L’equilibrio chimico è una condizione dinamica che si raggiunge in una reazione reversibile quando la velocità di formazione dei prodotti è uguale alla velocità della loro degradazione.

Le reazioni irreversibili hanno una freccia che indica il verso della reazione, gli equilibri chimici invece utilizzano doppie frecce per indicare che avvengono entrambe le reazioni.

La legge dell’azione di massa proposta da Waage e Guldberg (1864) mette in relazione le velocità di formazione delle reazioni con le concentrazioni dei reagenti. Prendiamo per esempio una generica reazione reversibile:

Le velocità di formazione e di decomposizione dei prodotti in relazione alle loro concentrazioni saranno rispettivamente:

All’equilibrio le due velocità saranno identiche quindi il prodotto delle concentrazioni per le costanti saranno paragonabili e riducibili all’equazione di equilibrio:

Per le reazioni chimiche all’equilibrio che si svolgono in fase gassosa è possibile utilizzare al posto delle concentrazioni molari le pressioni parziali dei composti allo stato gassoso.

Le pressioni parziali si possono ricavare dall’equazione di stato dei gas perfetti:

Dove la costante dei gas vale 0,0821 (L x atm)/(mol x K)

La costante di equilibrio molare e la costante di equilibrio delle pressioni sono correlata dalle seguente equazione:

Dove l’esponente è la differenza tra la somma dei coefficienti stechiometrici dei prodotti con la somma di quelli dei reagenti.

Fattori che influenzano l’equilibrio

• La temperatura: per le reazioni esoergoniche l’aumento della temperatura porta ad una riduzione della costante di equilibrio, nelle reazioni endoergoniche l’aumento della costante si ha con l’aumento della temperatura favorendo quindi la formazione dei prodotti
• La pressione: nelle reazioni in fase gassosa l’aumento della pressioni favorisce la reazione che porta alla formazione di un numero minore di molecole
• L’aumento della concentrazione dei reagenti: l’aggiunta di un reagente porta a favorire la reazione di formazione dei prodotti

L’effetto delle perturbazioni dell’equilibrio viene valutato dal Principio di Le Chatelier:

Quando un sistema in equilibrio viene perturbato, esso reagirà per ridurre o annullare l'effetto della perturbazione ristabilendo un nuovo equilibrio.

Quoziente di reazione

Il quoziente di reazione (Q) si può calcolare in ogni istante della reazione attraverso la stessa formula della costante di equilibrio, utilizzando le concentrazioni di quel determinato istante. Questo valore può essere utile per determinare in quale verso procederà la reazione.

• Quando Q<K: la reazione procederà verso destra
• Quando Q>K: la reazione procederà verso sinistra
• Quando Q=K: la reazione ha raggiunto l’equilibrio

Anche l’energia libera di Gibbs è correlata alla costante di equilibrio:

In questo caso è necessario utilizzare R=8,31×10^-3 kJ / (K x mol).

In un istante qualsiasi della reazione la relazione sarà:

Quando ΔG è negativo la reazione diretta sarà spontanea (la reazione procederà verso destra) se il ΔG è positivo, la reazione inversa sarà spontanea (la reazione procederà verso sinistra).

Casi particolari

Nelle costanti di equilibrio non vengono incluse le concentrazioni di solidi e liquidi puri che hanno convenzionalmente concentrazione unitaria. Ad esempio:

Fonti

1) IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook.

2) L'equilibrio chimico - Sapere.it http://www.sapere.it/sapere/strumenti/studiafacile/chimica/La-comprensione-e-il-controllo-delle-trasformazioni-chimiche/La-cinetica-chimica-e-l-equilibrio-chimico/L-equilibrio-chimico.html