Equilibrio chimico Capitolo 14 Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl L’equilibrio è uno stato nel quale non si osservano variazioni osservabili nel tempo. L’equilibrio chimico si raggiunge quando: • Le velocità delle reazioni diretta e inversa sono uguali e quando • Le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti rimangono costanti Equilibrio fisico H2O (l) H2O (g) Equilibrio chimico N2O4 (g) Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang 2NO2 (g) Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl N2O4 (g) 2NO2 (g) equilibrio equilibrio equilibrio Partendo da NO2 Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Partendo da N2O4 Partendo da NO2 & N2O4 Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl costante Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl N2O4 (g) K= [NO2]2 [N2O4] aA + bB K= [C]c[D]d 2NO2 (g) = 4.63 x 10-3 cC + dD Legge di azione delle masse [A]a[B]b Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl K= [C]c[D]d aA + bB cC + dD [A]a[B]b L’equilibrio K >> 1 È spostato a destra Favorisce i prodotti K << 1 È spostato a sinistra Favorisce i reagenti Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl L’equilibrio omogeneo si istaura in reazioni nelle quali tutte le specie reagenti sono nella stessa fase. N2O4 (g) Kc = [NO2 2NO2 (g) ]2 Kp = [N2O4] 2 PNO 2 PN2O4 Nella maggior parte dei casi Kc Kp aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) Kp = Kc(RT)Dn Dn = moli di prodotti gassosi – moli di reagenti gassosi = (c + d) – (a + b) Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Equilibrio omogeneo CH3COOH (aq) + H2O (l) [CH3COO-][H3O+] Kc‘ = [CH3COOH][H2O] CH3COO- (aq) + H3O+ (aq) [H2O] = costante [CH3COO-][H3O+] = Kc‘ [H2O] Kc = [CH3COOH] La costante di equilibrio è adimensionale. Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Le concentrazioni all’equilibrio nella reazione fra il monossodo di carbonio ed il cloro molecolare per formare COCl2 (g) a 740C sono [CO] = 0.012 M, [Cl2] = 0.054 M, e [COCl2] = 0.14 M. Calcola le costanti di equilibrio Kc e Kp. CO (g) + Cl2 (g) COCl2 (g) [COCl2] 0.14 = = 220 Kc = [CO][Cl2] 0.012 x 0.054 Kp = Kc(RT)Dn Dn = 1 – 2 = -1 R = 0.0821 T = 273 + 74 = 347 K Kp = 220 x (0.0821 x 347)-1 = 7.7 Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl La costante di equilibrio Kp per la reazione 2NO2 (g) 2NO (g) + O2 (g) è 158 a 1000K. Qual è la pressione all’equilibrio di O2 se la PNO =2 0.400 atm e PNO = 0.270 atm? Kp = 2 PNO PO2 2 PNO 2 PO2 = Kp 2 PNO 2 2 PNO PO2 = 158 x (0.400)2/(0.270)2 = 347 atm Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl L’equilibrio eterogeneo si instaura nelle reazioni nelle quali i reagenti e i prodotti sono in fasi differenti. CaCO3 (s) [CaO][CO2] Kc‘ = [CaCO3] [CaCO3] Kc = [CO2] = Kc‘ x [CaO] CaO (s) + CO2 (g) [CaCO3] = costante [CaO] = costante Kp = PCO2 La concentrazione di solidi e liquidi puri non viene inclusa nell’espressione della costante di equilibrio. Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) PCO 2 = Kp PCO 2 Non dipende dalla quantità di CaCO3 o CaO Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Considera il seguente equilibrio a 295 K: NH4HS (s) NH3 (g) + H2S (g) La pressione parziale di ciascun gas è 0.265 atm. Calcola la Kp e la Kc per la reazione? Kp = PNH PH S = 0.265 x 0.265 = 0.0702 3 2 Kp = Kc(RT)Dn Kc = Kp(RT)-Dn Dn = 2 – 0 = 2 T = 295 K Kc = 0.0702 x (0.0821 x 295)-2 = 1.20 x 10-4 Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl A+B C+D Kc‘ C+D E+F Kc‘‘ A+B E+F [C][D] Kc‘ = [A][B] [E][F] Kc‘‘ = [C][D] [E][F] Kc = [A][B] Kc Kc = Kc‘ x Kc‘‘ Se una reazione può essere espressa come somma di due o più reazioni, la costante di equilibrio della reazione globale è data dal prodotto delle costanti di equilibro delle singole reazioni. Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl N2O4 (g) K= [NO2]2 [N2O4] 2NO2 (g) = 4.63 x 10-3 2NO2 (g) N2O4 (g) [N2O4] 1 = 216 K‘ = = 2 K [NO2] Quando si scrive una reazione nella direzione opposta, la costante di equilibrio diventa il reciproco della costante di equilibrio originale. Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Le espressioni della costante di equilibrio 1. Le concentrazioni delle specie reagenti nella fase condensata sono espresse in M. In fase gassosa, le concentrazioni possono essere espresse in M o in atm. 2. Le concentrazioni di solidi puri, liquidi puri e solventi non appaiono nella costante di equilibrio. 3. La costante di equilibrio è adimensionale. 4. Citando il valore di una costante di equilibrio, bisogna specificare la equazione bilanciata a cui si riferisce e la temperatura. 5. Se una reazione può essere espressa come somma di due o più reazioni, la costante di equilibrio per la reazione globale è data dal prodotto delle costanti di equilibrio delle singole reazioni. Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Cinetica chimica e equilibrio chimico A + 2B kf kr ratef = kf [A][B]2 AB2 rater = kr [AB2] Equilibrio velocitàf = velocitàr kf [A][B]2 = kr [AB2] kf [AB2] = Kc = kr [A][B]2 Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Il quoziente di reazione (Qc) si calcola sostituendo le concentrazioni iniziali dei reagenti e dei prodotti nella espressione della costante di equilibrio (Kc). SE • Qc > Kc il sistema evolve da destra a sinistra per raggiungere l’equilibrio • Qc = Kc il sistema è all’equilibrio • Qc < Kc il sistema evolve da sinistra a destra per raggiungere l’equilibrio Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Calcolo delle concentrazioni all’equilibrio 1. Esprimere le concentrazioni all’equilibrio di tutte le specie con le concentrazioni iniziali ed una singola incognita x, che rappresenta la variazione di concentrazione. 2. Scrivere l’espressione della costante di equilibrio con le concentrazioni all’equilibrio. Se è noto il valore della costante ricavare la x. 3. Ricavata la x, calcolare le concentrazioni all’equilibrio di tutte le specie. Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl A 12800C la costante di equilibrio (Kc) della reazione Br2 (g) 2Br (g) è 1.1 x 10-3. Se le concentrazioni iniziali sono [Br2] = 0.063 M e [Br] = 0.012 M, calcola le concentrazioni di queste specie all’equilibrio. Sia x la variazione di concentrazioni di Br2 Br2 (g) 2Br (g) 0.063 0.012 -x +2x 0.063 - x 0.012 + 2x Iniziale (M) Cambiamento (M) Equilibrio (M) [Br]2 Kc = [Br2] (0.012 + 2x)2 = 1.1 x 10-3 Kc = 0.063 - x Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Ricavare x Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl (0.012 + 2x)2 = 1.1 x 10-3 Kc = 0.063 - x 4x2 + 0.048x + 0.000144 = 0.0000693 – 0.0011x 4x2 + 0.0491x + 0.0000747 = 0 -b ± b2 – 4ac 2 x= ax + bx + c =0 2a x = -0.0105 x = -0.00178 Br2 (g) 2Br (g) 0.063 0.012 -x +2x 0.063 - x 0.012 + 2x Iniziale (M) Cambiamento (M) Equilibrio (M) All’equilibrio, [Br] = 0.012 + 2x = -0.009 M or 0.00844 M All’equilibrio, [Br2] = 0.062 – x = 0.0648 M Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Principio di Le Châtelier Se una perturbazione esterna agisce su di un sistema all’equilibrio, il sistema si assesta in modo da rimuovere la perturbazione e raggiungere un nuovo stato di equilibrio. • Variazioni di concentrazione N2 (g) + 3H2 (g) L’equilibrio si sposta a sinistra per ridurre la perturbazione . 2NH3 (g) Add NH3 Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Principio di Le Châtelier • Variazioni di concentrazione - continua Aggiungi Scompare Scompare Aggiungi aA + bB cC + dD Variazione L’equilibrio si sposta a Aumenta la concentrazione dei prodotti Diminuisce la concentrazione dei prodotti Aumenta la concentrazione dei reagenti Diminuisce la concentrazione dei reagenti Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang sinistra destra destra sinistra Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Principio di Le Châtelier • Variazioni di Volume e Pressione A (g) + B (g) Variazione Aumento di pressione Diminuzione di pressione Aumento di volume Diminuzione di volume Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang C (g) L’equilibrio si sposta verso dove ci sono meno moli di gas dove ci sono più moli di gas dove ci sono più moli di gas dove ci sono meno moli di gas Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Principio di Le Châtelier • Variazioni di Temperatura Cambiamento Reaz esotermica K diminuisce Diminuzione della temperatura K aumenta Aumento della temperatura Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Più freddo Reaz endotermica K aumenta K diminuisce più caldo Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Principio di Le Châtelier • Aggiungendo un catalizzatore • non cambia K • non cambia la posizione del sistema all’equilibrio • il sistema raggiunge prima l’equilibrio Non catalizzata catalizzata Il catalizzatore abbassa Ea sia per la reazione diretta che inversa. Il catalizzatore non sposta l’equilibrio e non cambia la costante. Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl La chimica all’opera La vita ad alta quota e la produzione di emoglobina Hb (aq) + O2 (aq) Kc = HbO2 (aq) [HbO2] [Hb][O2] Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl La chimica all’opera: il processo Haber N2 (g) + 3H2 (g) Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang 2NH3 (g) DH0 = -92.6 kJ/mol Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl Il principio di Le Châtelier Cambiamento Spostamento dell’equilibrio La costante d’equilibrio varia? Concentrazione sì no Pressione sì no Volume sì no Temperatura sì sì Catalizzatore no no Fondamenti di chimica generale – Seconda edizione Raymond Chang Copyright © 2015 – McGraw-Hill Education (Italy) Srl