L'equilibrio chimico | Dispense di Chimica

Reversibilità delle reazioni chimiche

Alcune reazioni terminano quando si sono consumati i reagenti. In altre reazioni i reagenti non si consumano

completamente.

Nella generica reazione: A + B → C + D

In alcune reazioni i composti C e D, man mano che si formano, reagiscono tra loro per riformare i composti A e B,

secondo la reazione: C + D → A + B

possiamo quindi scrivere: A + B ⇄ C + D

queste reazioni sono dette reversibili.

Nelle reazioni reversibili avvengono contemporaneamente la reazione diretta e la reazione inversa.

L’equilibrio chimico

Mano a mano che una reazione procede la concentrazione dei reagenti (A e B) diminuisce, mentre la concentrazione

dei prodotti (C e D) aumenta.

La velocità di reazione è proporzionale alla concentrazione di reagenti, per cui la velocità della

reazione diretta diminuisce nel tempo, mentre aumenta la velocità della reazione inversa.

Da un certo momento in poi, le velocità delle due reazioni sono uguali e quindi le concentrazioni dei reagenti e dei

prodotti diventano costanti.

La condizione in cui le velocità delle due reazioni rimangono uguali è detta equilibrio chimico.

Un sistema chimico è all’equilibrio quando la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione

inversa. Nelle condizioni di equilibrio le concentrazioni di tutte le specie chimiche restano costanti nel tempo.

Dinamicità dell’equilibrio chimico

In un sistema chimico all’equilibrio le caratteristiche macroscopiche sono stabili: non si osservano variazioni perché la

velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa: l’equilibrio è dinamico.

Il raggiungimento dello stato di equilibrio può richiedere tempi più o meno lunghi, ma è inevitabile.

La legge di azione di massa

Secondo la legge di azione di massa In una reazione chimica all’equilibrio, il rapporto tra il

prodotto delle concentrazioni delle sostanze prodotte e il prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti,

ciascuna elevata a un esponente uguale al corrispondente coefficiente stechiometrico, è costante. Questo rapporto

prende il nome di costante di equilibrio K.

Data la generica reazione aA +bB ⇄ cC + dD

l’espressione della costante di equilibrio è: [C]C [D]D/ [A]A [B]B

La costante di equilibrio K ha un valore specifico per ogni reazione chimica e dipende dalla temperatura.

La costante di equilibrio

Le reazioni in cui è favorita la formazione dei prodotti hanno K > 1

Le reazioni in cui è favorita la formazione dei reagenti hanno K < 1

Nelle reazioni a completamento o reazioni irreversibili il valore della costante di equilibrio è altissimo. (il numeratore è

grande e il denominatore è piccolo perché scompaiono tutti i reagenti e otteniamo solo prodotti)

Se la costante di equilibrio ha valori elevati, buona parte dei reagenti si trasforma in prodotti; se invece ha valori bassi,

solo una piccola parte dei reagenti si trasforma in prodotti.

In una reazione a completamento l’equilibrio chimico è tutto spostato verso la formazione dei prodotti e termina

quando i reagenti si sono trasformati completamente nei prodotti.

La costante di equilibrio k e i suoi valori variano notevolmente al variare della temperatura e sono indipendenti dalle

concentrazioni iniziali dei reagenti

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Reversibilità delle reazioni chimiche Alcune reazioni terminano quando si sono consumati i reagenti. In altre reazioni i reagenti non si consumano completamente. Nella generica reazione: A + B → C + D In alcune reazioni i composti C e D, man mano che si formano, reagiscono tra loro per riformare i composti A e B, secondo la reazione: C + D → A + B possiamo quindi scrivere: A + B ⇄ C + D queste reazioni sono dette reversibili. Nelle reazioni reversibili avvengono contemporaneamente la reazione diretta e la reazione inversa. L’equilibrio chimico Mano a mano che una reazione procede la concentrazione dei reagenti (A e B) diminuisce, mentre la concentrazione dei prodotti (C e D) aumenta. La velocità di reazione è proporzionale alla concentrazione di reagenti, per cui la velocità della reazione diretta diminuisce nel tempo, mentre aumenta la velocità della reazione inversa. Da un certo momento in poi, le velocità delle due reazioni sono uguali e quindi le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti diventano costanti. La condizione in cui le velocità delle due reazioni rimangono uguali è detta equilibrio chimico. Un sistema chimico è all’equilibrio quando la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa. Nelle condizioni di equilibrio le concentrazioni di tutte le specie chimiche restano costanti nel tempo. Dinamicità dell’equilibrio chimico In un sistema chimico all’equilibrio le caratteristiche macroscopiche sono stabili: non si osservano variazioni perché la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa: l’equilibrio è dinamico. Il raggiungimento dello stato di equilibrio può richiedere tempi più o meno lunghi, ma è inevitabile. La legge di azione di massa Secondo la legge di azione di massa In una reazione chimica all’equilibrio, il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni delle sostanze prodotte e il prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, ciascuna elevata a un esponente uguale al corrispondente coefficiente stechiometrico, è costante. Questo rapporto prende il nome di costante di equilibrio K. Data la generica reazione aA +bB ⇄ cC + dD l’espressione della costante di equilibrio è: [C]C^ [D]D/ [A]A^ [B]B La costante di equilibrio K ha un valore specifico per ogni reazione chimica e dipende dalla temperatura. La costante di equilibrio Le reazioni in cui è favorita la formazione dei prodotti hanno K > 1 Le reazioni in cui è favorita la formazione dei reagenti hanno K < 1 Nelle reazioni a completamento o reazioni irreversibili il valore della costante di equilibrio è altissimo. (il numeratore è grande e il denominatore è piccolo perché scompaiono tutti i reagenti e otteniamo solo prodotti) Se la costante di equilibrio ha valori elevati, buona parte dei reagenti si trasforma in prodotti; se invece ha valori bassi, solo una piccola parte dei reagenti si trasforma in prodotti. In una reazione a completamento l’equilibrio chimico è tutto spostato verso la formazione dei prodotti e termina quando i reagenti si sono trasformati completamente nei prodotti. La costante di equilibrio k e i suoi valori variano notevolmente al variare della temperatura e sono indipendenti dalle concentrazioni iniziali dei reagenti

Reazioni di equilibrio in fase gassosa Nella legge di azione di massa applicata a composti gassosi, le quantità dei reagenti e dei prodotti possono essere espresse come pressioni parziali. La costante di equilibrio per la reazione aA(g) + bB(g) ⇄ cC(g) + dD(g) è indicata con il simbolo Kp, Kp= PCc^ PDd^ / PAa^ PBb Quoziente di reazione Ogni miscela di reagenti e prodotti che non sia all’equilibrio è caratterizzata da un rapporto, chiamato quoziente di reazione Q, la cui espressione è esattamente eguale alla costante di equilibrio. Q = [C]c^ · D]d^ / [A]a^ · [B]b Il quoziente di reazione esprime il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti e quello delle concentrazioni dei reagenti, ciascuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico, quando la reazione non si trova in condizioni di equilibrio. Partendo dal presupposto che k sia un valore noto Se Q < K il sistema non è all’equilibrio, le concentrazioni dei prodotti sono troppo basse e quelle dei reagenti troppo alte quindi il sistema procederà da sinistra verso destra. Se Q > K il sistema non è all’equilibrio, le concentrazioni dei reagenti sono troppo basse e quelle dei prodotti troppo alte quindi il sistema procederà da destra verso sinistra Se Q = K il sistema è all’equilibrio. Equilibri eterogenei Alcune reazioni chimiche in equilibrio riguardano sostanze che si trovano in fasi diverse. Gli equilibri che presentano diverse fasi sono chiamati equilibri eterogenei. Negli equilibri eterogenei l’espressione della K non tiene conto delle concentrazioni dei solidi e dei liquidi puri presenti, in quanto le loro concentrazioni sono costanti, ma solo della concentrazione dei gas CaCO3(s) ⇄ CO2(g) + CaO(s) K = [CO2] Il principio dell’equilibrio mobile Il principio dell’equilibrio mobile afferma che: un sistema chimico all’equilibrio reagisce alle variazioni apportate ai suoi componenti in modo da ridurne gli effetti. (l’equilibrio si sposta al contrario) L’aggiunta di un reagente sposta a destra l’equilibrio della reazione La sottrazione di un reagente sposta a sinistra l’equilibrio della reazione L’aggiunta di un prodotto sposta a sinistra l’equilibrio della reazione La sottrazione di un prodotto sposta a destra l’equilibrio della reazione Effetto della pressione sull’equilibrio chimico In alcune reazioni una variazione della pressione (e la variazione del volume che ne consegue) provoca lo spostamento dell’equilibrio.

Le teorie sugli acidi e sulle basi di Arrhenius Gli acidi sono sostanze che, sciolte in acqua, liberano ioni H+, invece Le basi sono sostanze che, sciolte in acqua liberano ioni OH-. Gli acidi si distinguono in acidi monoprotici se sono in grado di liberare un solo H+; e acidi poliprotici se liberano più ioni H+. il limite della teoria di Arrhenius risiede nel fatto che è applicabile solo alle soluzioni acquose e che molte basi, come per esempio NH3, non possono formare OH-(aq) per semplice dissociazione elettrolitica. Acidi e basi secondo Brönsted e Lowry Un acido è una qualsiasi molecola o ione in grado di donare protoni, invece Una base è una qualsiasi molecola o ione che può accettare un protone. La teoria di Brönsted e Lowry amplia la classificazione degli acidi e delle basi poiché non è indispensabile la presenza di acqua. Ogni acido, donando il proprio protone, si trasforma in una base, chiamata base coniugata; analogamente ogni base, accettando il protone, si converte nel corrispondente acido coniugato. Sono dette anfotere le sostanze che, come l’acqua, possono sia accettare che donare protoni. Carenze della teoria di Brønsted e Lowry : Vi sono alcune sostanze che portano ad una variazione del pH di una soluzione senza accettare o donare protoni. Serve un modello più generale di cui gli altri modelli sono dei casi speciali. La ionizzazione dell’acqua La reazione di ionizzazione dell’acqua o autoprotolisi, è una reazione acido-base in cui la formazione degli ioni avviene per scambio di un protone fra due molecole di acqua. L’acqua è un elettrolita debolissimo, ma si dissocia, anche se in maniera ridottissima, come dimostrato da misure di conducibilità elettrica. La Kw, come tutte le costanti di equilibrio, varia con la temperatura e si chiama prodotto ionico dell’acqua A 25°il : Kw= [H 3 O+] [OH-] = 10-14.^ (In una mole di acqua a 25° ci sono 10-14^ molecole dissociate) La basicità o l’acidità dell’ambiente dipende dalla prevalenza di uno dei due ioni e dalla loro concentrazione, se le due quantità si equivalgono l’ambiente è neutro, se invece c’è un eccesso di ioni [H 3 O+] l’ambiente sarà acido e infine se ci sono più ioni [OH-] l’ambiente sarà basico. Se [H3O+] > 10–7^ M l’ambiente è acido; (10-7^ è la metà del prodotto ionico) Se [H3O+] = 10–7^ M l’ambiente è neutro; Se [H3O+] < 10–7^ M l’ambiente è basico. Il pH e la forza degli acidi e delle basi Il pH misura il grado di acidità di una sostanza e si definisce come il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione molare degli ioni H+. pH = – log 10 [H+] Analogamente il pOH misura il grado di basicità di una sostanza e si definisce come il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione molare degli ioni OH–. pOH = – log 10 [OH–] Mettendo insieme le due annotazioni si ottiene la relazione fondamentale pKw = pH + pOH ovvero 14 = pH + pOH (la scala del pH è fatta da 14 “gradi”)

acidi e basi forti o deboli acidi Gli acidi e le basi, posti in soluzioni acquosa, assumono comportamenti diversi, in base ai quali vengono classificati come forti o deboli. Un acido è forte se ha alta tendenza a cedere un protone, è debole se ha bassa tendenza a cederlo. Sono considerati forti quegli acidi e quelle basi che in acqua sono completamente ionizzati. La costante di equilibrio di questo tipo di reazioni è detta costante di ionizzazione acida (Ka): [H 3 O+] [A-] / [HA] L’acqua non è riportata in quanto viene considerata liquido puro. Gli acidi si dicono forti se hanno la Ka molto grande e si ionizzano completamente e deboli se hanno Ka piccola e non si ionizzano completamente. Perciò se l’acido è forte e si dissocia completamente (Ka > 1) x calcolare il ph si vede la concentrazione degli ioni negativi dell’acido Se l’acido è debole e non si dissocia completamente (Ka < 1) (^) x calcolare il ph si vede la concentrazione degli ioni idronio [H3O+] Basi Secondo la teoria di Brönsted e Lowry, una specie è basica se può acquistare un protone dall’acqua secondo la reazione: B + H2O ⇄ BH+(aq) + OH–(aq) La costante di equilibrio di questo tipo di reazioni è detta costante di ionizzazione basica (Kb) ed è: [BH+] [OH-] / [B] L’acqua non è riportata in quanto viene considerata liquido puro. se la base è forte si dissocia completamente (Kb > 1) (^) x calcolare il ph si vede la concentrazione degli ioni positivi della base B+ se la base è debole non si dissocia completamente (Kb < 1) (^) x calcolare il ph si vede la concentrazione degli ioni ossidrili Indicatori del pH Il pH di una soluzione si misura tramite gli indicatori. Gli indicatori sono sostanze che assumono colorazioni diverse a seconda del pH della soluzione in cui si trovano. Il punto di passaggio da un colore a un altro è detto punto di viraggio.

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