La meraviglia nasce dal desiderio di conoscenza. S. A.

L’EQUILIBRIO CHIMICO

H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) Col trascorrere del tempo la concentrazione dei reagenti diminuisce e,se il sistema è chiuso, quella dei prodotti aumenta

Da questo momento in poi Il sistema raggiunge l’equi= librio Col passare del tempo la concentrazione dei reagenti e, di conseguenza, la V1 diminuiscono mentre la concentrazione del prodotto e la V2 aumentano. All’equilibrio V1 = V2 , le due reazioni continuano ad avvenire con la stessa velocità

L’equilibrio chimico è un equilibrio dinamico, in ogni istante un certo n° di molecole si trasformano in prodotti attraverso la reazione diretta, ma contemporaneamente lo stesso n° di molecole si riforma dalla reazione inversa. L’immagine illustra questo concetto: la barca rimane a galla se, mediamente, il marinaio butta in mare la stessa quantità di acqua che imbarca.

2NO2 N2O4 N2O4 2NO2 Qualunque sia la sostanza di partenza, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, ad equilibrio raggiunto la concentrazione di N2O4 e quella di NO2 non cambia, come si osserva dai grafici.

Da notare che le concentrazioni all’equilibrio non subiscono modifiche, qualunque sia la quantità di sostanza da cui partiamo, e questo perché la concentrazione è una grandezza intensiva/estensiva.

La costante d’equilibrio e la legge dell’azione di massa

Deduzione sperimentale della legge dell’azione di massa

H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) a 723 K Prova [ H2] [ I2 ] [ HI ] 1a 1,00 0,221 1,548 2a 2,00 0,066 1,066 1,868 3a 4a 0,433 3,134 5a 10,00 15,00 1,094 6,094 17,812 Concentraz. iniziale Concentraz. d’eqili.

Proviamo a trovare, se esiste, qualche relazione tra la concentrazione del prodotto e quelle dei reagenti all’equilibrio. Cominciamo col rapporto semplice: R = [ HI ] [ H2 ]•[ I2 ] Sostituendo alle concentrazioni i rispettivi valori otteniamo:

1a prova R = 31,69 2a prova R = 26,55 3a prova 4a prova R = 16,71 5a prova R = 2,67

I calcoli ci dicono che per esso non esiste nessuna regolarità. Se adesso proviamo col rapporto: in cui la concentrazione di HI è stata elevata al suo coefficiente stechiometrico e rifacciamo i calcoli per le concentrazioni d’equilibrio troviamo R = [ HI ]2 [ H2 ]•[ I2 ]

1a prova R = 49,1 2a prova R = 49,6 3a prova 4a prova R = 52,4 5a prova R = 47,6 R medio = 49,7

In generale si dimostra valida la seguente legge dell’azione di massa. Essa afferma che: “a temperatura costante, il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni molari dei prodotti della reazione, elevate ciascuna al proprio coefficiente stechiometrico, e il prodotto della concentrazione dei reagenti, elevate anch’esse al proprio coefficiente stechiometrico, è costante”

Equilibri eterogenei Sono equilibri in cui le sostanze reagenti o prodotte sono presenti in due fasi diverse; es: 2C(s) + O2(g) 2CO2(g) La concentrazione degli atomi di carbonio all’interno del solido,

considerato come caso particolare di soluzione in cui la sostanza pura è contemporaneamente il soluto e il solvente, è costante moli C = costante volume di C e tale rimane durante la reazione; pertanto il termine [ C ] non viene rappresentato nell’espressione della Keq.

Le stesse considerazioni rimangono valide se la reazione avviene in soluzione e vi prende parte un solido puro; es Ag2O(s) + 2HNO3(aq) 2AgNO3 + H2O “Nel formulare l’espressione delle costanti d’equilibrio si ignorano i solidi puri”

C2H5OH(l) + O2 (g) CO2 (g) + H2O (g) Keq = ? “Nel formulare l’espressione delle costanti d’equilibrio si ignorano i liquidi puri”

CuSO4(s) Cu2+(aq) + SO42-(aq) Keq =

Contributo del solvente: Consideriamo la reazione in soluzione acquosa diluita: HCOOH + H2O HCOO- + H3O+ La concentrazione dell’acqua rispetto a quella dell’acido formico è grande e non viene modificata in modo apprezzabile dalla reazione stessa.

L’applicazione delle costanti d’equilibrio Kc = 0,01 Kc = 1 Kc = 100 Il valore di K ci informa del grado di

avanzamento della reazione, per valori di K ~ 103 l’equilibrio favorisce fortemente i prodotti, per valori di K ~ 10-3 sono favoriti fortemente i reagenti, mentre per valori di K intermedi l’equilibrio non favorisce fortemente né i reagenti né i prodotti.

Quoziente di reazione Si calcola con una espressione identica alla Keq ma con le concentrazioni presenti in un momento qualunque della reazione. All’equilibrio Q = Keq. Q serve a capire, in quale senso sta procedendo la reazione nel momento in cui viene calcolato.

Quoziente di reazione La reazione La reazione forma forma i prodotti. Q = prodotti reagenti K K Q K Q La reazione forma i prodotti. La reazione forma i reagenti.

A2 (g) + B2 (g) 2AB (g) Sta avvenendo la reazione….. Sta avvenendo

La risposta dell’equilibrio al cambiamento delle condizioni

Principio di Le Chatelier “Sollecitando un sistema in equilibrio dinamico, l’equilibrio tende a modificarsi rendendo minimo l’effetto della sollecitazione”

4NH3 (g) + 5O2 (g) 4NO(g) + 6H2O(g) + Q

Effetto della pressione N2 + 3 H2 2 NH3 H Molecole di H2 12 comprimendo 9 Molecole di N2 4 3 Molecole di NH3 2 4 Totale 18 decomprimendo 16 N