Concetti Chiave
- Tutte le reazioni chimiche sono teoricamente reversibili, ma alcune, definite irreversibili, non consentono la reazione inversa.
- Le reazioni reversibili raggiungono uno stato di equilibrio dinamico, dove la velocità di formazione dei prodotti è uguale a quella di riformazione dei reagenti.
- La velocità di reazione è influenzata da fattori come la natura chimica dei reagenti, la loro concentrazione, la superficie di contatto e la temperatura.
- Il principio di Le Chatelier descrive come un sistema all'equilibrio risponde a perturbazioni esterne, ristabilendo l'equilibrio in direzioni che contrastano l'effetto della perturbazione.
- Le teorie di Arrhenius, Brönsted-Lowry e Lewis forniscono diverse definizioni di acidi e basi, basandosi su come queste sostanze interagiscono in soluzione acquosa.
Reazioni chimiche e loro reversibilità
Teoricamente tutte le reazioni sono reversibili, ovvero è possibile che gli atomi che formano i composti prodotti si riarrangino rompendo i nuovi legami e riformando i reagenti.
Nella pratica tuttavia esistono sistemi nei quali la reazione inversa non avviene : tali reazioni si dicono irreversibili.
Nelle reazioni reversibili si hanno quantità misurabili di prodotti e di reagenti e le stesse procedono fino a raggiungere uno stato di equilibrio dinamico, dove quelle che procedono in direzioni opposte hanno la stessa velocità.
Fattori che influenzano la velocità
E’ la quantità di sostanza trasformata nell’unità di tempo. E’ direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti, ciascuno elevato al proprio coefficiente stechiometrico e ad una costante K (costante cinetica) caratteristica per ogni reazione , che comprende tutti quei fattori che influenzano la velocità di reazione.
Ad esempio, per la reazione:
aA+bB --> cC +dD,
l’espressione della velocità è:
v= K [ A]a [ B]b
* La natura chimica dei reagenti
* La concentrazione dei reagenti: all’aumentare della concentrazione aumenta anche la velocità perché aumenta la probabilità di urto tra le particelle
* La superficie di contatto dei reagenti : è intuitivo che maggiore è la superficie di contatto , più veloce è la reazione ( perché?…..)
* La temperatura: l’incremento di temperatura aumenta la velocità delle reazioni endoergoniche e sfavorisce le reazioni esoergoniche
* I catalizzatori; la presenza di catalizzatori incrementa la velocità di reazione quando la presenza di catalizzatori aumenta la velocità di reazione quando essi abbassano l’energia di attivazione, al contrario la rallentano.
Equilibrio chimico e principio di Le Chatelier
Si parla di equilibrio quando la velocità di formazione dei prodotti è uguale a quella di riformazione dei reagenti, in modo tale che la composizione chimica del campione studiato rimane costante nel tempo; tale equilibrio è un equilibrio dinamico, nel senso che le reazioni nei due sensi continuano ad avvenire , ma con la stessa velocità per cui apparentemente si ha una situazione che sembra non mutare nel tempo.
Principio di Le Chatelier ( anno 1884)
E’ detto anche dell’equilibrio mobile:
Un sistema all’equilibrio, perturbato da un’azione esterna, reagisce in modo da contrastarne l’effetto, ristabilendo l’equilibrio.
Si possono prevedere gli effetti di certi fattori su un sistema all’equilibrio.
1. Effetto delle variazioni di temperatura: quando si aumenta la temperatura di un sistema all’equilibrio, lo stesso si sposta nella direzione di assorbimento del calore.
2. Effetto delle variazioni di pressione: quando viene aumentata la pressione di un sistema all’equilibrio , esso viene spostato nel senso in cui si ha il minor volume possibile.
3. Effetto delle variazioni di concentrazione: aumentando la concentrazione di un componente di un sistema all’equilibrio, lo stesso si sposta nel senso in cui si ha il consumo della sostanza aggiunta.
4. Effetto del catalizzatore: il catalizzatore non ha alcuna influenza sulla posizione dell’equilibrio, dato che non compare nella reazione. Esso non influenza quindi il valore della costante di equilibrio ma agisce sulla velocità di raggiungimento dello stesso, accelerando allo stesso modo le due semireazioni.
In una soluzione satura di un sale poco solubile, il prodotto delle concentrazioni molari degli ioni disciolti, ciascuno elevato ai propri coefficienti stechiometrici, è una costante (a temperatura costante), detta prodotto di solubilità (Kps). Si tratta di un equilibrio dinamico tra gli ioni in soluzione e il sale.
Teorie sugli acidi e basi
Esistono tre teorie sugli acidi e sulle basi, elaborate in anni diversi e a tutt’oggi utilizzate.
1. Acidi e basi secondo Arrhenius ( anno 1887)
* Acido :sostanza che in acqua libera ioni H+
* Base: sostanza che in acqua libera ioni OH-
2. Acidi e basi secondo Brönsted- Lowry ( anno 1922)
* Acido: sostanza che può donare protoni
* Base: sostanza che può accettare protoni
La conseguenza più importante della teoria del trasferimento dei protoni è che un acido e una base reagiscono tra loro per formare un altro acido e un’altra base.
Ogni acido , infatti, perdendo protoni, diviene una base, detta base coniugata; ogni base, accettando protoni, si converte in acido coniugato.
Acidi e basi secondo Lewis ( anno 1923)
* Acido : sostanza in grado di accettare una coppia di elettroni.
* Base: sostanza che è in grado di cedere una coppia di elettroni.
Dissociazione e forza degli acidi e basi
Gli acidi e le basi, in soluzione acquosa , si dissociano rimanendo in equilibrio con i loro ioni in soluzione. Questa reazione di equilibrio si chiama dissociazione e la costante relativa , detta costante di dissociazione , viene detta Ka se si riferisce alla dissociazione di un acido e Kb se si riferisce alla dissociazione di una base.
La forza degli acidi e delle basi si stabilisce in base al loro grado di dissociazione ; quanto più la sostanza si dissocia (cioè tanto più l’equilibrio è spostato a destra) tanto più si dice che l’acido, o la base, è forte.
Gli acidi poco dissociati sono acidi deboli.
Scala del pH e indicatori
Il pH determina il grado di acidità di una soluzione (così come il pOH ne determina il grado di basicità).
Il pH è il logaritmo ,cambiato di segno , della concentrazione molare degli ioni idrogeno in una soluzione;
il pOH si definisce come il logaritmo , cambiato di segno, della concentrazione molare degli ioni ossidrili OH- in soluzione.
La scala dei valori di pH è una scala arbitraria che prende il via dal prodotto ionico dell'acqua; nell'acqua pura la concentrazione di ioni idrogeno e di ioni idrossido è uguale.
In base alla definizione di pH e di pOH appena fornita avremo pH = - Log[H+] = -Log 10-7 = 7
Si può dedurre perciò che nella scala di acidità il valore 7 è quello della neutralità, tutti i valori minori di sette fino allo O mostrano un'acidità crescente della sostanza e tutti quelli maggiori di sette fino a 14 una basicità crescente della sostanza.
In sintesi:
[H+] > [OH-] pH
[H+] = [OH-] pH = 7 soluzione neutra
[H+] 7 soluzione basica
Gli indicatori di pH sono sostanze solide o liquide, generalmente composti organici, debolmente acidi o debolmente basici, che hanno la proprietà di cambiare colore a seconda del pH della soluzione con cui vengono a contatto. Il loro raggio d'azione riguarda piccoli intervalli di pH in modo che si possa fare un buona approssimazione dell'acidità della soluzione. Caratteristica fondamentale degli indicatori è che non reagiscono con le soluzioni con cui vengono a contatto.
Poiché gli indicatori sono debolmente acidi (o debolmente basici) tendono, anche se poco, a dissociarsi.
Sono soluzioni grazie alle quali il pH di una soluzione rimane praticamente costante anche per aggiunte consistenti di acidi e di basi forti. Sono sistemi acido-base coniugati, formati da un acido debole e da un suo sale.
Titolazioni e idrolisi
E' un'analisi quantitativa che permette di stabilire la quantità di acido (o di base) presenti in un volume noto di soluzione, neutralizzandoli con volumi calcolabili di una soluzione di base (o di acido), a titolo (concentrazione) noto.
Il momento in cui avviene la neutralizzazione viene evidenziato dalla presenza di un opportuno indicatore: questo infatti vira da un colore all'altro.
La soluzione a titolo noto prende il nome di titolante. La relazione fondamentale delle titolazioni è
N1V1 = N2V2
N1 = concentrazione soluzione incognita
V1 = volume soluzione incognita
N2 = concentrazione soluzione titolante
V2 = volume consumato di soluzione titolante
È la relazione degli ioni di un sale con l'acqua. Infatti quando un sale viene a contatto con l'acqua, i suoi ioni possono comportarsi come acidi o basi.
L’idrolisi si distingue in :
idrolisi acida: quando il sale proviene dalla coppia acido forte-base debole, il catione del sale reagisce con l'acqua formando ioni H3O+, abbassando perciò il pH.
idrolisi basica: quando il sale proviene dalla coppia acido debole-base forte, l'anione del sale reagisce con l'acqua a formare ioni OH-, alzando perciò il pH.
Domande da interrogazione
- Qual è la differenza tra reazioni reversibili e irreversibili?
- Quali fattori influenzano la velocità delle reazioni chimiche?
- Cosa afferma il principio di Le Chatelier riguardo agli equilibri chimici?
- Come si definisce la forza di un acido o di una base?
- Qual è la funzione degli indicatori di pH?
Le reazioni reversibili possono riarrangiare gli atomi per formare reagenti e prodotti, raggiungendo un equilibrio dinamico, mentre le reazioni irreversibili non permettono la reazione inversa (come descritto nel testo).
La velocità delle reazioni è influenzata dalla natura chimica dei reagenti, dalla loro concentrazione, dalla superficie di contatto, dalla temperatura e dalla presenza di catalizzatori (come spiegato nel testo).
Il principio di Le Chatelier stabilisce che un sistema all'equilibrio, se perturbato, reagisce per contrastare l'effetto della perturbazione e ristabilire l'equilibrio (come indicato nel testo).
La forza di un acido o di una base è determinata dal loro grado di dissociazione; più una sostanza si dissocia, più è considerata forte (secondo quanto riportato nel testo).
Gli indicatori di pH cambiano colore in base al pH della soluzione con cui entrano in contatto, permettendo di approssimare l'acidità della soluzione senza reagire con essa (come descritto nel testo).
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