Concetti Chiave
- Le reazioni chimiche nei sistemi chiusi raggiungono uno stato di equilibrio dinamico, mantenendo costanti le quantità di reagenti e prodotti nel tempo.
- Il principio di Le Chatelier afferma che un sistema in equilibrio reagisce a perturbazioni esterne per ripristinare l'equilibrio, modificando la velocità delle reazioni dirette e inverse.
- La temperatura influisce sulla costante di equilibrio (Keq) di una reazione, favorendo reazioni endotermiche con l'aumento della temperatura e le esotermiche con la sua diminuzione.
- I catalizzatori aumentano la velocità delle reazioni chimiche senza modificare la costante di equilibrio, consentendo di raggiungere l'equilibrio in tempi più brevi.
- Nei sistemi aperti, le reazioni chimiche tendono a completarsi, mentre nei sistemi chiusi, possono non completarsi a causa della conservazione delle quantità di materia.
Quando consideriamo una reazione chimica siamo sicuri che vada a completamento?
Evaporazione e sistemi chiusi
Prendo un becker e ci metto 50cc di H2O distillata. Con il passare del tempo l’H2O sparisce perché evapora
↓
le molecole della superficie acquisiscono energia sufficiente
per passare allo stato di vapore.
Prendo un becker e ci metto 50cc di H2O. lo chiudo.
Cosa succede?
Si formano goccioline
Si appanna il vetro
Diminuisce il livello di H2O
A distanza di mesi troverò comunque H2O
Le molecole superficiali evaporano però trovando il coperchio e le pareti che hanno temperature minori perdono energia e tornano nel liquido.
Sistemi aperti e chiusi
Se confronto le due prove il fattore diverso è la presenza o l’assenza del coperchio:
Sistema aperto: scambia materia ed energia
Sistema chiuso: scambia energia ma non materia
Prendo un becker, ci metto 50cc di H2O e un cucchiaino di sale → si scioglie
Prendo un becker, ci metto 50cc di H2O e 30 cucchiaini di sale → gran parte non si scioglie, deposita
Come possiamo definire i due sistemi?
La reazione si è completata → sistema aperto
La reazione non si è completata → sistema chiuso
Le trasformazioni si completano quando il sistema è aperto, tendono a non completarsi quando il sistema è chiuso.
In B ho la sensazione che il processo inizialmente avvenga e poi si blocchi. Per osservare da chimico dovrei valutare la temperatura, la concentrazione e osservo che il processo si blocca quando i dati si conservano nel tempo.
Equilibrio dinamico nelle reazioni
In realtà il processo in B non si blocca, si è raggiunto uno STATO DI EQUILIBRIO DINAMICO.
↓
di fatto il processo e il suo esatto contrario avvengono alla
stessa velocità: per dire che non ho nessuna molecola che
evapora dovrei avere -273°C (0 assoluto) ma ho 15-16°C
quindi ho energia cinetica e non posso immaginare che non
ci sia evaporazione. L’H2O è costante → durante l’evaporazione
ci sono molecole che tornano allo stato liquido: 100 molecole
evaporano e 100 molecole tornano allo stato liquido.
Nella solubilizzazione il processo è uguale: ci sono molecole che si sciolgono e molecole che si depositano; le quantità restano invariate.
Reazioni a completamento e equilibrio
Nelle reazioni chimiche ce ne sono che vanno a completamento, per esempio:
se accendo un fiammifero o una candela bruciano tutti perché attingono O2 dall’aria.
Se li metto in un contenitore si spengono dopo poco perché l’O2 finisce → la cera (reagente) resta.
Raggiungo uno stato d’equilibrio dove ho sia reagenti che prodotti in quantità che si mantengono costanti nel tempo.
Ha alta energia di attivazione. Opero a 440°C perché lo iodio passi allo stato gassoso→anche l’acido iodidrico H2 + I2 → 2HI
Se li metto in un contenitore vedo una miscela violacea. HI è trasparente. Segno di reazione è lo scomparire del viola (se la reazione avviene).H2: trasparente
I2: viola
Cosa vedo effettivamente? : il viola della miscela iniziale diminuisce (segno di reazione). Ad un certo momento il viola si mantiene costante non scomparendo mai.
↓
Ho sia reagenti che prodotti. Ho un equilibrio dinamico
I reagenti diventano prodotti e i prodotti tornano reagenti
alla stessa velocità. I valori dipendono dalla concentrazione,
dalla temperatura e dalla pressione.
Potrei partire dalla reazione di decomposizione:
A 440°C. nel momento in cui vedo viola intenso ho la reazione completa. 2HI → H2 + I2
Cosa succede?: il viola compare, ma dopo un po’ si blocca e se confronto il viola ottenuto prima posso notare che sono uguali → stessa concentrazione di reagenti e prodotti.
H2 + I2 → 2HI reazione che va in entrambi i sensi
Reazione diretta: H2+I2→2HI
Reazione indiretta: H2+I2←2HI
Haber ha studiato l’equilibrio dell’NH3 partendo da N e H2 trovando le modalità per sistemare la reazione. NH3 è importantissimo perché è il punto di partenza di reazioni di altre sostanze.
N2+H2→NH3 non è detto che si realizzi o produca a sufficienza. Infatti all’eq ottengo poco prodotto.
Haber è riuscito a trovare una serie di accorgimenti per ottenere maggior prodotto nonostante la reazione si trovi all’eq.
COSTANTE D’EQUILIBRIO
Che cos'è l'equilibrio e la costante d'equilibrio?
Considero la reazione H2+I2→2HI
L’equazione della velocità della reazione diretta e inversa sono uguali
V1: reazione diretta V1=K1
[I2]
V2:reazione inversa V2= K2 [HI]²
Con l’equilibrio V1=V2 → K1
[I2]= K2 [HI]²
K1
[I2]=K2[HI]² K1=[HI]² K1=Keq Keq=[HI]²
K2
[I2] K2[I2] K2 [I2] K2 [I2]
[I2] K2 [I2]
Se considero la stessa reazione a uguale temperatura le Keq è indipendente dalla concentrazione dei reagenti iniziali.
La costante d’equilibrio mi permette di conoscere lo stato d’avanzamento di una reazione.
La relazione è stata scoperta da due chimici nel 1864 ed è chiamata legge dell’azione di massa. → aA+bB→cC+dD Keq= [C] [D]
[A]
Keq>1: reazione spostata verso destra
Keq>10³: reazione totalmente spostata verso destra
Keq=1: equilibrio
Keq
Keq
Se le reazioni non avvengono alla stessa temperatura non posso confrontarle
Principio di Le Chatelier
Le Chatelier ha condotto una serie di studi sugli equilibri chimici studiando se ci sono dei fattori che li influenzano e cosa succede. E’ giunto ad una conclusione generale detta PRINCIPIO DI LE CHATELIER: quando un sistema è in equilibrio, se interviene un fattore a perturbarlo, il sistema reagisce per annullarlo.
1. 2SO2 + O2 → 2SO3 Keq = [SO3]²
[SO2]²[O2]
Immetto O2 perturbando il sistema. L’eq. viene momentaneamente rotto.
Il sistema cerca di annullare gli effetti consumando O2 aumentando la velocità
di reazione e producendo SO3. L’eq si sposta verso destra .
Se togliessi SO3 il sistema aumenterebbe la velocità della reazione diretta. L’eq si
sposterebbe verso destra. E’ il metodo per portare la reazione a completamento.
2. 2H2 + O2 → H2O Keq = [H2O]²
²[O2]
Considero H2 e O2 allo stato gassoso e vi raddoppio la pressione facendo dimezzare, di
conseguenza, il volume. P V = K
Il sistema cercherà di portare le molecole alla stessa distanza che avevano inizialmente tra loro.
Il sistema si sposta dalla parte dove è minore il numero di molecole: si sposta verso destra.
3.
Effetti della temperatura sull'equilibrio
Se modifico la temperatura cambia anche la K della reazione.
N2O4 + q → 2NO2 → endotermica
↓ ↓ ← esotermica
incolore rosso/bruno
Preparo tre matracci con il gas all’equilibrio con
H2O e ghiaccio = 0°C
H2O a temperatura ambiente = 25°C
H2O bollente = 100°C
1° colore incolore/giallino
2° giallo intenso
3° rosso/bruno
1° tanto N2O4 e poco NO2
2° rispetto al primo più NO2 e meno N2O4
3° tanto NO2
ho aumentato la temperatura. Il sistema risponde a quel calore consumandolo: reazione endotermica.
Bassa Keq
Keq = [NO2]² Keq>rispetto al precedente
[N2O4]² Keq elevata
Dati sperimentali:
0°C→ Keq = 0.59 10 ³
25°C→ Keq = 4.5 10 ³
100°C→ Keq = 260 10 ³
I catalizzatori aumentano la velocità di reazione e diminuiscono l’energia d’attivazione della reazione senza modificarne la Keq. L’eq rimane invariato ma lo raggiungo prima.
Domande da interrogazione
- Qual è la differenza tra un sistema aperto e un sistema chiuso in una reazione chimica?
- Qual è la differenza tra un sistema aperto e un sistema chiuso in una reazione chimica?
- Cosa si intende per equilibrio dinamico nelle reazioni chimiche?
- Cosa si intende per equilibrio dinamico nelle reazioni chimiche?
- Come influisce la temperatura sulla costante d'equilibrio di una reazione?
- Come influisce la temperatura sulla costante d'equilibrio di una reazione?
- Qual è il principio di Le Chatelier e come si applica alle reazioni chimiche?
- Qual è il principio di Le Chatelier e come si applica alle reazioni chimiche?
- Come si determina se una reazione chimica è andata a completamento?
- Cosa rappresenta la costante d'equilibrio (Keq) e come si calcola?
Un sistema aperto scambia sia materia che energia, mentre un sistema chiuso scambia solo energia, non materia. Questo influisce sul completamento delle reazioni chimiche, che tendono a completarsi in sistemi aperti e a non completarsi in sistemi chiusi.
Un sistema aperto scambia sia materia che energia, mentre un sistema chiuso scambia solo energia, non materia. Questo influisce sul completamento delle reazioni chimiche, che tendono a completarsi in sistemi aperti e a non completarsi in sistemi chiusi.
L'equilibrio dinamico si verifica quando il processo di reazione e il suo contrario avvengono alla stessa velocità, mantenendo costanti le quantità di reagenti e prodotti nel tempo, come nel caso dell'evaporazione e della condensazione dell'acqua.
L'equilibrio dinamico si verifica quando il processo di reazione e il suo contrario avvengono alla stessa velocità, mantenendo costanti le quantità di reagenti e prodotti nel tempo, come nel caso dell'evaporazione e della condensazione dell'acqua.
La temperatura modifica la costante d'equilibrio (K) di una reazione; ad esempio, in una reazione endotermica, un aumento della temperatura porta a un aumento della concentrazione dei prodotti, spostando l'equilibrio verso destra.
La temperatura modifica la costante d'equilibrio (K) di una reazione; ad esempio, in una reazione endotermica, un aumento della temperatura porta a un aumento della concentrazione dei prodotti, spostando l'equilibrio verso destra.
Il principio di Le Chatelier afferma che se un sistema in equilibrio è perturbato, esso reagisce per annullare l'effetto della perturbazione. Ad esempio, aggiungendo un reagente, il sistema aumenterà la velocità della reazione diretta per produrre più prodotti.
Il principio di Le Chatelier afferma che se un sistema in equilibrio è perturbato, il sistema reagisce per annullare l'effetto della perturbazione, spostando l'equilibrio verso la direzione che consuma il fattore perturbante.
Una reazione è considerata completata quando tutti i reagenti sono stati convertiti in prodotti, come nel caso della combustione di un fiammifero in un sistema aperto, dove l'ossigeno è disponibile. In un sistema chiuso, invece, i reagenti possono rimanere inalterati.
La costante d'equilibrio (Keq) rappresenta il rapporto tra le concentrazioni dei prodotti e dei reagenti a equilibrio. Si calcola utilizzando le concentrazioni delle specie chimiche coinvolte nella reazione, come mostrato nell'equazione K1[I2] = K2[HI]².
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