Una reazione reversibile può andare nei due versi, e in un sistema chiuso arriva a un punto in cui le quantità di reagenti e prodotti non cambiano più. In quel punto la reazione diretta e quella inversa continuano, con la stessa velocità. La costante di equilibrio K dipende dalla temperatura. Il quoziente Q, confrontato con K, indica da che parte sta andando la reazione. Per i calcoli si usa la tabella ICE.
Punti Chiave
L'equilibrio chimico è lo stato in cui la composizione della miscela reagente smette di variare.
È un equilibrio dinamico: le due reazioni opposte proseguono con velocità uguali, e per questo la variazione netta è nulla.
Si raggiunge in un sistema chiuso, dove nessuna sostanza entra o esce.
K è il valore che Q assume all'equilibrio; confrontando Q con K si capisce se la reazione netta va verso i reagenti o verso i prodotti.
A una data temperatura K ha un valore fisso: cambia con la temperatura; per Kc, pressione e catalizzatore non hanno effetto.
Nelle espressioni di K per gli equilibri eterogenei i solidi puri non compaiono.
I numeri chiave
Kc ≈ 4 Valore della costante di equilibrio nell'esempio di esterificazione di Chemguide (un acido organico e un alcol che formano estere e acqua) a temperatura ambiente; per l'idrolisi inversa è circa 1/4 (0,25). Fonte: Chemguide (Jim Clark), equilibrium constants - Kc
Kp = 0,14 Valore indicato in un esercizio di Chem1 per l'ossidazione dell'anidride solforosa (2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃) alla temperatura di 900 K. Fonte: Chem1 (Stephen Lower), 11.3 Reaction Quotient
L'Approfondimento
Cos’è l’equilibrio chimico
Una reazione è all’equilibrio quando nulla spinge più a cambiare le quantità di reagenti e prodotti. Secondo Chem1, il manuale di chimica generale di Stephen Lower, a occhio nudo il sistema appare fermo, mentre a scala microscopica la reazione diretta e quella inversa sono ancora in corso e procedono alla stessa velocità, per cui non resta alcuna variazione netta. Chemguide, il sito di Jim Clark, indica il punto di partenza: una reazione reversibile in un sistema chiuso, dove niente entra e niente esce. Col tempo le due reazioni arrivano ad avere velocità uguali, e ogni sostanza della miscela mantiene una quantità costante mentre entrambe proseguono. Da che cosa dipende la velocità di ciascuna delle due si spiega nel Recap sulla velocità di reazione.
Esempio pratico: nel sistema H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Chem1 mostra con le curve di composizione che la miscela di equilibrio è la stessa sia che si parta dai reagenti sia che si parta da HI.
Equilibrio reversibile e reazione irreversibile
In una reazione reversibile il verso dipende dalle condizioni: può procedere dai reagenti ai prodotti o al contrario. Quando raggiunge l’equilibrio, nel recipiente restano in quantità apprezzabile sia i reagenti sia i prodotti.
Esiste anche il caso opposto. Chem1 osserva che, quando K è molto grande, la reazione si può considerare a senso unico, completa o irreversibile.
La costante di equilibrio K: Kc e Kp
K è il valore del quoziente di reazione Q quando il sistema ha raggiunto l’equilibrio. Si può esprimere con le concentrazioni (Kc) o con le pressioni (Kp), e in generale i due numeri non coincidono. Un valore di K si dà sempre con la sua temperatura: In un esercizio Chem1 riporta Kp = 0,14 a 900 K per l’ossidazione dell’anidride solforosa (2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃).
Secondo Chemguide, a una data temperatura Kc ha sempre lo stesso valore.
Fattore
Effetto su Kc
Temperatura
cambia il valore
Pressione
nessun effetto
Catalizzatore
nessun effetto
Scrivere la reazione al contrario inverte l’espressione di K (Chem1), come si vede con l’esterificazione di Chemguide.
Esempio pratico: nell’esempio di esterificazione di Chemguide (un acido organico e un alcol che formano estere e acqua) Kc vale circa 4 a temperatura ambiente. Per l’idrolisi inversa il valore è circa 1/4, cioè 0,25.
Equilibri omogenei ed eterogenei
Un equilibrio omogeneo coinvolge una sola fase, uno eterogeneo sostanze in più di una fase.
Omogeneo
Eterogeneo
Fasi
una sola
più di una
Nelle espressioni di K i solidi puri non compaiono, perché la concentrazione ha senso solo dentro una fase (Chem1). Per un idrato che perde acqua, in un equilibrio solido-vapore, K è semplicemente la pressione parziale del vapore d’acqua.
Il quoziente Q: da che parte va la reazione
Q si calcola con le quantità presenti in un dato momento, e il confronto con K indica la direzione della reazione netta. Se Q è uguale a K il sistema è all’equilibrio e la composizione non cambia più in modo netto. Come si sposta un equilibrio quando cambiano concentrazione, pressione o temperatura lo spiega il principio di Le Chatelier.
Confronto
Situazione
Reazione netta
Q = K
equilibrio
nessuna variazione
Q > K
troppi prodotti
verso sinistra, i reagenti
Q < K
pochi prodotti
verso destra, i prodotti
Calcolare l’equilibrio con la tabella ICE
Il metodo di calcolo di Chem1 parte da una tabella con tre righe: iniziale, variazione ed equilibrio, la cosiddetta tabella ICE. Serve per trovare la composizione all’equilibrio a partire da K e dalle condizioni di partenza.
Esempio pratico: per il fosgene (COCl₂ ⇌ CO + Cl₂) la pagina parte da 0,124 atm di COCl₂, con Kp = 0,0041 a 600 K. Poiché K è piccola, la variazione x risulta piccola rispetto alla pressione iniziale, e la soluzione approssimata è molto vicina a quella esatta. Le pressioni finali sono 0,104 atm di COCl₂ e 0,0206 atm sia di CO sia di Cl₂, sempre a 600 K.
Presentazione
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✓ Realtà Pensa a una miscela di H₂ e I₂ che forma HI: a un certo punto le quantità smettono di cambiare e il recipiente sembra immobile. A livello microscopico la reazione diretta e quella inversa vanno avanti, con velocità identiche, ed è proprio questa parità a cancellare ogni variazione netta. Chemguide conferma che ogni sostanza mantiene la sua quantità mentre le reazioni proseguono.
✗ Mito All'equilibrio reagenti e prodotti sono presenti in quantità uguali.
✓ Realtà L'equilibrio fissa quantità costanti, non uguali. Nell'esempio di esterificazione di Chemguide Kc vale circa 4 a temperatura ambiente, un valore diverso da 1.
✗ Mito La costante di equilibrio cambia se si modifica la pressione o si aggiunge un catalizzatore.
✓ Realtà Secondo Chemguide il valore di Kc, fissata la temperatura, non dipende né dalla pressione né da un catalizzatore. Chem1 indica che la costante di equilibrio varia con la temperatura.
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Una reazione reversibile può andare nei due versi, e in un sistema chiuso arriva a un punto in cui le quantità di reagenti e prodotti non cambiano più. In quel punto la reazione diretta e quella inversa continuano, con la stessa velocità. La costante di equilibrio K dipende dalla temperatura. Il quoziente Q, confrontato con K, indica da che parte sta andando la reazione. Per i calcoli si usa la tabella ICE.
Domande e risposte
Che cos'è l'equilibrio chimico in parole semplici?
È la situazione in cui, in una reazione reversibile dentro un sistema chiuso, le quantità di reagenti e prodotti smettono di cambiare. Le reazioni però continuano nei due versi con la stessa velocità, quindi si parla di equilibrio dinamico.
Che differenza c'è tra Kc e Kp?
Kc si scrive con le concentrazioni, Kp con le pressioni. Descrivono lo stesso equilibrio, ma i due numeri in generale non sono uguali, e in entrambi i casi vanno letti con la temperatura a cui sono stati misurati.
Come si usa Q per capire se una reazione è all'equilibrio?
Si calcola Q con le quantità presenti in quel momento e si confronta con K. Se sono uguali il sistema è all'equilibrio. Se Q è maggiore di K la reazione netta va verso i reagenti, se è minore va verso i prodotti.
Che cos'è la tabella ICE e a cosa serve?
È un metodo di calcolo basato su una tabella con le righe iniziale, variazione ed equilibrio, utile per trovare le quantità presenti all'equilibrio quando si conoscono K e le condizioni di partenza. Chem1 lo usa, per esempio, per il fosgene a 600 K.
Una reazione irreversibile esiste davvero?
Per Chem1 una K molto grande permette di trattare la reazione come a senso unico, cioè completa o irreversibile.
Ogni Recap passa da una revisione indipendente prima della pubblicazione.
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