© 2012 Cristian Lucisano Editore • LE BASI DI CHIMICA - Mattia Donelli
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La costante di equilibrio e la legge dell’azione di massa
Una reazione chimica raggiunge la condizione di equilibrio quando la velocità della reazione diretta è uguale a quella della reazione inversa.
A livello microscopico, ciò signifi ca che le molecole dei reagenti si trasformano in prodotti e le molecole dei prodotti si trasformano in reagenti con la stessa velocità.
Sul piano macroscopico questo fenomeno si traduce con l’invarianza delle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti.
Nel 1864 Waage e Guldberg osservarono che il rapporto delle concentrazioni molari dei reagenti e dei pro- dotti, elevati ai rispettivi coeffi cienti stechiometrici, era costante. Secondo tale osservazione, i due scienziati formularono una legge generale per l’equilibrio chimico, detta legge dell’azione di massa, che per una generica reazione del tipo
Reazione diretta aA + bB ⇄ cC + dD
Reazione inversa
si traduce nella seguente relazione matematica:
PRODOTTI REAGENTI
dove Keq è il valore numerico costante che assume il rapporto a una certa temperatura.
La legge dell’azione di massa può essere enunciata nel modo seguente:
In un sistema chimico all’equilibrio, a una data temperatura e a una data pressione, il rapporto fra il prodotto delle concentrazioni molari delle sostanze prodotte e il prodotto delle concentrazioni molari delle sostanze poste a reagire, elevate ai rispettivi coeffi cienti stechiometrici, è costante.
La costante di equilibrio Keq, indicata anche con Kc poiché è espressa in funzione delle concentrazioni molari, permette di ricavare informazioni sulla tendenza ad avvenire di una reazione a una certa temperatura:
• se il valore della costante di equilibrio è molto grande (Keq
»
1), signifi ca che il numeratore della frazione (che rappresenta le concentrazioni dei prodotti) è molto maggiore rispetto al denominatore (che rappre- senta le concentrazioni dei reagenti): in tal caso, essendo i prodotti in quantità molto maggiore rispetto ai reagenti, la reazione potrà considerarsi quasi giunta a completamento. L’equilibrio si dirà “molto spostato a destra”;• viceversa, se il valore della costante è molto piccolo (Keq
«
1), signifi ca che all’equilibrio la concentrazione dei reagenti è molto maggiore rispetto quella dei prodotti: in tal caso, la reazione non è quasi avvenuta e si è arrestata. L’equilibrio si dirà “molto spostato a sinistra”;• nel caso intermedio in cui il valore della costante è circa unitario (Keq=1), le quantità dei prodotti e dei reagenti si equivalgono.
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La costante di equilibrio e la legge dell’azione di massa
Ecco alcuni esempi.
a) Per la reazione
H2(g) + Cl2(g)⇄ 2HCl(g)
l’espressione della costante di equilibrio a 25 °C è
»
1L’equilibrio è spostato a destra e la reazione è quasi completa.
b) Per la reazione
2NO2(g)⇄ 2NO(g) + O2(g)
l’espressione della costante di equilibrio a 25 °C è
«
1L’equilibrio è spostato a sinistra.
Qualora si consideri una reazione omogenea in fase gassosa, è possibile esprimere la costante di equilibrio in termini di pressioni parziali dei gas (p) anziché di concentrazioni molari. In tal caso, la costante di equilibrio è indicata con il simbolo KP e, per la stessa reazione e temperatura, ha un valore diverso da Kc poiché sono prese in considerazione grandezze diverse per il calcolo:
aA(g) + bB(g)⇄ cC(g) + dD(g)
Infi ne, anche se Kc e Kp non sono di norma grandezze adimensionali, per convenzione si scrivono tralascian- do le unità di misura, come numero puro.
A B