Argomento 5. Equilibrio chimico

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1 Argomento 5 quilibrio chimico

2 1 + K c [N][H] N H NH N H NH l valore numerico della K e dipende dal simbolismo usato per scrivere la reazione. Una volta scritta la reazione DPND SOLO DALLA TMPRATURA [NH + K c 1 K e può essere espressa mediante le pressioni parziali [N [NH ] ] [H ] ] P K NH e K p PH PN K p ( RT ) K n ( RT ) Kc p c per una generica reazione aa+bb cc+dd n(c+d-a-b) K

3 K CaCO d CaO + CO CaO (s) (s) CO (g) (s) K CaCO CaCO + K c + i K (s) c CaO (s) CO (g) [CaO][CO [CaCO ] ] [CO ] quilibri eterogenei (g) (s) La pressione di equilibrio di CO nei due recipienti, mantenuti alla stessa T, è la stessa anche se le quantità di CaO e CaCO differiscono notevolmente. K p P CO > <

4 Calcolare Kc Una certa quantità di azoto e una certa quantità di idrogeno vengono poste in un contenitore vuoto del volume di 5.00 L a T500 C. All equilibrio nel contenitore sono presenti.01 mol di azoto,.10 mol di H e mol di NH. Calcolare il valore di K c 1. Si calcolano le concentrazioni all equilibrio.01mol [ N ] 0.60M 5.00 L N + H NH.10 mol mol [H ] 0.40M [NH ] 0.11M 5.00 L 5.00 L. Si sostituiscono i valori ottenuti nell espressione di K c K c [NH ] [N ][H (0.11) (0.60)(0.40) ] 0.86 l piccolo valore di K c indica che l equilibrio è fortemente spostato verso sinistra

5 Trovare Kc da concentrazioni sperimentali Si consideri la seguente reazione: CO ( g) + H CH ( ) OH g ( g) Un recipiente contenente la miscela di reazione a T780 C inizialmente contiene [CO]0.500 M e [H ]1.00 M. All equilibrio la [CO]0.15 M. Trovare la Kc per la reazione. 1. Usando l equazione bilanciata CO + H CH OH mpostare una tabella in cui vengono indicate le [CO] [H ] [CH OH] concentrazioni iniziali di reagenti e prodotti. Lasciare spazio nella tabella per le variazioni di concentrazione () e le concentrazioni all equilibrio ()

6 Trovare Kc da concentrazioni sperimentali. Calcolare la variazione di concentrazione per quei reagenti o prodotti di cui sono note le concentrazioni iniziali e finali. CO + H CH OH [CO] [H ] [CH OH] Usare la variazione determinata al punto e le relazioni stechiometriche dell equazione bilanciata per determinare le variazioni di concentrazione degli altri prodotti e reagenti. Poiché i reagenti sono consumati durante la reazione la loro variazione avrà segno negativo. Poiché i prodotti sono formati la loro variazione avrà segno positivo. CO + H CH OH [CO] [H ] [CH OH]

7 Trovare Kc da concentrazioni sperimentali 4. Sommare ciascuna colonna della tabella per ciascun reagente e prodotto e determinare le concentrazioni all equilibrio CO + H CH OH [CO] [H ] [CH OH] Scrivere l espressione della Kc sulla base dell equazione bilanciata e sostituire i valori delle concentrazioni all equilibrio ricavati al punto 4 K c [CH OH] [CO][H ] 0.5 (0.15)(0.0) 6

8 l Quoziente di reazione. Predire il verso di reazione aa + bb cc + dd P P Q p Q P c d C D a b c APB c [C] [D] a [A] [B] d b Q ha la stessa forma di K e monitora il progresso della reazione. l suo valore coincide con quello di K all equilibrio sempio Cl Cl( g) + K ( g) ( g) p 81.9 Un recipiente contiene P( )0.114 atm, P(Cl )0.10 atm e P(Cl)0.55 atm. La reazione è all equilibrio? Se no in che direzione procede? Q Q p p PCl (0.55) P P (0.114)(0.10) K p Cl La reazione procede verso destra formando prodotti

9 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio (1) Un recipiente alla temperatura di 000 C contiene inizialmente [N ] 0.00 M e [O ]0.00 M. La reazione che avviene è: N + O NO La cui K C a quella temperatura è Trovare le concentrazioni all equilibrio di reagenti e prodotti. Soluzione 1. Usando l equazione bilanciata mpostare una tabella in cui vengono indicate le concentrazioni iniziali di reagenti e prodotti. Lasciare spazio nella tabella per le variazioni di concentrazione () e le concentrazioni all equilibrio (). N + O NO [N ] [O ] [NO]

10 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio (1). Usare le concentrazioni iniziali per calcolare il quoziente di reazione (Q). Confrontare i valori di Q e Kc ed individuare il verso di reazione Q c [NO ] [N ][O ] (0.00) (0.00)(0.00) Q c < K c, la reazione procederà verso destra 0. Rappresentare la variazione di concentrazione di uno dei reagenti o prodotti con la variabile x. Definire le variazioni degli altri reagenti o prodotti in termini di x. in genere conveniente indicare con x la variazione di concentrazione del reagente o prodotto con il più piccolo coefficiente stechiometrico. N + O NO [N ] [O ] [NO] x -x +x

11 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio (1) 4. Sommare ciascuna colonna per ciascuno dei reagenti e prodotti per determinare le concentrazioni all equilibrio in termini di concentrazioni iniziali e della variabile x N + O NO [N ] [O ] [NO] x -x +x 0.00-x 0.00-x +x 5. Sostituire le concentrazioni all equilibrio ricavate al punto 4 nell espressione della Kc e risolvere l equazione in funzione di x K c [NO ] [N ][O ] (x) (0.00 x)(0.00 x) 0.10 (x) 0.10 x 0.10(0.00 x) (0.00 x) x 0.10(0.00) ( 0.10x) (x) x (0.00 x) x Sostituire il valore di x nella tabella al punto 4. [N [O ] M ] M [NO] (0.07) 0.054M

12 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio () Un recipiente alla temperatura di 100 C contiene inizialmente [NO ] M. La reazione che avviene è: NO NO 4( g) La cui K C a quella temperatura è 0.6 Trovare le concentrazioni all equilibrio di reagenti e prodotti. Soluzione ( g) 1. Usando l equazione bilanciata mpostare una tabella in cui vengono indicate le concentrazioni iniziali di reagenti e prodotti. Lasciare spazio nella tabella per le variazioni di concentrazione () e le concentrazioni all equilibrio (). N O 4 NO [N O 4 ] [NO ]

13 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio (). Usare le concentrazioni iniziali per calcolare il quoziente di reazione (Q). Confrontare i valori di Q e K c ed individuare il verso di reazione Q c [NO] [N O ] 4 (0.100) 0 Q c > K c, la reazione procederà verso sinistra!. Rappresentare la variazione di concentrazione di uno dei reagenti o prodotti con la variabile x. Definire le variazioni degli altri reagenti o prodotti in termini di x. in genere conveniente indicare con x la variazione di concentrazione del reagente o prodotto con il più piccolo coefficiente stechiometrico. N O 4 NO [N O 4 ] [NO ] x -x

14 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio () 4. Sommare ciascuna colonna per ciascuno dei reagenti e prodotti per determinare le concentrazioni all equilibrio in termini di concentrazioni iniziali e della variabile x N O 4 NO [N O 4 ] [NO ] x -x +x x 5. Sostituire le concentrazioni all equilibrio ricavate al punto 4 nell espressione della K c e risolvere l equazione in funzione di x. n questo caso risolvere l equazione quadratica in x ax + bx + c 0 x b b a 4ac K c ( 0.76) x x [NO ] [N O ] (0.100 x) x x + 4x 0.6 x 4x 0.76x ( 0.76) (4) 4( )

15 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio () 6. Sostituire il valore di x nella tabella al punto 4. n questo caso la soluzione dell equazione quadratica porta a due valori diversi di x. Andrà considerato solo il valore che ha significato fisico, scartando quei valori che portano a concentrazioni negative di reagenti o prodotti. Scartiamo x0.176 perché porta ad una concentrazione negativa di NO. Usando x0.014 si ottengono le seguenti concentrazioni all equilibrio: [NO [N O ] x (0.014) 0.07M 4 ] x 0.014M

16 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio () Si consideri la seguente reazione: H S K c ( g) H S a 800 C mol di H S sono contenute in un recipiente dal volume di l a 800 C. Calcolare le concentrazioni di H e S all equilibrio. Soluzione ( g) 7 ( g) 1. Usando l equazione bilanciata mpostare una tabella in cui vengono indicate le concentrazioni iniziali di reagenti e prodotti. La concentrazione di H S va calcolata sulla base di moli e volume mol [ H S] M l H S H + S [H S] [H ] [S ]

17 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio (). Usare le concentrazioni iniziali per calcolare il quoziente di reazione (Q). Confrontare i valori di Q e K c ed individuare il verso di reazione Q c [H ] [S ] [H S] Q c < K c, la reazione procederà verso destra! 0. Rappresentare la variazione di concentrazione di uno dei reagenti o prodotti con la variabile x. Definire le variazioni degli altri reagenti o prodotti in termini di x. H S H + S [H S] [H ] [S ] x +x +x 4. Sommare ciascuna colonna per ciascuno dei reagenti e prodotti per determinare le concentrazioni all equilibrio in termini di concentrazioni iniziali e della variabile x H S H + S [H S] [H ] [S ] x +x +x x +x +x

18 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio () 5. Sostituire le concentrazioni all equilibrio ricavate al punto 4 nell espressione della K c e risolvere l equazione in funzione di x. n questo caso l equazione risultante è cubica in x. Poiché K c è piccola sappiamo che la reazione è poco spostata verso destra e dunque x sarà un numero piccolo. Per questo potrà essere trascurato quando addizionato o sottratto da altri fattori. Per verificare che l approssimazione sia valida, si confronta il valore di x ottenuto con il fattore a cui sarebbe dovuto essere addizionato o sottratto. l rapporto tra i due numeri dev essere < 0.05 (5%). K c x [H] [S ] (x) x [HS] (0.050 x) 4 x x (0.050 x) Trascuriamo la x nella differenza ( ) % L approssimazione è valida Condizioni generali per poter approssimare: K c <10-4 /10-5 e [conc] i >10 - verificate contemporaneamente! [conc] i /K c >10

19 Trovare le concentrazioni all equilibrio da concentrazioni iniziali e costante di equilibrio () 6. Sostituire il valore di x nella tabella al punto 4 e calcolare le concentrazioni all equilibrio. [H S] ( [H [S ] ( ] M 4 ) ) 0.044M 4 M

20 Principio di Le Chatellier

21 Spostamento dell equilibrio Dato l equilibrio gassoso: COCl CO + Cl per il quale K p 4.81 a T85K, calcolare le pressioni parziali di COCl, di CO e di Cl quando in un reattore venga introdotto COCl alla pressione di iniziale di 1.0 atm. Raggiunto l equilibrio nello stesso reattore viene introdotto CO alla pressione di 0.50 atm. Calcolare le pressioni parziali di tutte le specie una volta ripristinato l equilibrio. 1. Usando l equazione bilanciata mpostare una tabella. Poiché Q c < K p, la reazione procederà verso destra! Ricavare le pressioni all equilibrio COCl CO + Cl pcocl pco pcl x +x +x 1.0-x +x +x pco pcl x K p Ricavare la x sostituendo le pcocl (1.0 x) pressioni all equilibrio nella K p 1 x Sostituire la x in tabella e ricavare le pressioni all equilibrio P P CO COCL P Cl atm atm

22 Spostamento dell equilibrio 4. L introduzione di CO dopo il raggiungimento dell equilibrio sposterà lo stesso verso sinistra. Per valutare l entità dello spostamento si considera che la K p è la stessa anche nella nuova situazione di equilibrio. COCl CO + Cl pcocl pco pcl y -y -y 4. Sommando ciascuna colonna per ciascuno dei reagenti e prodotti determinare le concentrazioni all equilibrio in termini di concentrazioni iniziali e della variabile y COCl CO + Cl pcocl pco pcl y -y -y 0.1+y y y

23 Spostamento dell equilibrio pco pcl (1.494 y)(0.994 y) 5. Ricavare y dalla K p K p pcocl (0.1+ y) y Sostituire il valore di y nella tabella delle concentrazioni all equilibrio. n questo caso la soluzione dell equazione quadratica porta a due valori diversi di y. Andrà considerato solo il valore che ha significato fisico, scartando quei valori che portano a concentrazioni negative di reagenti o prodotti. Scartiamo y7. perché porta a concentrazioni negative di CO e Cl. Usando y si ottengono le concentrazioni di reagenti e prodotti al nuovo equilibrio. Come atteso l equilibrio si è spostato verso sinistra in seguito all aggiunta di uno dei prodotti. P P P CO Cl COCL atm atm atm