Pillole Testbusters – Chimica, modificazione dell’equilibrio chimico: il principio di Le Chatelier

Quante volte vi è capitato di non capire quale fosse l’andamento di una reazione? Che cos’è l’equilibrio chimico? Perché l’equilibrio si sposta verso destra o verso sinistra come se stesse ballando un ballo di gruppo? Proviamo a ragionarci su. La maggior parte delle reazioni chimiche non comporta la completa trasformazione dei reagenti in prodotti, perché, man mano che si formano i prodotti, si ottiene la reazione inversa aA + bB ↔ cC + dD Questo andamento in entrambe le direzioni viene indicato con la doppia freccia e prende il nome di equilibrio chimico. In base a considerazioni sulle leggi della termodinamica, otteniamo una “relazione” tra reagenti e prodotti che prende il nome di costante di equilibrio, data dal rapporto fra le concentrazioni dei prodotti moltiplicate tra loro e le concentrazioni dei reagenti, sempre moltiplicate fra loro, ciascuno elevato al proprio coefficiente stechiometrico. Questa legge viene chiamata legge di azione di massa. La formula vi chiarirà le idee (che probabilmente ora sono ancora confuse, lo so, lo so, datemi un attimo di tempo): Il valore assunto dalla costante di equilibrio ci informa se la reazione avviene in modo più o meno completo, dandoci delle informazioni sulla posizione del punto di equilibrio della stessa:

• Se il valore della costante di equilibrio è elevato significa che il numeratore è molto più grande del denominatore: l’equilibrio viene cioè raggiunto quando le concentrazioni dei prodotti di reazione sono molto maggiori delle concentrazioni dei reagenti. In tal caso si dice che il punto di equilibrio è spostato verso i prodotti
• Se il valore della costante di equilibrio è basso, significa che il numeratore è molto più piccolo del denominatore. In questo caso l’equilibrio viene raggiunto quando le concentrazioni dei reagenti sono molto maggiori delle concentrazioni dei prodotti di reazione. Il punto di equilibrio è spostato verso i reagenti

Se sostituiamo le concentrazioni iniziali nella costante di equilibrio otteniamo il quoziente di reazione (Q), che, se confrontato con il valore della costante di equilibrio, ci permetterà di scoprire quale sarà l’andamento della reazione chimica:

• Se Q = K_eq la reazione è in equilibrio
• Se Q > K_eq il numeratore (prodotti) è troppo elevato e la reazione quindi si sposterà verso i reagenti finché non verrà soddisfatto l’equilibrio
• Se Q < K_eq il denominatore (reagenti) è troppo elevato e la reazione si sposterà verso i prodotti finché non verrà soddisfatto l’equilibrio

Ma cosa succede se interviene una modifica dall’esterno? Il principio di Le Chatelier ci offre un criterio generale per prevedere lo spostamento di un equilibrio in risposta a sollecitazioni esterne. Il principio afferma infatti che un sistema in equilibrio tende a mantenersi tale, neutralizzando, per quanto possibile, qualsiasi azione di disturbo esterna. Quindi, se un equilibrio chimico viene sottoposto ad un’azione esterna che porta ad una sua variazione, esso si sposterà in modo tale da rendere minimi gli effetti della perturbazione. Prima di analizzare le diverse perturbazioni cui può essere sottoposto un equilibrio chimico e gli spostamenti relativi, prevedibili sulla base del principio di Le Chatelier, ricordiamo che il valore della costante di equilibrio viene modificato solo da variazioni della temperatura.

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   1. Modificazione delle concentrazioni
      Secondo il principio di Le Chatelier, in risposta ad una variazione nella concentrazione di una delle specie chimiche che partecipa alla reazione, l’equilibrio si sposta in modo da ottenere nuovamente la concentrazione originaria. In altre parole, se aumentiamo la concentrazione di una specie chimica, l’equilibrio si sposterà dalla parte opposta (portando quindi al suo consumo), se invece ne diminuiamo la concentrazione l’equilibrio si sposterà in modo tale da portare ad una sua produzione.
   
   
   2. Modificazione della pressione
      Le modificazioni della pressione incidono solo su reagenti e prodotti che si trovano in fase gassosa, in quanto liquidi e solidi sono praticamente incomprimibili. Una reazione in fase gassosa reagisce ad un aumento di pressione esterna spostando il suo equilibrio in modo da rendere minimo tale aumento, quindi ridurrà il numero complessivo di molecole presenti all’equilibrio (diminuendo il numero di particelle diminuisce la pressione). Di conseguenza, si sposterà verso il lato della reazione in cui è complessivamente minore il numero di moli gassose. Nel caso in cui il numero di moli gassose dei reagenti sia uguale al numero di moli gassose dei prodotti, l’equilibrio è indifferente ad un cambiamento di pressione.
   
   
   3. Variazione della temperatura
      In base al principio di Le Chatelier una reazione risponde ad un aumento di temperatura modificando le condizioni di equilibrio al fine di rendere minimo l’effetto dell’aumento di calore. Lo spostamento è differente a seconda che la reazione sia esotermica o endotermica. Per prevedere in modo semplice le variazioni dell’equilibrio, è possibile trattare il calore di reazione come un reagente nelle reazioni endotermiche e come un prodotto nelle reazioni esotermiche. Di conseguenza applicheremo le stesse considerazioni viste nel caso di variazione della concentrazione di un reagente o di un prodotto.

Una volta appurata la teoria proviamo a fare qualche esercizio!