Chapter 14: Chemical Equilibrium

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14.1:

Equilibrio dinamico

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Chimica

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Dynamic Equilibrium

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Una reazione chimica reversibile è quella in cui la conversione dei reagenti in prodotti e la conversione dei prodotti in reagenti avvengono simultaneamente. Una doppia freccia fra i reagenti e i prodotti indica la sua natura reversibile. Quando la velocità di formazione dei prodotti, o la velocità della reazione diretta, è uguale alla velocità di formazione dei reagenti, o alla velocità della reazione inversa, si ottiene l’equilibrio chimico.L’equilibrio chimico è infatti un processo dinamico. Dall’esterno, l’intero sistema appare statico tuttavia, a livello molecolare, è altamente attivo. Considerate la decomposizione termica del pentacloruro di fosforo.Quando viene riscaldato in un contenitore chiuso, il pentacloruro di fosforo gassoso si decompone in una miscela di tricloruro di fosforo e cloro gassoso, in una reazione reversibile. Man mano che la reazione procede, la concentrazione di pentacloruro di fosforo diminuisce mentre aumentano il tricloruro di fosforo e il gas di cloro. Ne consegue che la velocità della reazione diretta diminuisce e quella della reazione inversa aumenta.Alla fine, le velocità delle reazioni dirette e inverse diventano uguali e il sistema raggiunge l’equilibrio chimico. In questo stato, le concentrazioni relative di pentacloruro di fosforo, tricloruro di fosforo e cloro, non cambiano più. Tale stato di equilibrio è anche detto equilibrio dinamico perché sia le reazioni dirette che quelle inverse continuano a verificarsi, ma alla stessa velocità.Poiché i reagenti e i prodotti si formano alla stessa velocità con cui vengono consumati, le loro concentrazioni rimangono costanti, sebbene non necessariamente uguali. Un equilibrio chimico è omogeneo se tutti i reagenti e i prodotti in una data reazione reversibile sono nella stessa fase sia gassosa che acquosa. In un equilibrio eterogeneo, reagenti e prodotti esistono in fasi diverse.

14.1:

Equilibrio dinamico

Una reazione chimica reversibile rappresenta un processo chimico che procede sia in avanti (da sinistra a destra) che in retromarcia (da destra a sinistra). Quando i tassi delle reazioni avanti e indietro sono uguali, le concentrazioni del reagente e delle specie di prodotto rimangono costanti nel tempo e il sistema è in equilibrio. Una doppia freccia speciale viene utilizzata per enfatizzare la natura reversibile della reazione. Le concentrazioni relative di reagenti e prodotti nei sistemi di equilibrio variano notevolmente; alcuni sistemi contengono per lo più prodotti in equilibrio, alcuni contengono per lo più reagenti, e alcuni contengono quantità apprezzabili di entrambi.

Equilibrio dinamico nelle reazioni chimiche

Si consideri la decomposizione reversibile del tetrossido di dinitrogeno incolore per produrre biossido di azoto marrone, descritto dall’equazione:

All’inizio della reazione(tempo = 0), la concentrazione del reagente N 2 O₄ è finita e quella del prodotto NO₂ è zero, quindi la reazione in avanti procede ad una velocità finita_mentrela velocità di reazione inversa è zero. Con il passare del tempo, N₂O_{4 viene} consumato e la sua concentrazione diminuisce, mentre viene prodotto NO₂ e la sua concentrazione aumenta. La concentrazione decrescente del reagente rallenta la velocità di reazione in avanti e l’aumento della concentrazione del prodotto accelera la velocità di reazione inversa. Questo processo continua fino a quando le velocità di reazione avanti e indietro diventano uguali, momento in cui la reazione ha raggiunto l’equilibrio. È importante sottolineare che gli equilibri chimici sonodinamici; una reazione all’equilibrio non si è “fermata”, ma sta procedendo nelle direzioni avanti e indietro alla stessa velocità. Pertanto, all’equilibrio, le concentrazioni di N₂O₄ e NO_{2 non cambiano} più perché il tasso di formazione di NO₂ è esattamente uguale al tasso di consumo di NO₂e il tasso di formazione di N₂O₄ è esattamente uguale al tasso di consumo di N₂O₄.

Equilibri omogenei ed eterogenei

Un equilibrio omogeneo è quello in cui tutti i reagenti e i prodotti (e tutti i catalizzatori, se del caso) sono presenti nella stessa fase, sia acquosa che gassosa, come illustrato dai seguenti esempi:

Un equilibrio eterogeneo coinvolge reagenti e prodotti in due o più fasi diverse, come illustrato dal seguente esempio:

Questo testo è stato adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 13.1 Chemical Equilibria.

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Dynamic Equilibrium Reversible Chemical Reaction Reactants Products Rate Of Formation Forward Reaction Reverse Reaction Chemical Equilibrium Thermal Decomposition Phosphorus Pentachloride Phosphorus Trichloride Chlorine Gas Concentration Relative Concentrations