Equilibrio chimico
L'equilibrio chimico è la condizione dipendente dalla temperatura in cui le concentrazioni delle specie chimiche presenti in un sistema variano in modo costante nel tempo, questo avviene quando una reazione chimica procede con la stessa velocità della reazione inversa, cioè quando la velocità di formazione dei prodotti eguaglia la velocità di reazione dei reagenti. Come si intuisce dalla definizione, si tratta di un equilibrio dinamico (non statico). A rigore tutte le reazioni chimiche andrebbero considerate di equilibrio, ma nella pratica comune quelle in cui le concentrazioni di reagenti sono irrisorie vengono tranquillamente considerate non di equilibrio (sono dette reazioni a completamento).
Introduzione
La reazione generica che definisce l'equilibrio chimico, definita da Claude Louis Bertholle, è:
Dove le lettere minuscole indicano il coefficiente stechiometrico, ovvero la quantità di moli, le lettere maiuscole A e B i reagenti mentre C e D i prodotti, le frecce indicano lo stato in equilibrio, tanto più la reazione è spostata a destra (verso i prodotti) tanto più i reagenti si trasformano facilmente in prodotti, il contrario avviene quando la reazione è spostata a sinistra.
Guldberg e Waage espressero per la prima volta la legge di azione di massa in cui posta una costante K esprime la velocità di una reazione:
![{\displaystyle {\frac {d[C]}{dt}}=k_{AB}\times [A]^{a}\times [B]^{b}-k_{CD}\times [C]^{c}\times [D]^{d}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c54a26fabf40239900c01d4297192e919a6f0d44)
Da cui si ricava:
![{\displaystyle K={\frac {[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a7f5adcc9507d189d2ec86ab197e81c0376d2845)
K indica quindi il rapporto fra le concentrazioni fra prodotti e reagenti ed è chiamata costante di equilibrio. Rappresenta una costante in condizioni di temperatura costante.
L'equilibrio chimico è un equilibrio dinamico nel senso che l'equilibrio viene ottenuto dal momento che prodotti e reagenti hanno la stessa velocità di formazione annullando quindi i cambiamenti, una delle dimostrazioni sperimentali dell'equilibrio è ottenuta aggiungendo un sale normale ad una soluzione satura dello stesso sale, però radioattivo: apparentemente il sale aggiunto non si scioglie, ma filtrandolo dopo un certo tempo, si osserva che questi ha acquisito parte della radioattività inizialmente presente nella sola soluzione.
L'equilibrio mobile
Il Principio di Le Châtelier afferma che ogni sistema tende a reagire ad una modifica impostagli dall'esterno minimizzandone gli effetti, questo significa che se l'equilibrio viene perturbato questo si sposterà verso prodotti o reagenti in modo da opporsi al cambiamento.
I fattori che possono perturbare l'equilibrio sono:
- Variazione della concentrazione di reagenti o prodotti
- Variazione delle pressioni parziali dei gas
- Variazione della temperatura
- Aggiunta di gas inerti
variazione delle concentrazioni
La modificazione dei rapporti fra le concentrazioni delle specie chimiche presenti in una reazione modificherà il verso della reazione in modo da annullare il cambiamento; quindi se, per esempio, viene aggiunto alla reazione un prodotto di questa, la reazione modificherà il suo equilibrio in modo da favorire i reagenti.
| Reagenti |
| * Se aumentano saranno favoriti i prodotti |
| * Se diminuiscono saranno favoriti |
| Prodotti |
| * Se aumentano saranno favoriti i reagenti |
| * Se diminuiscono saranno favoriti |
La costante di equilibrio (K)
Variazioni della costante di equilibrio
La costante di equilibrio espressa in termini di concentrazioni è una costante a temperatura costante. Variando la temperatura varia la costante in base alla tonalità termica legata al fatto che la reazione sia un processo esotermico o endotermico.
| endotermico | esotermico | |
|---|---|---|
| dT>0 | dK>0 | dK<0 |
| dT<0 | dK<0 | dk>0 |
usi della costante di equilibrio
La costante di equilibrio ha interessanti usi:
- qualitativo:
| Se K >> 1 allora saranno favoriti i prodotti |
| Se K ~ 1 allora né i reagenti né i prodotti saranno favoriti |
| Se K << 1 allora i reagenti saranno favoriti |
Leggere << e >> rispettivamente molto minore e molto maggiore
- Previsione della concentrazione in equilibrio
Conoscendo il valore K, la concentrazione iniziale dei reagenti e la temperatura si può prevedere la concentrazione all'equilibrio.
- Prevedere la direzione di una reazione
Impostando un valore Q, quoziente di reazione, di cui si parlerà in seguito, è possibile sapere, confrontandolo con la costante di equilibrio K, il verso che prenderà la reazione:
| se Q < k allora i reagenti sono più di quanto sono necessari all'equilibrio, la reazione tende a spostarsi verso destra |
| se Q > K allora saranno i prodotti in eccedenza, quindi la reazione si sposterà a sinistra. |
| se Q = K allora i prodotti e i reagenti sono in equilibrio. |
- Prevedere la distanza dallo stato di equilibrio
