Perfettamente bilanciato
[di IJRO da Pixabay]

Come avrete oramai intuito, sono un appassionato di fumetti e film sui supereroi, quindi non potevo evitare di citare Thanos nel parlarvi dell’equilibrio chimico.

In molte delle scorse puntate del nostro #ChemTuesday abbiamo parlato di reazioni chimiche, ma una domanda apparentemente banale è: “Quando finisce una reazione chimica ?”.
Il chimico risponderebbe: “Quando ha raggiunto l’equilibrio.”. 

Per capire questa risposta, oggi vi racconto del cosiddetto principio dell’equilibrio mobile.

Andiamo con ordine.
L’equilibrio di una reazione chimica a una data temperatura è dettato da una quantità nota come costante di equilibrio, K

Quindi cos’è l’equilibrio chimico?
L’equilibrio chimico è la condizione in cui le quantità delle sostanze coinvolte nella reazione non variano più nel tempo
Si tratta di un equilibrio dinamico, perché la reazione non si ferma, ma il processo diretto e quello inverso si bilanciano. 

Non preoccupatevi: a breve, con le amiche equazioni, sarà tutto molto più comprensibile.
Come informazione preliminare rimane da dire che le reazioni chimiche si possono classificare in due categorie:

  • reazioni a completamento;
  • reazioni di equilibrio.

Nelle reazioni a completamento almeno uno dei reagenti viene consumato completamente.
Esempi rilevanti di reazioni a completamento sono le combustioni: accendo il fuoco per le ali di pollo arrosto e la legna viene bruciata del tutto.

(sì, ragazzi: penso sempre al cibo)

Per esclusione, le reazioni di equilibrio sono tutte le altre, in cui nessuno dei reagenti si consuma completamente, ma ne resta una quantità nota come concentrazione di equilibrio.
Quindi, data la reazione generica:

aA + bB ⇄ cC + dD

dove le lettere minuscole sono i coefficienti stechiometrici – no, non è una parolaccia, sono semplicemente dei numeri interi come 1, 2, 3, etc… – mentre le lettere maiuscole sono le sostanze chimiche più disparate: anidride carbonica, alcol etilico, acqua, e chi più ne ha più ne metta.
La costante di equilibrio è definita:

Osservando con attenzione la definizione, bisogna notare che al numeratore si trovano le attività dei reagenti, mentre al denominatore i reagenti… Tenetelo a mente, ci servirà tra poco. 

Nell’esempio “aC” è l’attività di equilibrio della sostanza C.

In un articolo precedente avevamo visto come l’attività di una sostanza possa essere approssimata con la sua concentrazione molare privata dell’unità di misura. 

Di conseguenza il valore della costante di equilibrio detta dove l’equilibrio è spostato.

 Come direbbe il buon Verdone “‘n che senso?”.

Se durante la reazione i reagenti si consumano parecchio, il valore dei termini al denominatore cala perché le concentrazioni di equilibrio sono modeste.
Un alto valore della costante di equilibrio indica quindi che la reazione procede verso i prodotti, cioè “l’equilibrio è spostato a destra”. Viceversa, un valore minore di uno di K è sinonimo di equilibrio spostato a sinistra, cioè avviene il processo inverso in cui i prodotti vengono consumati e le concentrazioni dei reagenti aumentano.  

Tutto questa spiegazione ha delle applicazioni pratiche?
Beh direi di sì.
Come detto in precedenza, l’equilibrio chimico è dinamico.
Questo significa che se un intervento esterno rompe l’equilibrio, la reazione chimica si “comporta” in maniera da azzerare la perturbazione e ripristinare l’equilibrio.

Ad esempio, se un chimico volesse forzare la formazione della specie C nella reazione generica scritta in alto, basterebbe aumentare la concentrazione dei reagenti A e B.
Il sistema consuma questi reagenti fino a quando le nuove concentrazioni di ogni sostanza non soddisfino la definizione di K.

Secondo voi, cosa succede se cambio la temperatura a cui avviene la reazione? Scrivetelo nei commenti.

Jonathan Campeggio

Bibliografia:

[1] Peter Atkins, Julio de Paola, Physical Chemistry, Zanichelli, 5 edizione.