Chimica - Soluzione

Quesito N. 1

Quesito 2

Equilibrio chimico nei processi della chimica industriale

Molti processi chimici implicano reazioni interessate da equilibrio: la sintesi dell’ammoniaca, la sintesi del metanolo, alcune reazioni di policondesazione, idrogenazioni e deidrogenazioni, ecc.

Un esempio classico è sicuramente il metanolo, composto di particolare rilevanza industriale, sia per gli usi tal quale, sia soprattutto perché, a sua volta, è la materia prima per la produzione di formaldeide da cui si ottengono materiali polimerici come la bakelite, e per la produzione del metil terbutil etere (MTBE), importante componente delle benzine “verdi”.

La sintesi del metanolo

La sintesi del metanolo decorre secondo la reazione:

CO + 2H CH OH

(g) 2(g) 3 (g)

Δ

È una reazione fortemente esotermica (ΔH°<0) che decorre con forte diminuzione delle moli (ΔS°<0). Tracciando qualitativamente la funzione G°(T) si può vedere come la sintesi sia favorita in condizioni standard solo a basse temperature (≈ 140°C). Le alte pressioni invece la favoriscono.

Energia libera e quoziente di reazione

Dalla termodinamica (II principio) risulta che in un sistema isolato una trasformazione, ad una data temperatura e pressione, è spontanea se decorre con ΔG<0. Per una reazione chimica il ΔG di reazione è dato dalla relazione di Van’t Hoff:

ΔG = ΔG° + RTlnQ

dove Q è detto quoziente di reazione e, per la sintesi del metanolo, vale:

Q = p

CH OH

3

⋅ 2

p p

CO H 2

dove con p si sono indicate le pressioni parziali. Tenendo conto della legge di Dalton e presupponendo un comportamento ideale della miscela gassosa, il quoziente di reazione diventa:

Q =

x P

CH OH CH OH

3 3

= = ⋅

⋅ 2

x P x P

⋅ ⋅ ⋅ ⋅

2 2 2 2

x x P

CO H CO H

2 2

dove con x sono indicate le frazioni molari e con P la pressione totale. Risulta evidente come le alte pressioni facciano diminuire Q, che, se inferiore ad uno, renderà negativo il logaritmo. Quindi deprimerà il ΔG di reazione. È facile vedere come per una reazione che decorra con un aumento del numero delle moli gassose, l’effetto sia opposto.

Condizioni di equilibrio

In condizioni di equilibrio ΔG = 0 e Q = K e risulta:

ΔG° = - RTlnK

da cui si può vedere che quando K >1, cioè quando risulta:

ΔG°<0.

Ad una data temperatura l’equilibrio è spostato a destra, risulta ΔG° c