Introduzione alla chimica

Equilibrio chimico e dinamico

Trasformazioni reversibili in equilibrio dinamico

Le trasformazioni reversibili in equilibrio dinamico avvengono quando, per esempio, le molecole di ghiaccio, H₂O(s), passano allo stato liquido, ma sono bilanciate da altrettante molecole di acqua, H₂O(l), che si trasformano in ghiaccio. Poiché l'equilibrio descritto comporta il passaggio di stato tra solido e liquido, esso viene definito equilibrio di fase.

In generale si ha che:

• Un sistema è in equilibrio quando non variano più le sue proprietà macroscopiche osservabili.
• L'equilibrio è dinamico quando, a livello microscopico, è il risultato di due processi opposti che avanzano a uguale velocità.

Le situazioni di equilibrio dinamico, tuttavia, non sono frequenti in natura perché richiedono sistemi chiusi. L'equilibrio dinamico può instaurarsi anche in una trasformazione chimica. A T e P costanti, un sistema chimico chiuso è in equilibrio se la concentrazione (o la pressione) dei reagenti e dei prodotti è costante nel tempo.

La costante di equilibrio

Cato Guldberg e Peter Waage notarono che all'equilibrio esiste una semplice relazione che lega le concentrazioni dei prodotti e quelle dei reagenti. Si può verificare che questo rapporto rimane costante indipendentemente dalle concentrazioni iniziali e finali di reagenti e prodotti. Raccogliendo i valori della costante calcolati in base a concentrazioni diverse di H₂, I₂ e HI, in cinque prove differenti, è possibile verificare che il rapporto nei diversi casi assume valori molto simili. A tale valore è dato il nome di costante di equilibrio, K_eq.

La legge dell'equilibrio chimico, nota come legge dell'azione di massa, per una generica reazione si traduce nell'espressione: in un sistema chimico all'equilibrio, a una data temperatura e a una data pressione, il rapporto fra il prodotto delle concentrazioni molari dei prodotti e il prodotto delle concentrazioni molari dei reagenti, elevate ciascuna al proprio coefficiente stechiometrico, è costante.

Regole per calcolare la costante di equilibrio

• Le concentrazioni dei prodotti si pongono al numeratore e quelle dei reagenti al denominatore: tutte le concentrazioni sono in mol/L e sono indicate con parentesi quadre [ ].
• Le concentrazioni vanno elevate a potenza con i rispettivi coefficienti di reazione e poi moltiplicate fra loro.

In una reazione eterogenea, non è necessario riportare le concentrazioni dei solidi o liquidi puri perché sono costanti. Il valore numerico della costante di equilibrio indica quanto la reazione, una volta raggiunto l'equilibrio, è influenzata dalle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti.