L’Equilibrio chimico Esame di Didattica della Chimica Anno Accademico 2011-2012 TFA – classe A060 Alfonsi Maria Luciani Stefania Marchetti Francesca Martino Raffaella Rotilio Raffaella

L’Equilibrio chimico A B C D A B C D REAZIONE COMPLETA A B C D REAZIONE REVERSIBILE Una reazione chimica tra i reagenti A e B avviene in modo completo quando al termine della reazione non vi è più traccia dei reagenti A e B poiché si sono trasformati completamente nei prodotti C e D. Tali reazioni si scrivono con un'unica freccia che va dai reagenti verso i prodotti. Alcune reazioni chimiche non comportano la completa trasformazione dei reagenti in prodotti ma, man mano che i prodotti si formano, questi reagiscono tra loro per formare nuovamente i reagenti. La doppia freccia indica una reazione reversibile in quanto avviene contemporaneamente nelle due direzioni, nel senso che anche i prodotti C e D possono reagire tra loro per ridare i reagenti A e B. Contemporaneamente, però, i prodotti C e D inizieranno a reagire per formare nuovamente i reagenti A e B (reazione inversa). La velocità di questa reazione sarà inizialmente nulla per poi man mano aumentare all'aumentare della concentrazione di C e D. Le concentrazioni di A e B tenderanno quindi a diminuire col tempo, mentre le concentrazioni di C e D tenderanno ad aumentare. Dopo un tempo le concentrazioni di A, B, C e D raggiungeranno un valore costante, in quanto è stato raggiunto l'equilibrio chimico. La velocità di una reazione dipende dalla concentrazione dei reagenti, la velocità con cui A e B reagiscono sarà inizialmente massima per poi diminuire man mano che si formano i prodotti C e D

Andamento, in funzione del tempo, della concentrazione dei reagenti e della concentrazione dei prodotti di una reazione reversibile Questo tuttavia non significa che la reazione abbia subito un arresto, ma solo che la reazione diretta e la reazione inversa avvengono contemporaneamente e alla stessa velocità

                                                                                                  Andamento, in funzione del tempo, della velocità diretta Vd e della velocità inversa Vi di una reazione reversibile

Cosa succede se cambia la concentrazione? ..definiamo la costante di equilibrio aA bB cC dD Keq [A]a [B]b [C]c [D]d Cosa succede se cambia la concentrazione? A B C D A B C D

Cosa succede se cambia la temperatura? q q eso A A B C D B C D endo A B C D eso A B C D q q endo

… quanto è complicato l’equilibrio chimico! La prof. parla e io non capisco niente!

concepire l’equilibrio chimico come un qualcosa che oscilla da una posizione ad un'altra Alcune tipiche concezioni difformi, molto diffuse tra gli studenti, sono: Concetti di difficile comprensione: 1) l’incompletezza delle reazioni chimiche, 2) la reversibilità delle reazioni chimiche, 3) la natura dinamica dell’equilibrio, 4) gli effetti di perturbazioni esterne sullo stato di equilibrio. considerare che all’equilibrio di un sistema chimico le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti abbiano lo stesso valore

2 strategie Correzione misconcezioni Esperienza di laboratorio Analogia con il gioco delle carte

… andiamo in laboratorio Materiali occorrenti una provetta da saggio, porta provette, spruzzetta con acqua distillata, cilindro da 10 ml, carta da filtro e phon. Reagenti cobalto dicloruro esaidrato CoCl2∙6H2O, HCl concentrato, acqua distillata, 2 becher da un litro, uno con acqua calda (70-80 °C) ed uno con acqua fredda.

Obiettivo dell’esperienza Reazione chimica Obiettivo dell’esperienza Osservare e comprendere la reversibilità di una reazione all’equilibrio

[ CoCl4]2- + H2O distillata [Co(H2O)6]2+ [Co(H2O)6]2+ + HCl [ CoCl4]2- Metodica Si solubilizza con 3 gocce di acido cloridrico concentrato 0,100 g di cobalto cloruro esaidrato CoCl2∙6H2O. Si ottiene una soluzione blu. Alla soluzione blu si aggiunge poi goccia a goccia acqua distillata, fino ad osservare la variazione del colore da blu a viola e poi a rosa (cioè verso una maggiore concentrazione di [Co(H2O)6]2+). E’ possibile far retrocedere l’equilibrio aggiungendo di nuovo acido cloridrico goccia a goccia fino a colorazione blu persistente (cioè corrispondente ad una maggiore concentrazione di [CoCl4]2-). Si aggiunge di nuovo acqua goccia a goccia fino a colorazione rosa della soluzione, a questo punto è possibile valutare l’effetto della variazione di temperatura sull’equilibrio chimico. Soluzione blu [ CoCl4]2- + H2O distillata [Co(H2O)6]2+ Soluzione rosa [Co(H2O)6]2+ Soluzione rosa + HCl Soluzione blu [ CoCl4]2-

Effetto della temperatura Se immergiamo la provetta con la soluzione rosa nel becher contenente acqua calda, si osserverà il viraggio verso la colorazione blu (maggiore concentrazione di [CoCl4]2-). Raffreddando si può di nuovo tornare alla condizione originaria (colore rosa, cioè aumento della concentrazione di [Co(H2O)6]2+).

Curiosità Utilizzare la soluzione rosa come un inchiostro, per scrivere il proprio nome su un pezzetto di carta da filtro e lasciare asciugare. La scritta risulterà pressoché invisibile, ma scaldando con un phon si osserva la comparsa della scritta con colorazione blu. Raffreddando, la scritta tornerà a scomparire ma potrà essere rigenerata ogni volta semplicemente riscaldando la carta.

Analogia con il gioco delle carte Ciascun gruppo possiede una tabella dove indica il numero di carte possedute prima e dopo il trasferimento e il numero di carte trasferite Studenti divisi in due gruppi: P e R la regola di trasferimento è la costante cinetica Il gioco consiste nel trasferimento di un certo numero di carte che simula la reversibilità di una reazione Il numero di carte possedute da ciascun gruppo corrisponde alla concentrazione Gli studenti vengono divisi in piccoli gruppi di 4 o 6 persone ed ogni gruppo viene ulteriormente suddiviso in una squadra dei reagenti (R) e una squadra dei prodotti (P). Ogni squadra ha a disposizione una matita, un foglio di carta e la tabella 1 fornita dall’insegnante. Il numero di carte trasferite equivale alla velocità di reazione È possibile realizzare 5 attività per spiegare l’equilibrio dinamico e i fattori che l’influenzano

¼ ⅛ R P P R 1. EQUILIBRIO DINAMICO = ANALOGIE Dopo n° round (11°) EQUILIBRIO DINAMICO All’equilibrio, il numero di carte scambiate vicendevolmente è lo stesso (l’equilibrio è dinamico). n° carte P n° carte R = 64/32 = 2 Anche se si effettuano altri round (dopo 11°) il n° carte possedute da ciascuna squadra non cambia: si ha sempre P 64 e R 32 Anche se si effettuano altri round (dopo l’11°) il n° carte possedute da ciascuna squadra non cambia si ha sempre P 64 e R 32 ANALOGIE n° di carte possedute dalle due squadre all’equilibrio è diverso ma costante (32 e 64), come le concentrazioni n° di carte trasferite all’equilibrio è uguale, come la velocità diretta è uguale alla velocità inversa Vd = Kd x CR = numero carte trasferite

¼ ⅛ R P P R 2.Dai REAGENTI ai PRODOTTI e VICEVERSA = ANALOGIE situazione diametralmente opposta R ¼ P ⅛ P R Dopo n° round (9°) EQUILIBRIO DINAMICO n° carte P n° carte R = 64/32 = 2 Anche se si effettuano altri round (dopo 9°) il n° carte possedute da ciascuna squadra non cambia si ha sempre P 64 e R 32 In questa attivita si vuole mettere in evidenza che una stessa situazione di equilibrio puo essere raggiunta da condizioni iniziali differenti. L’insegnante fornisce tutte le 96 carte alla squadra P e nessuna alla squadra R (situazione diametralmente opposta a quella nell’attivita 1). L’insegnante deve mettere bene in evidenza che il numero iniziale di carte e lo stesso ma sono tutte possedute dalla squadra P, e che le regole di trasferimento sono rimaste le stesse dell’attivita 1 (in ciascun round, R consegna 1/4 delle proprie carte a P, mentre P consegna 1/8 delle proprie carte a R). In questo caso (Tabella 3) si raggiunge una situazione di equilibrio dinamico al nono Round e il rapporto e lo stesso di quello ottenuto nell’attivita 1. Attraverso questa seconda attivita gli studenti si renderanno conto, pur partendo da una situazione iniziale opposta alla precedente, che il numero di carte che ogni gruppo arrivera a possedere sara uguale al numero posseduto al termine dell’attivita 1 e che anche il rapporto tra rimarra invariato. Anche alla fine di questa attivita gli studenti dovranno costruire due grafici analoghi a quelli riportati per la prima attività ANALOGIE n° di carte possedute dalle due squadre all’equilibrio è diverso ma costante (32 e 64), come le concentrazioni A parità di regole di scambio iniziali (costante cinetica), si ottiene sempre lo stesso rapporto finale (stessa situazione di equilibrio)

3.La COSTANTE di EQUILIBRIO P = 40 R ¼ P ⅛ P R Dopo n° round (10°) EQUILIBRIO DINAMICO n° carte P n° carte R = 96/48 = 2 Il rapporto è una COSTANTE L’attivita consentira di definire il significato di “costante di equilibrio”. La squadra R possiede inizialmente 104 carte e la squadra P 40 carte. Il numero delle carte iniziali e quindi cambiato rispetto alle prime due attivita, ma le regole di trasferimento rimangono invariate (RaP ., PaR 1/8). In tabella 4 sono riportati i risultati ottenuti: all’equilibrio il numero delle carte trasferite in ciascun round diventa uguale per le due squadre, anche se maggiore (12 carte) rispetto alle prime due attivita (8 carte). Il numero finale delle carte possedute da R e 48 mentre quelle possedute da P e 96. Anche se questi numeri sono diversi da quelli ottenuti nelle prime due attivita, calcolando il rapporto n° carte P\ n° carte R otteniamo ancora 96/48=2 , siamo quindi in presenza di una COSTANTE che chiameremo costante di equilibrio, Keq. La costante di equilibrio non dipende quindi dal numero delle carte disponibili all’inizio del gioco ma dipende soltanto dalla percentuale di carte che ciascuna squadra deve scambiare in ogni round (negli esempi suddetti, 1/4 di carte da R a P e 1/8 di carte da P a R). ANALOGIE n° carte P All’EQUILIBRIO = Keq n° carte R

4. EFFETTO della T sul VALORE della COSTANTE P = 0 R P P R 3/4 ¼ Dopo n° round (2°) Kd Ki R P Keq > Keq precedente ANALOGIE Se aumenta la regola di trasferimento delle carte aumenta la Kd Se aumenta la T aumenta Kd

5. EFFETTO dell’AGGIUNTA di un PRODOTTO ¼ P ⅛ P R Dopo n° round Keq n° carte P n° carte R = 64/32 = 2 R = 32 carte P = 64 + 36 R ¼ P ⅛ P R Keq n° carte P n° carte R = 88/44 = 2 Dopo n° round ANALOGIE Maggiore n° carte P = maggiore Cp Vi = Ki x CP = numero carte trasferite

6. FUNZIONE del CATALIZZATORE il catalizzatore fa aumentare Vd e Vi ⅛ P R ¼ Rispetto all’attività 1 R = 96 P R ¼ P = 0 R ½ P catalizzatore = aumento del n° di carte trasferite da R a P e da P a R si raggiunge l’equilibrio con un minor numero di round Keq n° carte P n° carte R = 64/32 = 2 ANALOGIE il catalizzatore fa aumentare Vd e Vi Vd = Kd x CR = numero carte trasferite da R a P Vi = Ki x CP = numero carte trasferite da P ad R

CONCLUSIONI la REVERSIBILITÀ delle REAZIONI CHIMICHE L’INCOMPLETEZZA delle REAZIONI CHIMICHE la NATURA DINAMICA dell’EQUILIBRIO gli EFFETTI di PERTURBAZIONI ESTERNE sullo STATO di EQUILIBRIO

GRAZIE PER L’ATTENZIONE