L EQUILIBRIO CHIMICO

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1 EQUIIBRIO CHIMICO Molte reazioni chimiche possono avvenire in entrambe i sensi: reagenti e prodotti possono cioè scambiarsi fra di loro; le reazioni di questo tipo vengono qualificate come reazioni reversibili. Un esempio di reazione reversibile è la reazione di formazione dello ioduro di idrogeno, in cui la reazione diretta porta alla formazione dello ioduro di idrogeno a partire da idrogeno ed iodio: H + I HI e la reazione inversa ne determina invece la decomposizione: HI H + I e reazioni per le quali non avviene quanto sopra esposto, ovvero per le quali non avviene normalmente la reazione inversa, vengono indicate con il termine di reazioni irreversibili. Nelle reazioni reversibili, man mano che i prodotti si formano cominciano a dar luogo alla reazione inversa: avvengono quindi contemporaneamente le due reazioni, quella diretta e quella inversa. Esaminiamo l intero fenomeno più dettagliatamente: all inizio della reazione sono presenti soltanto i reagenti e, quindi, l unica reazione che avviene è quella diretta; non appena cominciano a formarsi i prodotti, comincia ad avvenire anche la reazione inversa. Ma, nella fase iniziale, la concentrazione dei reagenti è to maggiore di quella dei prodotti e, pertanto, la velocità della reazione diretta (curva rossa) è to maggiore della velocità della reazione inversa (curva blu); di conseguenza, la quantità di reagenti che si trasformano in prodotti è to maggiore della quantità di prodotti che si trasformano in reagenti. Osservando il sistema a livello macroscopico si rileva soltanto la reazione diretta: una certa quantità di reagenti scompare, mentre si forma una certa quantità di prodotti. 75

2 Con il procedere della reazione, la concentrazione dei reagenti diminuisce e la concentrazione dei prodotti aumenta: di conseguenza, la velocità della reazione diretta diminuisce, mentre la velocità della reazione inversa aumenta. Quando le velocità delle due reazioni diventano uguali, i reagenti che si trasformano in prodotti sono compensati dai prodotti che si trasformano in reagenti: le concentrazioni dei reagenti e quelle dei prodotti rimangono quindi costanti nel tempo. In queste condizioni si dice che la reazione ha raggiunto l uilibrio: in altre parole, un sistema è in uilibrio chimico se la sua composizione non cambia in maniera rilevabile durante un arco di tempo ragionevolmente lungo. A livello macroscopico, sembra che la reazione si sia fermata, perché non si osservano più variazioni nella concentrazione dei reagenti o dei prodotti: a livello microscopico, avvengono due processi i cui effetti si annullano reciprocamente. Quindi, l uilibrio chimico comporta l assenza di cambiamenti macroscopici, ma non implica l assenza di processi a livello microscopico: quando si vuole sottolineare questo aspetto, si dice che l uilibrio chimico è un uilibrio dinamico. Nelle uazioni chimiche delle reazioni che raggiungono l uilibrio si usa una doppia freccia, per indicare che avvengono contemporaneamente sia la reazione diretta sia quella inversa; ad esempio, l uazione della reazione di formazione dello ioduro di idrogeno ha la forma: H + I HI a. Che cosa significa dire che una reazione è reversibile? b. Una reazione esplosiva è reversibile o irreversibile? E una reazione di combustione? c. Si mettono a reagire due sostanze A e B; descrivi che cosa succede a partire dall istante iniziale: quali sostanze sono presenti al momento zero? E dopo che la reazione è iniziata? Man mano che la reazione procede, come variano le concentrazioni delle varie sostanze? d. Che cosa si intende per miscela di reazione? Che cosa si intende per uilibrio chimico? e. Durante una reazione chimica la velocità della reazione diretta diminuisce o aumenta? Perché? E la velocità della reazione inversa? Quando la reazione raggiunge l uilibrio? f. Vuoi sapere se una certa reazione ha raggiunto l uilibrio. Come procederesti sperimentalmente? g. Si dice che l uilibrio chimico è un uilibrio dinamico: che cosa si intende con questa espressione? Come spiegheresti il concetto di uilibrio dinamico ricorrendo alla possibilità di considerare i due livelli di descrizione, macroscopico e microscopico? 76

3 FATTORI che INFUENZANO l EQUIIBRIO CHIMICO Da quanto abbiamo detto, è facile dedurre che la situazione di uilibrio di una reazione chimica è caratterizzata dai valori della concentrazione di ciascuno dei reagenti e di ciascuno dei prodotti: in questo paragrafo studieremo quali fattori influenzano, o possono influenzare, la situazione di uilibrio e come essa si modifica se alcuni di questi fattori vengono modificati. Per capire in quale modo ciascun fattore possa influenzare l uilibrio chimico, è importante sottolineare che i sistemi in uilibrio tendono, per quanto possibile, a mantenere tale situazione. Se si agisce su un sistema in uilibrio con una qualche azione di disturbo dall esterno, il sistema reagisce in modo da contrastare, per quanto possibile, gli effetti di questa azione raggiungendo una nuova situazione di uilibrio: tale comportamento viene comunemente espresso dal principio di e Chàtelier, in base al quale se si apporta una qualche modifica a una miscela di reazione all uilibrio, il sistema risponde in modo da contrastare gli effetti della modifica apportata, e lo fa fino a raggiungere una nuova situazione di uilibrio. Ciò significa che la concentrazione dei reagenti e dei prodotti cambia nella direzione che consente di opporsi alla modifica apportata (capiremo meglio questo discorso man mano che considereremo degli esempi concreti). Influenza della natura dei reagenti e dei prodotti Ogni reazione ha le proprie condizioni di uilibrio: esistono reazioni che raggiungono l uilibrio quando la concentrazione dei reagenti è ancora to alta e quella dei prodotti to bassa (si dice allora che l uilibrio è spostato verso i reagenti, o anche che è spostato verso sinistra ) ed esistono invece reazioni che raggiungono l uilibrio quando la concentrazione dei reagenti è to bassa e quella dei prodotti to alta (si dice allora che l uilibrio è spostato verso i prodotti, o anche che è spostato verso destra ); esistono infine reazioni che raggiungono l uilibrio in situazioni intermedie fra le due appena descritte. e concentrazioni delle varie specie all uilibrio sono quindi caratteristiche di ogni reazione, cioè dipendono dal tipo di reagenti e dal tipo di prodotti di quella reazione: è ovvio che non avrebbe significato considerare che cosa succede se si modifica questo fattore. a natura delle sostanze coinvolte in una reazione chimica è ciò che identifica la reazione: considerare sostanze diverse significherebbe considerare reazioni diverse, e non più i cambiamenti della situazione di uilibrio di una certa reazione. Concentrazione dei reagenti e dei prodotti uilibrio chimico è caratterizzato dalla concentrazione all uilibrio dei reagenti e dei prodotti della reazione considerata: la concentrazione di ciascuna specie è suscettibile di modifiche, perché possiamo aggiungere una certa quantità di una data specie dall esterno, oppure prelevarla dalla miscela di reazione. 77

4 Il sistema risponde a interventi di questo tipo in modo da opporsi alla modifica fatta, cioè da contrastarne gli effetti: a seconda del tipo di intervento, avverrà in maggiore entità la reazione diretta o quella inversa, fino al raggiungimento di una nuova situazione di uilibrio. Se avviene in maggiore entità la reazione diretta, diciamo che i prodotti vengono favoriti o che l uilibrio si sposta verso i prodotti o si sposta verso destra ; se invece avviene in maggiore entità la reazione inversa, diciamo che i reagenti vengono favoriti o che l uilibrio si sposta verso i reagenti o si sposta verso sinistra. Consideriamo come esempio la reazione di formazione dello ioduro di idrogeno: H + I HI Supponiamo che la reazione abbia raggiunto l uilibrio: nella miscela di reazione sono presenti ecole di idrogeno, di iodio e di acido iodidrico; le concentrazioni di queste tre sostanze sono quelle tipiche dell uilibrio per la reazione considerata nelle condizioni in cui si opera. Se a questo punto si interviene a modificare la concentrazione di una delle tre sostanze, l uilibrio si sposterà nella direzione che permette di contrastare la modifica apportata. Per maggiore chiarezza, consideriamo tutti i casi possibili: - qualora si introduca ioduro di idrogeno nella miscela di reazione, la concentrazione di quest ultimo nella miscela di reazione aumenta: per opporsi all aumento, il sistema risponde facendo avvenire in maggior entità la reazione che consuma HI, cioè la reazione inversa. Quindi una parte dello ioduro di idrogeno introdotto si decompone in idrogeno e iodio e il sistema raggiunge una nuova situazione di uilibrio: l intervento ha favorito i reagenti e l uilibrio si è quindi spostato verso sinistra; - qualora si sottragga ioduro di idrogeno dalla miscela di reazione, la concentrazione di ioduro di idrogeno presente nella miscela di reazione diminuisce: per contrastare questo effetto, avviene in maggior entità la reazione che produce acido iodidrico, cioè la reazione diretta. a risposta del sistema favorisce i prodotti e l uilibrio si sposta quindi verso destra: tale fenomeno è particolarmente importante per i processi industriali, dove l obiettivo è quello di ottimizzare la formazione dei prodotti. Se si continua a sottrarre i prodotti dalla miscela di reazione, il sistema risponde facendo formare nuove quantità di prodotti: ad esempio, nel processo per la produzione di ioduro di idrogeno, se si continua ad allontanare il prodotto dalla miscela di reazione man mano che si forma, il sistema risponde continuando a produrre ioduro di idrogeno; - qualora si introduca idrogeno oppure iodio nella miscela di reazione, dovrà avvenire in maggiore entità la reazione che consuma idrogeno oppure iodio, cioè la reazione diretta e l uilibrio si sposterà verso i prodotti; - se infine si sottrae idrogeno oppure iodio dalla miscela di reazione, per compensare l idrogeno oppure lo iodio sottratti, avviene in maggiore entità la reazione che produce idrogeno oppure iodio, cioè la reazione inversa: l uilibrio si sposta quindi verso i reagenti. 78

5 Temperatura Quando la temperatura cambia, cambia anche la situazione di uilibrio: la direzione del cambiamento è determinata dalle caratteristiche energetiche della reazione diretta, cioè dal fatto che essa sia esotermica o endotermica. Se la reazione diretta è esotermica, questo significa che la reazione diretta produce calore: la reazione inversa allora è endotermica, cioè assorbe calore; supponiamo che la reazione abbia raggiunto l uilibrio. Se, a questo punto, si interviene per far aumentare la temperatura della miscela di reazione, si deve fornire calore al sistema: il sistema risponde in modo da consumare, almeno in parte, il calore fornito e avviene quindi in maggiore entità la reazione inversa che, essendo endotermica, consuma calore; l uilibrio si sposta quindi verso sinistra. Se, invece, si interviene per far diminuire la temperatura della miscela di reazione, si deve sottrarre calore al sistema: questo risponde in modo da compensare, almeno in parte, il calore sottratto e avviene quindi in maggiore entità la reazione diretta che, essendo esotermica, produce calore; l uilibrio si sposta quindi verso destra. Nel caso in cui la reazione diretta sia endotermica si ottengono dei risultati complementari a quelli sopra esaminati: se si fa aumentare la temperatura della miscela di reazione, l uilibrio si sposta verso destra, favorendo quindi la formazione dei prodotti; se, invece, si fa diminuire la temperatura della miscela di reazione, l uilibrio si sposta verso sinistra, favorendo quindi i reagenti. Pressione e variazioni di pressione influenzano l uilibrio chimico soltanto se alla reazione partecipano sostanze allo stato gassoso e se la reazione stessa comporta una variazione del numero totale di ecole di gas: in tal caso, se si aumenta la pressione, l uilibrio si sposta verso quella situazione che comporta un numero minore di ecole di gas; se si diminuisce la pressione, l uilibrio si sposta verso quella situazione che comporta un numero maggiore di ecole di gas. Consideriamo come esempio la reazione di formazione dell ammoniaca, in cui tutte le sostanze sono allo stato gassoso; l uazione bilanciata ci mostra come da un totale di quattro ecole di reagenti si formano due ecole di prodotto: 3 H (g) + N (g) NH3 (g) In termini macroscopici, il numero totale di i di sostanze allo stato gassoso fra i reagenti è doppio del numero totale di i di gas fra i prodotti e, quindi, la reazione fa dimezzare il numero di i di gas: se, quando la reazione ha raggiunto l uilibrio, si aumenta la pressione sulla miscela di reazione, il sistema risponde in modo da contrastare tale aumento, cioè in modo da far diminuire la pressione esercitata dalla miscela stessa. Avviene quindi in maggiore entità la reazione che porta a una diminuzione del numero di i di gas, cioè la reazione diretta. 79

6 Se invece, quando la reazione ha raggiunto l uilibrio, si diminuisce la pressione sulla miscela di reazione, il sistema risponde in modo da contrastare tale diminuzione, cioè in modo da far aumentare la pressione esercitata dalla miscela stessa: avviene quindi in maggiore entità la reazione che porta a un aumento del numero di i di gas, cioè la reazione inversa. Questo comportamento viene utilizzato nella preparazione industriale dell ammoniaca, che viene infatti eseguita a pressioni to elevate: in tali condizioni, l uilibrio è fortemente spostato a destra ed il processo diviene economicamente vantaggioso. Quando la reazione non comporta alcun cambiamento nel numero totale di i di sostanza gassose, le variazioni di pressione non causano nessuna modifica della situazione di uilibrio. Presenza di catalizzatori a presenza di un catalizzatore non ha nessun effetto sull uilibrio chimico: in una situazione di uilibrio chimico, infatti, avvengono contemporaneamente sia la reazione diretta sia quella inversa, con velocità uguali. a presenza di un catalizzatore abbassa allo stesso modo l energia di attivazione della reazione diretta e l energia di attivazione della reazione inversa; quindi non favorisce una delle due reazioni rispetto all altra. a. Elenca i fattori da cui dipende l uilibrio chimico. b. Quale effetto hanno i catalizzatori sulla situazione di uilibrio? Perché? c. Se si aggiunge un catalizzatore ad una miscela di reazione in condizioni di uilibrio, si notano cambiamenti? d. Spiega che cosa si intende con le espressioni: l uilibrio si sposta verso destra (o verso sinistra). e. Che cosa dice il principio di e Chàtelier? f. Spiega perché in una reazione esotermica l uilibrio si sposta a sinistra se aumenta la temperatura. g. In quali casi le variazioni di pressione producono un effetto sull uilibrio chimico? Perché? h. Considera la reazione di formazione dello ioduro di idrogeno; sapendo che la reazione è endotermica, rispondi alle seguenti domande: - quali specie sono presenti nell istante iniziale della reazione? - che cosa succede alla concentrazione di ciascuna specie prima che venga raggiunto l uilibrio? - che cosa succede alla concentrazione di ciascuna specie dopo che l uilibrio è stato raggiunto? - in condizioni di uilibrio, stabilisci se vengono favoriti i reagenti o i prodotti qualora: si aggiunga altro ioduro di idrogeno; si sottragga idrogeno; si aumenti la temperatura; si aumenti la pressione; si aggiunga un catalizzatore. 80

7 a COSTANTE di EQUIIBRIO Consideriamo una generica reazione chimica dove con A, B, C e D si indicano le sostanze in gioco e con a, b, c e d si indicano i rispettivi coefficienti stechiometrici. aa + bb cc + dd a frazione che ha al numeratore il prodotto delle concentrazioni dei prodotti, ciascuna elevata a un esponente pari al coefficiente stechiometrico di quel prodotto nell uazione chimica bilanciata, e per denominatore il prodotto delle concentrazioni dei reagenti, ciascuna elevata ad un esponente pari al coefficiente stechiometrico di quel reagente, viene chiamata quoziente di reazione e indicata con la lettera Q: Q c d C D A a B b Poiché al numeratore compaiono le concentrazioni dei prodotti, il valore del quoziente di reazione è tanto più alto quanto maggiore è la quantità dei prodotti: in questo senso, il valore di Q ci dà quindi un idea di quanto la reazione abbia favorito la formazione dei prodotti in un certo istante. Man mano che una reazione procede, la concentrazione dei prodotti aumenta e quella dei reagenti diminuisce: quindi, il valore del quoziente di reazione aumenta; quando una reazione raggiunge l uilibrio, le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti non cambiano più, rimanendo costanti nel tempo. In tal caso, anche il valore del quoziente di reazione rimane costante ed il suo valore viene chiamato costante di uilibrio K della reazione: K c C D a A B d b Nell espressione della costante di uilibrio i termini [A], [B], [C] e [D] rappresentano i valori delle concentrazioni all uilibrio: quindi, per trovare il valore della costante di uilibrio è sufficiente determinare le concentrazioni di tutte le specie nella miscela di reazione quando la reazione ha raggiunto l uilibrio. Il valore della costante di uilibrio è diverso per reazioni diverse ed è legato alla natura dei reagenti e dei prodotti, cioè alla natura della reazione considerata; la costante di uilibrio permette di stabilire quanto una reazione procede verso la formazione dei prodotti. Più alto è il valore di K, più l uilibrio è spostato verso i prodotti, e maggiore è quindi la concentrazione dei prodotti rispetto a quella dei reagenti; più basso è il valore di K, più l uilibrio è invece spostato verso i reagenti. Il valore della costante di uilibrio varia al variare della temperatura: se la temperatura aumenta, la costante di uilibrio K aumenta quando la reazione diretta è endotermica, e diminuisce quando la reazione diretta è esotermica; se la temperatura diminuisce, il valore della costante di uilibrio K diminuisce quando la reazione diretta è endotermica, e aumenta quando la reazione diretta è esotermica. 81

8 entità della variazione di K a seguito di una certa variazione di temperatura è diversa da reazione a reazione ed è più accentuata per le reazioni esotermiche; per la reazione di dissociazione del pentacloruro di fosforo (che è una reazione endotermica) alla temperatura di 7 C la costante di uilibrio ha un valore pari a 0,04 / e alla temperatura di 487 C ha un valore pari a 33,3 / (un aumento di temperatura pari a 60 C fa aumentare quindi la costante di uilibrio di quasi millecinquecento volte): PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl (g) Per la reazione di formazione del cloruro di idrogeno (che è una reazione esotermica) alla temperatura di 7 C la costante di uilibrio vale 3, e alla temperatura di 37 C vale, ; in questo caso un aumento di temperatura di 300 C fa diminuire la costante di uilibrio di otto ordini di grandezza: H (g) + Cl (g) HCl(g) Quando si considera l uilibrio di una reazione eterogenea diviene importante distinguere fra le concentrazioni che possono variare e quelle che sono costanti per loro natura: la concentrazione di specie disciolte in soluzione può variare, e così pure la concentrazione dei gas; per quanto riguarda i solidi e i liquidi puri, invece, la concentrazione è costante, cioè è costante il rapporto fra numero di i e volume. Quando si scrive l espressione della costante di uilibrio per una reazione eterogenea, i valori costanti di concentrazione vengono inglobati nella costante di uilibrio e non compaiono quindi nella frazione; per comprendere meglio le ragioni di ciò, consideriamo come esempio la reazione di formazione dell anidride carbonica: C(s) + O (g) CO (g) a costante di uilibrio per questa reazione dovrebbe essere scritta nella forma: K CO C O Ma poiché il carbonio è allo stato solido, la sua concentrazione ha un valore costante; conviene quindi portare quest ultima a destra del segno di uguale ed indicare con K il prodotto delle due costanti: K ' CO O Quindi, il rapporto fra le concentrazioni delle due sostanze allo stato gassoso è una costante, ed è questa che viene considerata come costante di uilibrio della reazione: i valori delle costanti di uilibrio riportati nelle tabelle inglobano già le concentrazioni dei solidi e dei liquidi puri. Nel caso dei gas, la concentrazione può essere espressa in funzione della pressione: questo permette di scrivere l espressione della costante di uilibrio anche in termini di pressioni parziali, per le reazioni in cui tutte le sostanze sono allo stato gassoso. 8

9 Consideriamo ad esempio la generica reazione: aa + bb cc + dd in cui tutte le specie chimiche coinvolte siano allo stato gassoso; per tale reazione è possibile definire la costante di uilibrio Kp espressa in funzione delle pressioni parziali di reagenti e prodotti per mezzo della seguente relazione: K p p p C A c a p p D B d b In generale, la relazione tra la costante di uilibrio Kp definita in funzione delle pressioni parziali e la costante di uilibrio Kc definita in funzione delle concentrazioni ari può essere espressa per mezzo della seguente relazione, dove R è la costante dei gas, T è la temperatura espressa in Kelvin e n è la variazione del numero di i gassose: K p K ( RT ) c n a costante di uilibrio ha dimensioni diverse per reazioni diverse: queste dimensioni possono essere ricavate facilmente dall espressione della costante di uilibrio per la reazione assegnata. a. Per la reazione di decomposizione dell acqua allo stato gassoso, alla temperatura di 77 C la costante di uilibrio è pari a 9,3 10-1, mentre alla temperatura di 177 C vale 5, a reazione di decomposizione dell acqua è esotermica o endotermica? Spiega le ragioni della tua risposta. b. Che cosa si intende per quoziente di reazione? Come cambia il quoziente di reazione nel corso di una reazione? Che cosa puoi dire del quoziente di reazione quando la reazione raggiunge l uilibrio? Che cosa è la costante di uilibrio? c. Per una reazione, determini le concentrazioni delle sostanze coinvolte in un certo momento e usi questi valori per calcolare il valore del quoziente di reazione Q; spiega quali sarebbero le tue conclusioni nei seguenti casi: - il valore che trovi per Q è minore della costante di uilibrio di quella reazione; - il valore che trovi per Q è uguale alla costante di uilibrio di quella reazione; - il valore che trovi per Q è maggiore della costante di uilibrio di quella reazione. d. Perché la concentrazione dei solidi e dei liquidi puri non compare nell espressione della costante di uilibrio? e. Perché, quando si scrive l uazione chimica di una reazione e si vuole considerare l uilibrio, è importante specificare lo stato fisico delle sostanze coinvolte nella reazione? f. a costante di uilibrio: A. è un numero senza dimensioni; B. ha le stesse dimensioni per tutte le reazioni; C. ha dimensioni che possono essere diverse a seconda delle reazioni. g. Una reazione ha la costante di uilibrio pari a 107: ti aspetti che l uilibrio sia spostato verso i reagenti o verso i prodotti? h. Qual è la relazione fra Kc e Kp nel caso di una reazione che avviene in fase gassosa? 83

10 Esercizio: Si sono messe a reagire due i di idrogeno e due i di iodio alla temperatura di 490 C; quando la reazione ha raggiunto l uilibrio, si sono determinate le concentrazioni delle specie presenti all uilibrio e si sono trovati i seguenti valori: [H] = 0,456 / [I] = 0,456 / [HI] = 3,088 / Calcolare la costante di uilibrio per la reazione sopra citata alla temperatura di 490 C. uazione chimica associata alla reazione di formazione dello ioduro di idrogeno può essere rappresentata nel modo seguente: H + I HI a corrispondente costante di uilibrio può essere quindi calcolata, conoscendo le concentrazioni di reagenti e prodotti all uilibrio, in questo modo: K HI H I 3,088 0,456 0,456 45,9 Esercizio: Alla temperatura di 800 C la costante di uilibrio per la reazione: I(g) + Cl(g) ICl(g) è pari a 9,09; si introducono 1,64 di iodio e 1,64 di cloro in un recipiente di : calcolare la concentrazione di tutte le specie presenti all uilibrio. In una reazione di uilibrio solo una parte dei reagenti si trasforma nei corrispondenti prodotti; a priori non possiamo sapere quale frazione dei reagenti si converte nei prodotti: possiamo solo indicare con x la variazione nella concentrazione dei reagenti e dei prodotti nel passaggio dalla situazione iniziale a quella relativa all uilibrio. e concentrazioni iniziali dei reagenti possono essere determinate nel modo seguente: 1,64 I 0, 8 i 1,64 Cl 0, 8 i e concentrazioni all uilibrio di tutte le specie coinvolte sono quindi le seguenti: concentrazioni iniziali 0,8 I(g) + Cl(g) ICl(g) 0,8 / variazione - x - x x concentrazioni uilibrio 0,8 x,8 x 0 x Introducendo le concentrazioni relative all uilibrio nell espressione del quoziente di reazione, ed imponendo che il valore di quest ultimo sia pari al valore della costante di uilibrio, si ottiene un uazione nella sola incognita x che, risolta, ci porta a definire le concentrazioni di tutte le specie all uilibrio. 84

11 K ICl I Cl (0,8 4 x x) (0,8 9,09 x) 4 x 9,09 (0,8 x) (0,8 x) 5,09 x 14,91 x 6,11 0 x, 44 1 x 0, 49 a soluzione x 1 dell uazione di secondo grado non è accettabile in quanto porterebbe a concentrazioni dei reagenti all uilibrio negative; le concentrazioni all uilibrio di tutte le specie coinvolte possono essere quindi ottenute utilizzando il valore x : I Cl 0,8 0,49 0, 33 ICl i 0, 98 VERIFICA delle CONOSCENZE 1. a reazione di decomposizione del pentacloruro di fosforo è: PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl (g) Spiega in quale direzione si sposta l uilibrio se: - si aggiunge PCl5 dall esterno; - si aggiunge cloro dall esterno; - si sottrae dall esterno il PCl3 man mano che si forma.. Spiega in quale direzione si sposta l uilibrio se si aumenta la temperatura alla quale si fa avvenire ciascuna delle seguenti reazioni: H (g) + I (g) HI(g) reazione endotermica HBr (g) H(g) + Br (g) reazione endotermica H (g) + S(s) HS(g) reazione esotermica 3. Spiega in quale direzione si sposta l uilibrio nelle seguenti reazioni se si fa aumentare la pressione a cui avviene la reazione: PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl (g) NO(g) + O(g) NO (g) H (g) + CO (g) HO(g) + CO(g) SO (g) + O(g) SO3 (g) CaCO3 (s) CaO(s) + CO (g) 85

12 4. Considera la reazione di decomposizione del vapor d acqua: HO(g) H (g) + O (g) Sapendo che la reazione è endotermica, rispondi alle seguenti domande: - quali specie sono presenti nell istante iniziale della reazione? - che cosa succede alla concentrazione di ciascuna specie prima che venga raggiunto l uilibrio? - che cosa succede alla concentrazione di ciascuna specie dopo che l uilibrio è stato raggiunto? - supponendo che la reazione abbia raggiunto l uilibrio, stabilisci se, in ciascuno dei casi elencati qui di seguito, vengono favoriti i reagenti o i prodotti: a. si aggiunge dell altro vapor d acqua; b. si sottrae idrogeno; c. si aumenta la temperatura; d. si aumenta la pressione; e. si aggiunge un catalizzatore. 5. Come viene determinata la costante di uilibrio di una reazione chimica? 6. a frase la costante di uilibrio per la formazione dello ioduro di idrogeno è 54,6 trasmette un informazione completa? Spiega. 7. Stabilisci se e come cambia la costante di uilibrio di una reazione chimica nelle seguenti situazioni: - si introduce una certa quantità di uno dei reagenti; - si sottrae una certa quantità di uno dei reagenti; - si aumenta la temperatura, e la reazione è esotermica; - si aumenta la temperatura, e la reazione è endotermica; - si aumenta la pressione. 8. Considera la reazione di formazione dello ioduro di idrogeno e scrivi la sua costante di uilibrio; successivamente scrivi l uazione della reazione di decomposizione dello ioduro di idrogeno e definisci l espressione della corrispondente costante di uilibrio: trova quindi la relazione fra le due costanti in base al confronto delle loro espressioni. Sapresti generalizzare questo risultato? ESERCIZI 1. Alla temperatura di 448 C la costante di uilibrio per la reazione di formazione dello ioduro di idrogeno vale 50,; in un recipiente di 1 si introducono 1,4 di idrogeno e,88 di iodio: calcolare la concentrazione di tutte le specie presenti all uilibrio. Risposta: [H] = 0,06 /; [I] = 1,70 /; [HI] =,36 /. Alla temperatura di 448 C la costante di uilibrio per la reazione di formazione dello ioduro di idrogeno è uguale a 50,; calcolare la concentrazione di tutte le specie presenti all uilibrio nelle due seguenti situazioni, entrambe considerate alla temperatura di 448 C: 86

13 a) in un recipiente di 1 si introducono 1,00 di idrogeno e 1,00 di iodio; b) in un recipiente di 1 si introducono,00 di ioduro di idrogeno. Risposta: a. [H] = 0, /; [I] = 0, /; [HI] = 1,56 / b. [H] = 0, /; [I] = 0, /; [HI] = 1,56 / 3. Alla temperatura di 900 C la costante di uilibrio per la reazione: CH4 (g) + HO(g) CO (g) + 3 H (g) vale 0,6 / ; in un miscela di reazione all uilibrio contenuta in un recipiente di,4 sono presenti 0,64 di metano, 1,08 di acqua e,6 di idrogeno. Calcolare la concentrazione dell ossido di carbonio nella miscela. Risposta: [CO] = 0,0 / 4. Alla temperatura di 448 C la costante di uilibrio per la reazione di formazione dello ioduro di idrogeno vale 50,; partendo da una e di idrogeno e da una e di iodio si fa avvenire la reazione in un recipiente dal volume di 1. e concentrazione delle specie presenti all uilibrio sono le seguenti: [H] = 0, / [I] = 0, / [HI] = 1,56 / Se a questo punto si introducono nel recipiente 1,60 di idrogeno, quali saranno le concentrazioni delle varie specie nella nuova situazione di uilibrio? Risposta: [H] = 1,64 /; [I] = 0,04 /; [HI] = 1,9 / 4. Calcolare la Kp della seguente reazione alla temperatura di 77 C: SO (g) + O (g) SO3 (g) sapendo che si raggiunge l uilibrio quando le concentrazione delle specie presenti hanno i valori qui di seguito riportati: [SO] = 3, / [O] = 4, / [SO3] = 4, / Risposta: Kp = 3,65 atm Quando si scioglie in acqua, l -glucosio subisce il fenomeno della mutarotazione trasformandosi parzialmente in -glucosio, la cui massa are è uguale a quella dell -glucosio; l uilibrio viene raggiunto quando il 63,6% del glucosio totale è presente nella forma. Calcolare la costante di uilibrio della reazione: -glucosio (aq) -glucosio (aq) Risposta: Kc = 1,75 6. a reazione che trasforma l acido fumarico C4H4O4 in acido malico C4H6O5 avviene in acqua ed in presenza dell enzima fumarasi; la costante di uilibrio per la reazione: C4H4O4 (aq) + HO (l) C4H6O5 (aq) è pari a 3,5; calcolare la quantità di acido fumarico puro che si deve pesare per preparare un litro di una soluzione che contenga 0,0 i di acido malico all uilibrio. Risposta: 0,6 87

14 7. Un volume di 10 litri di una miscela costituita dal 90% di O e dal 10% di SO alla pressione di l atm ed alla temperatura di 0 C viene fatto passare su un catalizzatore: all uilibrio si trova che si sono formate 0,05 i di SO3 in base alla seguente reazione: SO (g) + O (g) SO3 (g) Calcolare la costante di uilibrio in funzione delle pressioni parziali. Risposta: Kp =,53 atm In un recipiente di 3 litri si introducono 5 g di N e 16 g di O: si chiude il recipiente e si scalda fino a l300 C; sapendo che a quella temperatura la costante di uilibrio per la reazione: N + O NO è di 6,4 10-6, calcolare la quantità (in i) di NO e la sua pressione parziale all uilibrio. Risposta: n = 7, i; pno =5 torr 9. Si pone a reagire una miscela uiecolare di CO e di vapor d acqua ad una certa temperatura; a questa temperatura la costante di uilibrio per la reazione: CO + HO H + CO è di 3,6. Calcolare la composizione della miscela all uilibrio. Risposta: H 3,%; CO 3,%; CO 17,8%; HO 17,8% 10. Una soluzione contiene 7,16 g di HgCl per litro; sapendo che la costante di dissociazione per l uilibrio: HgCl HgCl + + Cl è di 3,310-7, calcolare le concentrazioni di tutte le specie presenti all uilibrio, la pressione osmotica della soluzione a 0 C e la pressione osmotica alla stessa temperatura, quando la soluzione contiene anche 0,585 g/ di cloruro di sodio NaCl. Risposta: [HgCl + ] = [Cl ] = 1, i/; [HgCl] = 0,1 M; =,4 atm; =,70 atm 88

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