EQUILIBRIO CHIMICO. Alcune reazioni chimiche decorrono fino a completezza, con un consumo completo dei reagenti (reazioni quantitative)

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1 EQUILIBRIO CHIMICO Alcune reazioni chimiche ecorrono fino a completezza, con un consumo completo ei reagenti (reazioni quantitative) NaOH (aq) + HCl (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) Molte reazioni chimiche effettuate in un sistema chiuso non ecorrono fino a completezza ma fino al raggiungimento i uno stato i equilirio in cui le concentrazioni i tutte le specie presenti nel recipiente i reazione non camiano nel tempo. Al raggiungimento è ancora presente una certa quantità i reagenti. H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) Sperimentalmente si osserva che non si riesce a trasformare acio ioirico ma la HI a un certo punto iventa costante pur essenoci ancora H 2 e I 2 H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) Variazione ella concentrazione i prootti e reagenti nel tempo fino al raggiungimento concentrazione H 2 I 2 HI Una reazione i equilirio è una reazione reversiile La reazione che porta alla formazione ei prootti si efinisce reazione irett La reazione che porta alla formazione ei reagenti è etta reazione invers tempo Inizialmente H 2 ei 2 reagiscono per formare HI con una certa velocità che ipene alla concentrazione ei reagenti. La reazione è reversiile. Con nel tempo ella concentrazione i HI aumenta la velocità i reazione invers = v inv i reagenti reagiscono per are i prootti e i prootti Quano v ir reagiscono per are i reagenti alla stessa velocità la concentrazione elle specie è costante nel tempo equilirio inamico

2 EQUILIBRIO CHIMICO Misure sperimentali hanno evienziato che, una volta raggiunto lo stato i equilirio i una reazione, esiste un rapporto costante tra le concentrazioni molari (mol/l) ei prootti e ei reagenti. H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) A una certa T, inipenentemente alla quantità iniziale i reagenti, [HI] 2 [H 2 ][I 2 ] = costante EQUILIBRIO CHIMICO N 2 (g) + 3H 2 (g) 2 NH 3 (g) [NH 3 ] 2 costante [N 2 ][H 2 ] 3=

3 EQUILIBRIO CHIMICO..cioè per una generica reazione aa + B = cc + D si ha: K c = [C]c. [D] [A] [B] Legge i azione i massa [C], [D], [A], [B] = concentrazioni molari elle specie a,,c, = coefficienti stechiometrici K c = costante i equilirio ella reazione EQUILIBRIO CHIMICO aa + B = cc + D K c = [C]c. [D] [A] [B] La costante i equilirio i una reazione chimica ipene solo alla natura elle sostanze e alla T. Le imensioni ella costante i equilirio i una reazione ipenono alla stechiometria ella reazione. Per es.: H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) K c = [HI] 2 [H 2 ][I 2 ] = mol 2 /l 2 K c è aimensionale mol 2 /l 2 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2 NH 3 (g) K c = [NH 3 ] 2 [N 2 ][H 2 ] 3 = mol 2 /l 2 = mol -2 l 2 mol 4 /l 4

4 COSTANTE DI EQUILIBRIO E Il valore ella costante i equilirio è una misura ella tenenza ei reagenti a convertirsi nei prootti i reazione fornisce inicazioni sulla posizione cioè, sul grao i conversione ei reagenti nei prootti: aa + B = cc + D K c = [C]c. [D] In generale [A] [B] K c alto conversione completa: reazione quantitativa Le reazioni quantitative sono reazioni i equilirio con un elevato valore i K c K c asso conversione parziale Dalla legge i azione i massa è possiile calcolare esattamente le concentrazioni i tutte le specie chimiche presenti in un sistema in iverse conizioni sperimentali. COSTANTE DI EQUILIBRIO E 1) 2) A esempio: H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl (g) [HCl] 2 [H 2 ][Cl 2 ] = K c K c = 2,5x10 33 la reazione è quantitativa [H 2 H 2 O (g) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2 ] 2 [O 2 ] = K [H 2 O] 2 c K c = 1,7 x mol/l la reazione iretta non avviene [PCl 3) PCl 5 PCl 3 + Cl 3 ][Cl 2 ] 2 = Kc [PCl 5 ] K c = 7,37 x 10-2 mol/l si ha una conversione parziale ei reagenti nei prootti i reazione

5 QUOZIENTE DI REAZIONE Si efinisce quoziente i reazione ella legge i azione i massa in cui le concentrazioni ei reagenti e ei prootti non sono quelle ma quelle iniziali o comunque quelle che si hanno in un qualsiasi istante in cui non siano verificate le conizioni i equilirio: aa + B cc + D Q = [C] i [D] i [A] i [B] i K = [C] eq [D] eq [A] eq [B] eq QUOZIENTE DI REAZIONE e COSTANTE DI EQUILIBRIO aa + B cc + D Q = [C] i [D] i [A] i [B] i K = [C] eq [D] eq [A] eq [B] eq Quoziente i reazione (Q) Il quoziente i reazione Q tene a K nel corso ella reazione. La conizione i equilirio (quella per la quale ella legge i azione i massa è = al valore i K per la reazione consierata) viene raggiunta sia che ai reagenti sia che ai prootti i reazione, sia che a una situazione in cui sono presenti sia i reagenti che i prootti i reazione ma in concentrazioni tali a non verificare la conizione i equilirio.

6 QUOZIENTE DI REAZIONE e COSTANTE DI EQUILIBRIO aa + B cc + D Q = [C] i [D] i [A] i [B] i K = [C] eq [D] eq [A] eq [B] eq QUOZIENTE DI REAZIONE e COSTANTE DI EQUILIBRIO K = [C] eq [D] eq aa + B = cc + D [A] eq [B] eq Q = [C] i [D] i [A] i [B] i Il quoziente i reazione Q tene a K nel corso ella reazione. Il confronto tra Q e K consente i preveere, in che verso va la reazione in un ato momento. Se Q K v ir >v inv le concentrazioni ei prootti aumenteranno, quelle ei reagenti iminuiranno fino a che Q = K. Quano Q K v inv >v ir le concentrazioni ei reagenti aumenteranno, quelle ei prootti iminuiranno fino a che Q = K Quano Q=K reagenti e prootti sono in equilirio. v ir =v inv i reagenti si trasformano nei prootti, i prootti nei reagenti ma le concentrazioni non camiano nel tempo

7 LA COSTANTE DI EQUILIBRIO ESPRESSA IN scaricato FUNZIONE a DELLE PRESSIONI PARZIALI ( K p ) Per le reazioni che avvengono in fase gassosa si ha che la concentrazione molare (n/v) i ciascuna specie è proporzionale alla sua pressione parziale: p i V = n i RT n i /V = p i /RT [i] = p i /RT Quini, ata una generica reazione aa + B cc + D K c = [C] c [D] = p c p C D [A] a [B] p Aa p B. (RT) a+-c- K c è costante a T costante il termine p Cc p D p Aa p B è costante p Cc p D p Aa p B = K p Il valore numerico i K p è uguale a quello i K c solo se il numero totale i moli ei reagenti è uguale al numero i moli totale ei prootti O DI LE CHATELIER esterna, tene a reagire in moo a minimizzare tale sollecitazione o moificate le conizioni el sistema (p, V, T, sposta in una irezione che tene a ristailire le conizioni iniziali

8 PRINCIPIO DI LE CHATELIER EFFETTO DELLA VARIAZIONE DI CONCENTRAZIONE Quano la concentrazione i uno qualsiasi ei reagenti o minimizzare la variazione i concentrazione effettuat Consieriamo la reazione: Fe 3+ (aq) + SCN - (aq) FeSCN 2+ (aq) giallo incolore rosso mattone Soluzione che contiene ioni Fe 3+ e SCN - in equilirio con lo ione FeSCN 2+. La soluzione è rosso-arancio per la presenza ello ione FeSCN 2+ Aggiungiamo al sistema in equilirio ioni SCN - si sposta a estra prouzione i altro FeSCN 2+ aumenta el colore ella soluzione che iventa rosso mattone. Lo stesso effetto si ottiene per aggiunta i ioni Fe 3+ al sistema in equilirio Aggiungiamo al sistema AgNO 3 Si ha la precipitazione ello ione SCN - come AgSCN [SCN - ] iminuisce si sposta a sinistra issociazione ello ione FeSCN 2+ scomparsa ella colorazione rosso mattone.

9 PRINCIPIO DI LE CHATELIER EFFETTO DELLA VARIAZIONE DI PRESSIONE/VOLUME viene perturato meiante una variazione i pressione/volume, la variazione. In particolare, il sistema si sposta verso la prouzione i un maggior numero i molecole per contrastare una iminuzione i p (che corrispone a una espansione), verso la prouzione i un minor numero i molecole per contrastare un aumento i p (che corrispone a una compressione). Consieriamo a esempio la reazione: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) Si tratta i una issociazione in fase gassos Da una molecola i reagente si formano 2 molecole i prootti. Un aumento ella pressione (iminuzione el volume) provocherà lo spostamento verso sinistra cioè verso la prouzione i un numero i molecole inferiore. Una iminuzione ella p (aumento el V) provocherà lo spostamento verso estra cioè verso la prouzione i un numero i molecole maggiore.

10 Il principio i Le Chatelier: effetto ella variazione i pressione/volume. N 2 (g) + 3H 2 (g) 2 NH 3 (g) EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLA K eq Una variazione i temperatura comporta un camiamento el valore ella costante i equilirio. Dati sperimentali imostrano che, nel caso i reazioni esotermiche, aumento i T iminuizione i K eq iminuzione i T aumento i K eq nel caso i reazioni enotermiche, aumento i T aumento i K eq iminuzione i T iminuzione i K eq La variazione el valore ella costante i equilirio con la T è esumiile anche applicano il principio i Le Chatelier

11 COSTANTE DI EQUILIBRIO E TEMPERATURA 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) calorie colorazione runa incolore Effetto ella temperatura e ella pressione N 2 (g) + 3H 2 (g) 2 NH 3 (g) Aumento i pressione aumento ella percentuale i NH 3 Si tratta i una reazione esotermica Aumento i temperatura iminuzione ella percentuale i NH 3.

12 EQUILIBRI ETEROGENEI Gli equiliri in cui tutte le specie coinvolte costituiscono fase sono etti equiliri omogenei (es. reazioni in cui tutte le specie sono gas o componenti i una soluzione). Per equiliri eterogenei si intenono equiliri in cui le specie chimiche coinvolte fanno parte i ue o più fasi. Equilirio eterogeneo. Decomposizione termica i CaCO 3 )

13 EQUILIBRI ETEROGENEI CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) K c = [CaO] eq [CO 2 ] eq [CaCO 3 ] eq [CaO] e [CaCO 3 ] costanti K eq =[CO 2 ] eq In generale, nella espressione i azione i massa i un equilirio eterogeneo non compaiono le concentrazioni elle specie presenti sotto forma i fasi conensate (solii e liquii).