Percorso verso l equilibrio

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Gianmaria Belli
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1 EQUILIBRI CIMIC Se una o più sostanze, dette reagenti, sono poste nelle condizioni sperimentali adatte, si possono trasformare in altre sostanze, dette prodotti. Durante un processo di reazione chimica, dopo un determinato tempo, si osserva sperimentalmente che la quantità dei prodotti e dei reagenti non cambia più. Quando si raggiunge questa condizione siamo alla fine della reazione chimica. 1

2 Percorso verso l equilibrio aa + bb cc + dd

3 Raggiungimento dell equilibrio Se si parte da quantità stechiometriche dei reagenti, la reazione chimica che avviene, in genere conduce alla formazione di prodotti, ma rimane una certa quantità di reagenti senza reagire. Quando questo succede ci troviamo in una situazione di equilibrio. gni reazione raggiunge un proprio stato finale caratterizzato da un ben preciso rapporto tra le quantità di prodotti e reagenti. Questo è uno stato di equilibrio chimico.

4 Reversibilità e dinamicità dell equilibrio chimico Lo stato finale di equilibrio chimico si raggiunge sia partendo dai reagenti che dai prodotti. Nello stato di equilibrio finale c è una continua trasformazione dei reagenti in prodotti e dei prodotti in reagenti, con la invariabilità della loro concentrazione. 4

5 5

6 Quoziente di reazione e costante di equilibrio In una reazione chimica la quantità di reagenti e prodotti possono essere espressi mediante il valore del quoziente di reazione Q. aa + bb cc + dd Q c C D a A B d ; b Q equilibrio 6

7 Quando il sistema raggiunge l equilibrio il quoziente di reazione diventa costante di equilibrio, il cui valore dipende solo dalla temperatura. Costante inversa. ' 1 Relazione tra p e c p c (RT) n n Nmoli prodotti N moli reagenti 7

8 Influenze esterne sull equilibrio Il valore di dipende solo dalla temperatura. Principio di Le Châtelier : se in un sistema all equilibrio si perturba uno dei fattori che lo governano, il sistema reagirà in modo da minimizzare la perturbazione. Effetto della pressione n p c(rt) se n=0 non c è nessun effetto n Nmoli prodotti N moli reagenti se n<0 un aumento di pressione farà aumentare i prodotti se n>0 un aumento di pressione farà diminuire i prodotti 8

9 Variazione della temperatura ln 1 R o 1 T 1 1 T Equazione di van t off Equilibri omogenei ed eterogenei. Un equilibrio è omogeneo sé reagenti e prodotti si trovano nella stessa fase. CaC (s) Ca (s) + C (g) 9

10 Relazione tra p e c aa + bb cc + dd PV nrt; n V P RT quindi M P RT c c C D a A B d b c PC RT PA RT a d PD RT PB RT b c PC PD a P P A B d b 1 RT 1 RT cd ab P RT RT (cd) (ab) P RT (cdab) P RT n n p c(rt) 10

11 L autoionizzazione dell acqua (l) + (l) + (aq) + - (aq) a 5 C Come l'acqua è pura ; la sua attività è 1. W ;

12 Le scale del p e del p p log ; 10 p p log p ; W 10 p W = -log W = 14.0 a 5 C Per una soluzione di acqua pura si ha: e p = 7 (neutro) 1

13 log( W W 10 Applicando il logaritmo ai due lati dell uguaglianza ) log 14 log log log log p p 14 Se: p p7 e la soluzione è neutra p p e la soluzione è acida p p7 e la soluzione è basica 1

14 Titolazione acido base La titolazione è un processo in cui una soluzione di un reagente, il titolante, è aggiunto ad una soluzione di un altro reagente. Il volume di titolante necessario per avere reazione completa determina la concentrazione della soluzione titolata. acido forte + base forte Cl + Na Na + + Cl - + acido debole + base forte C C + Na C C - +Na

15 Equilibrio di un acido debole C C + C C c C C C C ; Nelle soluzioni diluite l'attività di è 1 a C C C C

16 Equilibrio di un base debole N + N c N 4 N ; Nelle soluzioni diluite l'attività di è 1 b N 4 N

17 Acidi poliprotici C C a1 C C C C a C C 17

18 Processo di idrolisi L idrolisi è la reazione di una sostanza con l acqua. Uno dei tipi più comuni di idrolisi coinvolge la reazione di un anione di un acido debole con l acqua a formare molecole acide non ionizzate e ioni -. Lo stesso fenomeno si osserva con il catione di una base debole e l acqua per ottenere molecole basiche e ioni +. Questo processo si osserva quando sciogliamo un sale in acqua. Le possibili reazioni sono rappresentate dai seguenti processi chimici. 18

19 Sali di basi forti e acidi forti NaCl(solido) Na Cl Nella soluzione si trovano tutti questi ioni. Il Na + proviene da una base forte, quindi è un acido debole e non reagisce con l. Il Cl - proviene da un acido forte, quindi è una base debole e non reagisce con l. Le soluzioni di sali di acidi forti e basi forti non reagiscono con l e sono neutre. 19

20 Sali di basi forti e acidi deboli NaC C(solido) Na C C C C C C Lo ione acetato è la base coniugata di un acido debole, ed è una base forte, e reagisce con + per formare di nuovo l acido acetico. 0

21 La reazione precedente può essere rappresentata da una singola reazione: l idrolisi dello ione acetato. C C - + C C + - La costante di equilibrio è b (costante di idrolisi basica) b C C C C ; moltiplicando numeratore e denonimatore per b C C C C C C C C 1 b a 1 (C C) 1 w

22 Sali di basi deboli e acidi forti N Cl(solido) 4 N 4 Cl N 4 N Lo ione ammonio è l acido coniugato di una base debole, ed è un acido forte, e reagisce con - per formare di nuovo l ammoniaca.

23 La reazione precedente può essere rappresentata da una singola reazione: l idrolisi dello ione ammonio. N 4+ + N w a 5 b(n)

24 Effetto dello ione comune e le soluzioni tampone In alcuni processi chimici è necessario mantenere costante il valore del p, nonostante aggiunte, moderate, di acidi e basi. Per questo alcuni sistemi usano una combinazione di composti nota come sistema tampone, che serve a mantenere il p costante dentro un ristretto intervallo. Una soluzione tampone contiene una coppia acido-base coniugata dove l acido e la base sono in concentrazione considerevoli. Il funzionamento di una soluzione tampone dipende dall effetto dello ione comune. 4

25 Acido debole contenente un sale dell acido debole Consideriamo una soluzione di acido acetico e acetato di sodio, che è un sale totalmente dissociato. NaC C Na C C C C C C Per il principio di Le Chatelier la presenza di C C - prodotto dal sale, totalmente dissociato, inibisce la dissociazione dell acido e riduce la concentrazione di +. Le soluzioni che contengono un acido debole in presenza di un suo sale sono sempre meno acide di soluzioni che contengono solo l acido. 5

26 Studio di una soluzione tampone formata da un acido debole e dal suo sale. La concentrazione è 0.1 M di C C e 0. M per NaC C. NaC C Studio di una soluzione tampone C C (0.1- x)m Na 0.M xm C 0.M C C C xm 0. + x a C C C C x (0. x) 0.1 x Il valore di x è molto basso per il principio di Le Chatelier e l espressione rimane: 6

27 C C x 0. 5 a CC 0.1 ; x= e p=5.05 L espressione generale per la concentrazione di + è CC a C C a Acido BaseConiugata Applicando il logaritmo e riordinando log Acido log log a BaseConiugata ppa log BaseConiugata Acido Tampone acido/sale 7

28 Tampone base/sale Base ppb log b Acido Coniugato Acido Coniugato Base Una soluzione tampone attenua la variazione di p sia per aggiunte di acidi che di basi, in quantità moderate. Il maggior effetto tampone si ha quando [Acido] [Base coniugata] o [Base] [Acido coniugato] 8

29 Indicatori acido-base Un indicatore è un colorante organico il cui colore dipende dal valore del p. 9

30 Equilibrio indicatore Ind( aq) Ind Ind Ind ( l) ( aq) Ind ( aq) Ind Ind Ind Si aggiungono quantità molto piccole per cui non si altera l equilibrio acido-base. Se ; Ind Ind p log log Ind p Ind Ind Questo è il punto di viraggio 0

31 Ind Ind 10 Ind Ind Se 10Ind p log log(10 Ind ) log10 log Ind p p ind 1 1 Se Ind Ind 10 Ind 10 1 (log log ) 1 log Ind p Ind 10 p p Ind 1 1

32 Curve di titolazione

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