L'equilibrio chimico e dinamico | Appunti di Chimica

L’equilibrio chimico !

L’equilibrio dinamico !

-Reazioni chimiche incomplete → quantità di prodotto che si ottiene < quantità di prodotto

teoricamente prevedibile

→ o i reagenti scompaiono del tutto ma i prodotti secondari che si formano diminuiscono la

resa del prodotto atteso

→ o i reagenti e prodotti sono presenti nel recipiente di reazione, ma la trasformazione non

procede più né in avanti né all’indietro - come si spiega questo apparente arresto?

↓ in generale, le reazioni non arrivano a compimento perché raggiungono un particolare stato

detto “equilibrio chimico”!

-Esempio di trasformazione fisica → cubetti di ghiaccio in un bicchiere d’acqua: ghiaccio fonde

e contemporaneamente alcuni cubetti si saldano tra loro (un po’ d’acqua solidifica saldando tra

loro i pezzi di ghiaccio)

↓ processo inverso alla fusione (solidificazione) avviene con altrettanta probabilità

→ non cambiano proprietà macroscopiche sistema (quantità di acqua liquida e ghiaccio solido)

→ a livello microscopico: molecole di ghiaccio (H2O) passano in continuazione allo stato liquido

ma sono bilanciate da altrettante molecole di acqua (H2O) che si trasformano in ghiaccio

(equilibrio tra molecole ghiaccio sciolte e molecole acqua solidificata) !

-Fisici e chimici parlano di trasformazioni reversibili in equilibrio dinamico (equilibrio ↑ descritto

comporta passaggio di stato tra solido e liquido e viene quindi definito equilibrio di fase) !

-In generale si osserva che: !

1. un sistema è in equilibrio quando non variano più le sue proprietà macroscopiche

osservabili !

2. L’equilibrio è dinamico quando, a livello microscopico, è il risultato di due processi opposti

che avanzano a uguale velocità → concentrazione molare delle specie in gioco è cost. !

-Quando trasformazione giunge all’equilibrio: condizioni di reversibilità e dinamicità sono

indicate da una doppia freccia con stessa lunghezza (processi diretto e inverso avvengono

nell’equilibrio con uguale velocità) !

O o C H2O (ghiaccio) ⇄ H2O (acqua) → trasformazione diretta/inversa!

-Equilibrio dinamico tra ghiaccio solido e H2O liquida a O o C - equilibrio fisico !

-Anche in soluzione satura di glucosio in acqua si stabilisce un equilibrio dinamico

→ pov macroscopico: situazione appare stabile

→ pov microscopico: solubilizzazione e precipitazione avvengono con = velocità (molecole di

glucosio che entrano in soluzione corrispondono a quelle che si depositano nel fondo)!

-Situazioni di equilibrio dinamico non sono frequenti in natura perché richiedono sistemi chiusi

(privi di scambi di materia con l’ambiente) la cui temperatura rimanga costante !

-Nonostante l’apparenza, nel mondo infinitamente piccolo degli atomi e delle molecole, le

trasformazioni diretta e inversa continuano a verificarsi e con velocità identiche !

L’equilibrio chimico: anche i prodotti reagisco

-L’equilibrio dinamico più instaurarsi anche in una trasformazione chimica (anziché fasi diverse

di una stessa sostanza, avremo a sinistra i reagenti e a destra i prodotti) !

-In laboratorio le reazioni si verificano spesso in sistemi che possiamo considerare chiusi!

-Ricorda: nelle reazioni chimiche cambia la particella e non sono irreversibili (trasformazioni

fisiche sempre reversibili) !

-Sistema chiuso (scambio di energia), aperto (scambio materia ed energia con ambiente), isolato

(non si scambia nulla) → in un sistema aperto prodotti vanno via tipo fornello a gas, equilibrio

può avvenire solo in un sistema chiuso !

-Esempio: chiudiamo certa quantità di acido iodidrico (gas incolore) in un pallone di vetro

(concentrazione di 1,00 M) - sistema chiuso

→ a temperatura ambiente (circa 300K) non avviene alcuna reazione: gli urti tra le molecole non

sono suﬃcientemente violenti per superare la barriera dell’energia di attivazione

→ a 700K compare una colorazione viola dovuta al formarsi di I2(g): a causa degli urti, le

molecole di HI si decompongono secondo la reazione 2HI(g) → H2(g) + I2(g)

reazione diretta in cui si dissociano iodio e idrogeno !

-2HI è incolore, H2(g) + I2(g) incolore violetto (iodio è violetto - intensità violetto proporz. quantità I) !

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L’equilibrio chimico

L’equilibrio dinamico

- Reazioni chimiche incomplete → quantità di prodotto che si ottiene < quantità di prodotto

teoricamente prevedibile → o i reagenti scompaiono del tutto ma i prodotti secondari che si formano diminuiscono la resa del prodotto atteso → o i reagenti e prodotti sono presenti nel recipiente di reazione, ma la trasformazione non procede più né in avanti né all’indietro - come si spiega questo apparente arresto? ↓ in generale, le reazioni non arrivano a compimento perché raggiungono un particolare stato detto “equilibrio chimico”

- Esempio di trasformazione fisica → cubetti di ghiaccio in un bicchiere d’acqua: ghiaccio fonde

e contemporaneamente alcuni cubetti si saldano tra loro (un po’ d’acqua solidifica saldando tra loro i pezzi di ghiaccio) ↓ processo inverso alla fusione (solidificazione) avviene con altrettanta probabilità → non cambiano proprietà macroscopiche sistema (quantità di acqua liquida e ghiaccio solido) → a livello microscopico: molecole di ghiaccio (H 2 O) passano in continuazione allo stato liquido ma sono bilanciate da altrettante molecole di acqua (H 2 O) che si trasformano in ghiaccio (equilibrio tra molecole ghiaccio sciolte e molecole acqua solidificata)

- Fisici e chimici parlano di trasformazioni reversibili in equilibrio dinamico (equilibrio ↑ descritto

comporta passaggio di stato tra solido e liquido e viene quindi definito equilibrio di fase)

- In generale si osserva che:

un sistema è in equilibrio quando non variano più le sue proprietà macroscopiche osservabili
L’equilibrio è dinamico quando, a livello microscopico, è il risultato di due processi opposti che avanzano a uguale velocità → concentrazione molare delle specie in gioco è cost.

- Quando trasformazione giunge all’equilibrio: condizioni di reversibilità e dinamicità sono

indicate da una doppia freccia con stessa lunghezza (processi diretto e inverso avvengono nell’equilibrio con uguale velocità) O o^ C H 2 O (ghiaccio) H 2 O (acqua) → trasformazione diretta/inversa

- Equilibrio dinamico tra ghiaccio solido e H 2 O liquida a O o^ C - equilibrio fisico

- Anche in soluzione satura di glucosio in acqua si stabilisce un equilibrio dinamico

→ pov macroscopico: situazione appare stabile → pov microscopico: solubilizzazione e precipitazione avvengono con = velocità (molecole di glucosio che entrano in soluzione corrispondono a quelle che si depositano nel fondo)

- Situazioni di equilibrio dinamico non sono frequenti in natura perché richiedono sistemi chiusi

(privi di scambi di materia con l’ambiente) la cui temperatura rimanga costante

- Nonostante l’apparenza, nel mondo infinitamente piccolo degli atomi e delle molecole, le

trasformazioni diretta e inversa continuano a verificarsi e con velocità identiche L’equilibrio chimico: anche i prodotti reagisco

- L’equilibrio dinamico più instaurarsi anche in una trasformazione chimica (anziché fasi diverse

di una stessa sostanza, avremo a sinistra i reagenti e a destra i prodotti)

- In laboratorio le reazioni si verificano spesso in sistemi che possiamo considerare chiusi

- Ricorda: nelle reazioni chimiche cambia la particella e non sono irreversibili (trasformazioni

fisiche sempre reversibili)

- Sistema chiuso (scambio di energia), aperto (scambio materia ed energia con ambiente), isolato

(non si scambia nulla) → in un sistema aperto prodotti vanno via tipo fornello a gas, equilibrio può avvenire solo in un sistema chiuso

- Esempio: chiudiamo certa quantità di acido iodidrico (gas incolore) in un pallone di vetro

(concentrazione di 1,00 M) - sistema chiuso → a temperatura ambiente (circa 300K) non avviene alcuna reazione: gli urti tra le molecole non sono sufficientemente violenti per superare la barriera dell’energia di attivazione → a 700K compare una colorazione viola dovuta al formarsi di I2(g): a causa degli urti, le molecole di HI si decompongono secondo la reazione 2HI(g) → H2(g) + I2(g) reazione diretta in cui si dissociano iodio e idrogeno

- 2HI è incolore, H2(g) + I2(g) incolore violetto (iodio è violetto - intensità violetto proporz. quantità I)

- Come indicato da coefficienti stechiometrici dovremmo ottenere 0,500 mol/L di I 2 e 0,500 mol/L

di H 2 ma in realtà la reazione non procede fino alla decomposizione completa di HI → appena iniziano a formarsi I 2 e H 2 , le loro molecole iniziano a urtarsi e a reagire insieme per dare di nuovo HI a una velocità tanto più elevata quanto maggiore è la loro concentrazione secondo la seguente reazione: H2(g) + I2(g) → 2HI(g) reazione inversa

- Dopo un po’ di tempo, la velocità della reazione di formazione di HI diventerà uguale alla

velocità di dissociazione (v reazione diretta=v reazione inversa): le concentrazioni molari di HI, I 2 e H 2 rimarranno costanti a meno di un intervento esterno → la reazione ha raggiunto l’equilibrio 2HI(g) H2(g) + I2(g)

- In generale: a T e p costanti, un sistema chimico chiuso è in equilibrio se la concentrazione (o la

pressione) dei reagenti e dei prodotti è costante nel tempo

- Lo stato di equilibrio si raggiunge sia a partire dai soli reagenti che dai soli prodotti

→ partendo da una situazione opposta: pallone con quantità equivalenti di I 2 e H 2 in modo che la loro concentrazione sia di 0,500 M, si raggiunge lo stesso stato di equilibrio

- La situazione di equilibrio non va confusa con quella di inerzia chimica

→ una miscela di O2(g) e H2(g) a temperatura ambiente non è all’equilibrio anche se le concentrazioni dei reagenti rimangono costanti, semplicemente non vi è abbastanza energia per avviare la trasformazione La costante di equilibrio

- 1864: i norvegesi Guldberg, matematico, e Waage, chimico, notano che all’equilibrio esiste una

semplice relazione che lega le concentrazioni dei prodotti e quelle dei reagenti

- Considerando la reazione di formazione dell’acido iodidrico H2(g) + I2(g) 2HI(g), la relazione è

[HI]^2 / [H 2 ].^ [I 2 ] = costante (la concentrazione in mol/L di HI è elevata per il coefficiente stech.) → rapporto costante indipendentemente da concentrazioni iniziali e finali di reagenti e prodotti

- A ↑ tale valore è dato il nome di costante di equilibrio Keq

- Formulazione della legge dell’equilibrio chimico: legge dell’azione di massa

→ per una generica reazione aA + bB cC + dD: Keq = [C]c^.^ [D]d^ / [A]a^.^ [B]b

- L’enunciato della legge di azione di massa: in un sistema chimico all’equilibrio, a una data

temperatura e a una data pressione, il rapporto fra il prodotto delle concentrazioni molari dei prodotti e il prodotto delle concentrazioni molari dei reagenti, elevate ciascuna al proprio coefficiente stechiometrico, è costante

- Regole per calcolare la costante di equilibrio:

Le concentrazioni dei prodotti si pongono al numeratore e quelle dei reagenti al denominatore: tutte le concentrazioni sono in mol/L e indicate con parentesi quadrate
Le concentrazioni vanno elevate a potenza con i rispettivi coefficienti di reazione e poi moltiplicate tra loro

- Relazione tra la costante di equilibrio e il grado di avanzamento della reazione verso i prodotti:

Keq molto grande: la reazione procede quasi^ fino al completamento e l’equilibrio è spostato a destra (concentrazione dei prodotti è >> di quella dei reagenti) - molto prodotto
Keq ≈^ 1: all’equilibrio le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti sono praticamente uguali
Keq molto piccola: la reazione inversa è favorita e l’equilibrio è spostato a sinistra, le concentrazioni dei reagenti >> di quelle dei prodotti - molto reagente poco prodotto

- Nel caso di una reazione eterogenea, la legge dell’equilibrio può essere scritta in forma più

semplice poiché la concentrazione di un qualsiasi solido o liquido puri è costante e quindi non è necessario riportarle → decomposizione termica del bicarbonato di sodio 2NaHCO3(s) Na 2 CO3(s) + H 2 O(g) + CO2(g) possiamo scrivere Keq = [H 2 O].^ [CO 2 ]

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