Appunti sull'Equilibrio Chimico
Equilibrio Chimico
- Non tutte le reazioni chimiche avvengono in modo quantitativo (100% di conversione reagenti → prodotti).
- Le reazioni di equilibrio sono reazioni che si fermano prima del completamento, con una presenza significativa di reagenti e prodotti.
- Sono rappresentate con una doppia freccia: ⇌
Caratteristiche dell'Equilibrio
- Stato in cui non si osservano cambiamenti macroscopici nel tempo.
- Si raggiunge quando:
- Velocità della reazione diretta = velocità della reazione inversa.
- Le concentrazioni di reagenti e prodotti rimangono costanti.
- Le reazioni reversibili possono procedere in entrambe le direzioni.
Legge dell'Equilibrio Chimico
- Per una reazione generica: aA + bB ⇌ cC + dD
- L'equilibrio si stabilisce quando la velocità di formazione dei prodotti (C e D) è uguale alla velocità di formazione inversa dei reagenti (A e B).
Equilibrio Dinamico
- All'equilibrio, le concentrazioni di reagenti e prodotti non cambiano nel tempo.
- Velocità reazione diretta = velocità reazione inversa.
- A livello molecolare, il sistema è dinamico: le trasformazioni in un senso sono bilanciate da quelle nel senso opposto, senza cambiamenti netti osservabili.
- Cinetica: studia la velocità di reazione, ovvero la variazione delle concentrazioni nel tempo.
Raggiungimento dell'Equilibrio
- A livello macroscopico e molecolare.
- Esempio: N2O4(g) ⇌ 2NO_2(g)
Termodinamica dell'Equilibrio
- A temperatura costante (T).
- Variazione di energia libera di Gibbs: \Delta G = \Delta H - T\Delta S
- Relazione con la costante di equilibrio K: \Delta G = -RT \ln K
Costante di Equilibrio K
- Kp: Costante termodinamica di equilibrio espressa in termini di pressioni parziali.
- Kp = \frac{(PC)^c (PD)^d}{(PA)^a (P_B)^b}
- Kc: Costante termodinamica di equilibrio espressa in termini di concentrazioni.
- K_c = \frac{([C])^c ([D])^d}{([A])^a ([B])^b}
Attività
- L'attività (a) di una specie in una reazione è una funzione complessa delle pressioni e delle concentrazioni.
- Per gas ideali (basse pressioni): P° = 1 bar.
- Per soluti in soluzioni diluite: c° = 1 mol/L.
- Solidi e liquidi puri: attività = 1 (in genere).
Significato di K
- K >> 1: equilibrio spostato a destra, favorisce la formazione dei prodotti.
- K << 1: equilibrio spostato a sinistra, favorisce la formazione dei reagenti.
- K = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}
Energia Libera e Costante di Equilibrio
- All'equilibrio: \Delta G = 0
- \Delta G^o = -RT \ln K_{eq}
- K{eq} = Kc o K_p
Quoziente di Reazione Q
- Per una reazione non all'equilibrio.
- Q = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} (concentrazioni attuali).
- Se Q < K: \Delta G < 0, reazione procede verso destra.
- Se Q > K: \Delta G > 0, reazione procede verso sinistra.
- Se Q = K: \Delta G = 0, reazione all'equilibrio.
- \Delta G = -RT \ln K + RT \ln Q = RT \ln (Q/K)
Calcolo delle Concentrazioni all'Equilibrio
- Esprimere le concentrazioni all'equilibrio in termini di concentrazioni iniziali e di una variabile x.
- Scrivere l'espressione della costante di equilibrio e risolvere per x.
- Calcolare le concentrazioni di tutte le specie all'equilibrio.
Principio di Le Chatelier
- Se un sistema all'equilibrio è soggetto a una perturbazione esterna (variazione di concentrazione, pressione, temperatura), il sistema reagisce per compensare parzialmente la perturbazione e raggiungere una nuova posizione di equilibrio.
Effetto dell'Aggiunta di Prodotti o Reagenti
- Aggiunta di prodotti: Il sistema evolve verso sinistra per ristabilire l'equilibrio.
- Aggiunta di reagenti: Il sistema evolve verso destra per ristabilire l'equilibrio.
Variazioni di Concentrazione
- Aumentare [prodotti]: equilibrio si sposta a sinistra.
- Diminuire [prodotti]: equilibrio si sposta a destra.
- Aumentare [reagenti]: equilibrio si sposta a destra.
- Diminuire [reagenti]: equilibrio si sposta a sinistra.
Costante di Equilibrio e Temperatura
- K = f(T), è funzione della temperatura ed è costante solo a T costante.
- Equazione di van't Hoff: \frac{d \ln K_P}{dT} = \frac{\Delta H^o}{RT^2}
Reazioni Esotermiche ed Endotermiche
- Reazioni esotermiche (\Delta H^0 < 0): K diminuisce all'aumentare di T.
- Reazioni endotermiche (\Delta H^0 > 0): K aumenta all'aumentare di T.
Variazioni di Pressione
- Keq non varia con la pressione, ma la composizione all'equilibrio può cambiare.
- Se una reazione produce un aumento del numero di moli gassose, un aumento della pressione sposta l'equilibrio a sinistra.
- Se diminuzione moli gassose, la formazione è favorita dall’ aumento di P e ostacolata da una diminuzione di pressione.
- Nessuna variazione di moli gassose: Una variazione di pressione non altera la composizione del sistema all’equilibrio.
Equilibri Omogenei ed Eterogenei
- Omogenei: tutte le specie sono nella stessa fase.
- Eterogenei: le specie sono in fasi differenti.
- In equilibri eterogenei, l'attività dei solidi e liquidi puri è considerata 1 e non compare nell'espressione di K.
- Esempio: \CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g)
Relazione fra Kp e Kc
- Kp = Kc(RT)^{\Delta n}
- Dove \Delta n = (c + d) - (a + b) è la variazione del numero di moli gassose nella reazione.