Equilíbrio

Objetivo de Aprendizagem 7.1.A: Explicar a relação entre a ocorrência de um processo químico ou físico reversível e o estabelecimento do equilíbrio, às observações experimentais.

• 7.1.A.1 Muitos processos observáveis são reversíveis. Exemplos incluem evaporação e condensação da água, absorção e dessorção de um gás, ou dissolução e precipitação de um sal. Alguns processos químicos reversíveis importantes incluem a transferência de prótons em reações ácido-base e a transferência de elétrons em reações redox.
• 7.1.A.2 Quando o equilíbrio é atingido, nenhuma mudança observável ocorre no sistema. Reagentes e produtos estão simultaneamente presentes, e as concentrações ou pressões parciais de todas as espécies permanecem constantes.
• 7.1.A.3 O estado de equilíbrio é dinâmico. Os processos direto e inverso continuam ocorrendo em taxas iguais, resultando em nenhuma mudança observável líquida.
• 7.1.A.4 Gráficos de concentração, pressão parcial ou taxa de reação versus tempo para reações químicas simples podem ser usados para entender o estabelecimento do equilíbrio químico.

Objetivo de Aprendizagem 7.2.A: Explicar a relação entre a direção em que uma reação reversível prossegue e as taxas relativas das reações direta e inversa.

• 7.2.A.1 Se a taxa da reação direta for maior que a da reação inversa, haverá uma conversão líquida de reagentes em produtos. Se a taxa da reação inversa for maior que a da reação direta, haverá uma conversão líquida de produtos em reagentes. Um estado de equilíbrio é atingido quando essas taxas são iguais.

Objetivo de Aprendizagem 7.3.A: Representar o quociente de reação $Q_c$ ou $Q_p$, para uma reação reversível, e as expressões de equilíbrio correspondentes $K_c = Q_c$ ou $K_p = Q_p$.

• 7.3.A.1 O quociente de reação $Q_c$ descreve as concentrações relativas das espécies da reação em qualquer momento. Para reações em fase gasosa, o quociente de reação pode ser escrito em termos de pressões parciais como $Q_p$. O quociente de reação tende à constante de equilíbrio de modo que, no equilíbrio $K_c = Q_c$ e $K_p = Q_p$. Como exemplos, para a reação

  $$a\,\mathrm{A} + b\,\mathrm{B} \rightleftarrows c\,\mathrm{C} + d\,\mathrm{D}$$
  a lei das massas indica que a expressão de equilíbrio para $(K_c, Q_c)$ é
  • Equação: $K_c = \dfrac{[\mathrm{C}]^c [\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a [\mathrm{B}]^b}$

  e que para $(K_p, Q_p)$ é

  • Equação: $K_p = \dfrac{(P_\mathrm{C})^c (P_\mathrm{D})^d}{(P_\mathrm{A})^a (P_\mathrm{B})^b}$
  • Declaração de exclusão: A conversão entre $K_c$ e $K_p$ não será avaliada no Exame AP. Os alunos devem estar cientes das diferenças conceituais e prestar atenção a se $K_c$ ou $K_p$ é usado em uma questão de exame.
  • Declaração de Exclusão: Cálculos de equilíbrio em sistemas onde uma espécie dissolvida está em equilíbrio com aquela espécie na fase gasosa não serão avaliados no Exame AP.

• 7.3.A.2 O quociente de reação não inclui substâncias cujas concentrações (ou pressões parciais) são independentes da quantidade, como sólidos e líquidos puros.

Objetivo de Aprendizagem 7.4.A: Calcular $K_c$ ou $K_p$ com base em observações experimentais de concentrações ou pressões no equilíbrio.

• 7.4.A.1 As constantes de equilíbrio podem ser determinadas a partir de medições experimentais das concentrações ou pressões parciais dos reagentes e produtos no equilíbrio.

Objetivo de Aprendizagem 7.5.A: Explicar a relação entre valores muito grandes ou muito pequenos de $K$ e as concentrações relativas das espécies químicas no equilíbrio.

• 7.5.A.1 Algumas reações de equilíbrio têm valores muito grandes de $K$ e prosseguem essencialmente até a conclusão. Outras têm valores muito pequenos de $K$ e mal prosseguem de tudo.

Objetivo de Aprendizagem 7.6.A: Representar um processo multietapas com uma expressão de equilíbrio geral, usando as expressões constituintes $K$ para cada reação individual.

• 7.6.A.1 Quando uma reação é invertida, $K$ é invertido.
• 7.6.A.2 Quando os coeficientes estequiométricos de uma reação são multiplicados por um fator $c$, $K$ é elevado à potência $c$.
• 7.6.A.3 Quando reações são somadas, a $K$ da reação geral resultante é o produto das $K$'s das reações que foram somadas.
• 7.6.A.4 Como as expressões para $K$ e $Q$ possuem formas matemáticas idênticas, todas as manipulações algébricas válidas de $K$ também se aplicam a $Q$.

Objetivo de Aprendizagem 7.7.A: Identificar as concentrações ou pressões parciais de espécies químicas no equilíbrio com base nas condições iniciais e na constante de equilíbrio.

• 7.7.A.1 As concentrações ou pressões parciais das espécies no equilíbrio podem ser previstas dada a reação balanceada, as concentrações iniciais e a $K$ apropriada.
• 7.7.A.2 Quando $Q < K$, a reação ocorrerá com consumo líquido de reagentes e geração de produtos. Quando $Q > K$, a reação ocorrerá com consumo líquido de produtos e geração de reagentes. Quando $Q = K$, o sistema está em equilíbrio dinâmico; tanto as reações direta quanto reversa ocorrem à mesma velocidade, e a proporção de reagentes e produtos permanece constante.

Objetivo de Aprendizagem 7.8.A: Representar um sistema que sofre uma reação reversível usando um modelo particulado.

• 7.8.A.1 Representações particuladas podem ser usadas para descrever os números relativos de partículas de reagentes e produtos presentes antes e no equilíbrio, bem como o valor da constante de equilíbrio.

Objetivo de Aprendizagem 7.9.A: Identificar a resposta de um sistema em equilíbrio a uma perturbação externa, usando o princípio de Le Châtelier.

• 7.9.A.1 O princípio de Le Châtelier pode ser usado para prever a resposta de um sistema a perturbações, como adição ou remoção de uma espécie química, mudança na temperatura, mudança no volume/pressão de um sistema gasoso ou diluição de um sistema reacional.
• 7.9.A.2 O princípio de Le Châtelier pode ser usado para prever o efeito que uma perturbação terá sobre propriedades mensuráveis experimentalmente, como pH, temperatura e cor de uma solução.

Objetivo de Aprendizagem 7.10.A: Explicar as relações entre $Q$, $K$ e a direção em que uma reação reversível prosseguirá para atingir o equilíbrio.

• 7.10.A.1 Uma perturbação em um sistema em equilíbrio causa $Q$ diferir de $K$, tirando assim o sistema do equilíbrio. O sistema responde trazendo $Q$ de volta ao acordo com $K$, estabelecendo assim um novo estado de equilíbrio.
• 7.10.A.2 Algumas tensões, como mudanças na concentração, causam apenas uma mudança em $Q$. Uma mudança na temperatura causa uma mudança em $K$. Em qualquer caso, as concentrações ou pressões parciais das espécies se redistribuem para trazer $Q$ e $K$ de volta à igualdade.

Objetivo de Aprendizagem 7.11.A: Calcular a solubilidade de um sal com base no valor de $K_{sp}$ para o sal.

• 7.11.A.1 A dissolução de um sal é um processo reversível cuja extensão pode ser descrita por $K_{sp}$, a constante do produto de solubilidade.
• 7.11.A.2 A solubilidade de uma substância pode ser calculada a partir de $K_{sp}$ para o processo de dissolução. Essa relação também pode ser usada para prever a solubilidade relativa de diferentes substâncias.
• 7.11.A.3 As regras de solubilidade (veja 4.7.A.5) podem ser relacionadas quantitativamente a $K_{sp}$, em que valores de $K_{sp}$ $>1$ correspondem a sais solúveis.
• 7.11.A.4 A solubilidade molar de uma ou mais espécies em uma solução saturada pode ser usada para calcular o $K_{sp}$ de uma substância.

Objetivo de Aprendizagem 7.12.A: Identificar a solubilidade de um sal, e/ou o valor de $K_{sp}$ para o sal, com base na concentração de um íon comum já presente na solução.

• 7.12.A.1 A solubilidade de um sal é reduzida quando ele é dissolvido em uma solução que já contém um dos íons presentes no sal. O impacto desse "efeito do íon comum" na solubilidade pode ser compreendido qualitativamente usando o princípio de Le Châtelier ou calculado a partir da $K_{sp}$ para o processo de dissolução.