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La comprensione e il controllo delle trasformazioni chimiche

L'equilibrio chimico

Una reazione chimica si dice completa quando i reagenti si trasformano completamente nei prodotti. Per esempio, la reazione:

tra lo zinco (Zn) e l'acido solforico (H2SO4) a dare solfato di zinco (ZnSO4) e idrogeno (H2) si svolge fino all'esaurimento di uno dei due reagenti (o di entrambi se sono in rapporti stechiometrici); in altri termini si dice che tale reazione è completamente spostata verso destra, cioè verso i prodotti, o che è irreversibile (cioè può avvenire solo in un senso).

Esistono tuttavia molte reazioni, che, in date condizioni, sono incomplete: esse cioè non giungono a completamento perché i prodotti che man mano si formano nella reazione reagiscono fra di loro per ridare i prodotti di partenza, sono cioè reazioni reversibili (cioè possono avvenire in entrambi i sensi). Una reazione incompleta procede oltre perché a un certo punto raggiunge una situazione di equilibrio (l'equilibrio è indicato dalla doppia freccia nell'equazione di reazione).

Si definisce equilibrio chimico la condizione dinamica raggiunta da una reazione reversibile, quando la reazione diretta (da sinistra a destra) e la reazione inversa (da destra a sinistra) avvengono contemporaneamente e con la stessa velocità, cioè, nell'unità di tempo, la quantità di reagenti che si trasformano in prodotti è uguale alla quantità di prodotti che si trasformano nei reagenti (v. fig. 12.3).

In una generica reazione all'equilibrio:

vale l'equazione:

in cui Kc è una costante, detta costante di equilibrio. Il valore della costante di equilibrio Kc per una determinata reazione dipende soltanto dalla temperatura.

Questa relazione esprime la legge dell'equilibrio chimico, o legge dell'azione di massa, formulata nel 1864 dai chimici norvegesi W. Guldberg e P. Waage. Tale legge può essere così enunciata: in un sistema chimico all'equilibrio, a una data temperatura costante, il rapporto fra il prodotto delle concentrazioni delle sostanze ottenute e il prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, ciascuna elevata a un esponente corrispondente al proprio coefficiente stechiometrico, è una costante .

Significato della costante di equilibrio

Per una reazione reversibile (v. fig. 12.3), le concentrazioni iniziali delle specie che partecipano all'equilibrio e il valore della costante determinano se la reazione evolve verso destra o verso sinistra. Per esempio, per la reazione in fase gassosa tra idrogeno e iodio a dare ioduro di idrogeno: se, ad una data temperatura, il rapporto

è maggiore del valore della costante Kc la velocità della reazione da destra verso sinistra è maggiore della velocità della reazione nel senso opposto; ne consegue che una certa quantità di acido iodidrico si dissocia in idrogeno e iodio; se invece lo stesso rapporto è minore di Kc, la velocità della reazione di formazione di HI è maggiore di quella di dissociazione e quindi la reazione procede complessivamente verso destra. In ogni caso le reazioni procedono (in un senso o nell'altro) finchè il rapporto

assume il valore Kc che soddisfa le condizioni di equilibrio (si tratta di un equilibrio dinamico, in quanto la reazione diretta e quella inversa continuano a procedere, ma con uguali velocità).

Fattori che influenzano la posizione dell'equilibrio

Un aumento della temperatura di reazione innalza il valore della costante di equilibrio delle reazioni che avvengono con assorbimento di calore (endotermiche), agevolando la trasformazione dei reattivi nei prodotti; viceversa, la costante delle reazioni che avvengono con sviluppo di calore (esotermiche), aumenta al diminuire della temperatura.

Un aumento di pressione, per le reazioni allo stato gassoso nelle quali si verifica una variazione di volume (ossia, variazione del numero di moli) agevola la reazione nel corso della quale diminuisce il numero di moli.

Le concentrazioni di reattivi e prodotti, in base alla legge di massa, influenzano notevolmente la posizione dell'equilibrio: per esempio, un eccesso di anche uno solo dei reattivi, o di uno solo dei prodotti, sposta l'equilibrio verso destra o, rispettivamente, verso sinistra.

Le influenze dei vari fattori sulla posizione dell'equilibrio sono espresse, in termini qualitativi, dal principio dell'equilibrio mobile (o di Le Chatelier-Brown): quando un sistema all'equilibrio è perturbato, l'equilibrio si sposterà in modo tale da controbilanciare l'effetto subìto dalla perturbazione e ristabilire un nuovo equilibrio.

Media

Figura 12.3

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