físicos: evaporación ⇌ condensación, disolución ⇌ precipitación
  • Reacciones ácido-base: los iones H+ van y vienen
  • Reacciones redox: los electrones van y vienen

N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)

Vamos a usar mucho esta reacción en la unidad. El N2O4 es un gas incoloro que se descompone en NO2, de color café. Dos moléculas de NO2 también pueden volver a unirse. De izquierda a derecha es la reacción directa. De derecha a izquierda es la reacción inversa.

¿Qué es el equilibrio?

Una caja de reactivos y una caja de productos unidas por una flecha azul directa y una flecha roja inversa de la misma longitud. Pie de imagen: velocidades iguales.
  • El equilibrio es el estado en el que la velocidad directa es igual a la velocidad inversa.
  • Como las velocidades son iguales, las concentraciones se mantienen constantes.
  • Hay reactivos y productos al mismo tiempo. La reacción no gasta todos los reactivos.

Ojo: constante no significa igual. Las cantidades de reactivos y de productos casi siempre son distintas. Simplemente dejan de cambiar.

El equilibrio es dinámico

Dinámico quiere decir en movimiento. Aunque parezca que no cambia nada, las reacciones directa e inversa siguen ocurriendo una y otra vez.

El cuarto A y el cuarto B tienen 20 personas cada uno, con flechas que muestran personas que se mueven en los dos sentidos. Pie de imagen: 5 personas por minuto se mueven en cada sentido.

Imagina dos cuartos unidos por una puerta. Cada minuto, 5 personas pasan del cuarto A al cuarto B y 5 personas pasan del cuarto B al cuarto A. El número de personas en cada cuarto nunca cambia, pero la gente sí se está moviendo. Las moléculas hacen lo mismo en el equilibrio. Lo llamamos cambio neto nulo: mucha actividad, pero los totales se quedan igual.

Concentración contra tiempo

Concentración contra tiempo. El N2O4 empieza alto y baja, el NO2 empieza en cero y sube, y los dos se estabilizan a alturas distintas después de una línea punteada con la etiqueta equilibrium reached.
  • Empiezas solo con N2O4. Su concentración baja mientras sube la del NO2.
  • El NO2 sube más rápido de lo que baja el N2O4, porque cada N2O4 produce dos NO2.
  • Cuando las dos curvas se vuelven planas, se alcanzó el equilibrio. Las líneas planas están a alturas distintas: constantes, no iguales.

Velocidad contra tiempo

Velocidad de reacción contra tiempo. La velocidad directa empieza alta y baja, la velocidad inversa empieza en cero y sube, y se encuentran y se mantienen iguales después de una línea punteada con la etiqueta equilibrium reached.
  • La velocidad directa empieza alta y luego baja conforme se gastan los reactivos.
  • La velocidad inversa empieza en cero y luego aumenta conforme se acumulan los productos.
  • Donde se encuentran las dos velocidades, se establece el equilibrio. Después de eso, las dos reacciones siguen a la misma rapidez.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Ubicación del equilibrio en una gráfica

La gráfica muestra las concentraciones de un reactivo y de un producto en un matraz cerrado. ¿En qué punto, A, B o C, se alcanza el equilibrio por primera vez? Justifica tu respuesta.

Concentración contra tiempo de un reactivo que baja y un producto que sube, con los puntos A, B y C marcados en el eje del tiempo. Las curvas todavía cambian en A y acaban de volverse planas en B.
Mostrar la solución
  1. Recuerda cómo se ve el equilibrio: en una gráfica de concentración, las curvas son planas porque las concentraciones son constantes.
  2. Revisa el punto A: las dos curvas todavía tienen mucha pendiente. El reactivo baja y el producto sube, así que todavía no es equilibrio.
  3. Revisa el punto B: aquí las dos curvas acaban de volverse planas, el primer punto donde las concentraciones dejan de cambiar.
  4. Revisa el punto C: también está en equilibrio, pero la pregunta es dónde se alcanza el equilibrio por primera vez.
  5. Respuesta: El punto B. Las concentraciones de las dos especies se vuelven constantes por primera vez en B, lo que significa que las velocidades directa e inversa se hicieron iguales.

Ejemplo 2: Corrección de una afirmación

Un estudiante dice: “En el equilibrio, la reacción se detuvo y la concentración de los reactivos es igual a la concentración de los productos.” Encuentra y corrige los dos errores.

Mostrar la solución
  1. Error 1: “la reacción se detuvo.” El equilibrio es dinámico.
  2. Corrección 1: las reacciones directa e inversa continúan a velocidades iguales, así que no hay cambio neto.
  3. Error 2: “[reactivos] = [productos].”
  4. Corrección 2: En el equilibrio, las reacciones no se han detenido; las velocidades directa e inversa son iguales. Las concentraciones son constantes, pero no necesariamente iguales. Recuerda que las líneas planas de la gráfica estaban a alturas distintas.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Muchos procesos son reversibles: pueden ir en los dos sentidos.
  • En el equilibrio, la velocidad directa es igual a la velocidad inversa.
  • En el equilibrio, las concentraciones son constantes, pero no iguales.
  • El equilibrio es dinámico. Las dos reacciones siguen ocurriendo.

De vuelta a la pregunta esencial: la reacción en realidad no se ha detenido. Las reacciones directa e inversa ocurren a la misma velocidad, así que no vemos ningún cambio. A continuación, el Tema 7.2 Dirección de las reacciones reversibles, donde usamos esas velocidades para saber hacia dónde va una reacción.

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Alineación con AP

Esta lección cubre el Tema 7.1, Introducción al equilibrio, de la Unidad 7 (Equilibrio) de la Descripción del curso y del examen (CED, por sus siglas en inglés) de AP Chemistry del College Board. Objetivo de aprendizaje:

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

Conocimiento esencial: 7.1.A.1, 7.1.A.2, 7.1.A.3, 7.1.A.4

Habilidad sugerida: 6.D Argumentación. Dar razones que justifiquen una afirmación usando principios o leyes químicas, o una justificación matemática.

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