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CONCETTO DI “EQUILIBRIO”
Un sistema è in equilibrio quando le sue proprietà non cambiano nel tempo. Nel caso di una reazione chimica, l’equilibrio viene dunque raggiunto quando le concentrazioni di reagenti e prodotti rimangono costanti nel tempo.
Tuttavia, è noto che, in un sistema aperto (cioè un sistema in grado di interagire con l’ambiente esterno), le concentrazioni dei reagenti tendono a diminuire fino ad azzerarsi man mano che viene data origine ai prodotti. Quindi, man mano che le concentrazioni dei reagenti diminuiscono, le concentrazioni dei prodotti aumentano (all’opposto della velocità di reazione: via via che vengono consumati i reagenti, la velocità di reazione diminuisce fino a diventare 0).
Come è dunque possibile che in alcune reazioni possa essere raggiunto un equilibrio?
In base al ragionamento appena fatto, in un sistema aperto la concentrazione dei reagenti dovrebbe diminuire sempre di più fino ad arrivare a 0 e alla fine essere presenti solo i prodotti. Invece, dopo un tot di tempo (TEMPO DI EQUILIBRIO), in alcune reazioni si assiste al raggiungimento di un EQUILIBRIO CHIMICO, ossia, dopo una iniziale riduzione dei reagenti con conseguente aumento dei prodotti, le concentrazioni di entrambi rimangono fisse e non uguali a 0.
La ragione è che vi sono reazioni in cui, dopo un certo periodo di tempo, nello stesso momento in cui i reagenti danno origine ai prodotti, anche i prodotti reagiscono fra di loro per riformare i reagenti. Se queste due reazioni avvengono alla stessa velocità, si raggiunge dunque un EQUILIBRIO CHIMICO per cui le concentrazioni tra reagenti e prodotti non cambiano nel tempo e sono in equilibrio fra loro.
Una reazione chimica si definisce dunque “all’equilibrio” quando i prodotti reagiscono fra di loro per ridare i reagenti, il tutto alla stessa velocità con cui i reagenti formano i prodotti. Questo tipo di reazione si chiama anche INCOMPLETA, ed è REVERSIBILE perché avviene in entrambi i sensi: i reagenti danno origine ai prodotti ma vengono anche rigenerati dagli stessi prodotti, quindi la somma della concentrazione di reagenti e prodotti è uguale.
Le reazioni in cui non si raggiunge l’equilibrio chimico ma i reagenti scompaiono del tutto, sono invece reazioni COMPLETE e sono IRREVERSIBILI.
L’equilibrio può essere raggiunto solo in un sistema chiuso (non in grado di interagire con l’ambiente). In un sistema chiuso, infatti, vale la LEGGE DI LAVOISIER (O LEGGE DELLA CONSERVAZIONE DI MASSA): la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti. Nulla si crea e nulla si distrugge, e quindi la quantità di reagenti è pari a quella dei prodotti.
Perciò, un sistema (o reazione) all’equilibrio è un sistema CHIUSO.
Una reazione chimica all’equilibrio, come già detto, avviene in entrambe le direzioni. Si definisce attraverso la formula:
A + B ⇌ C + D
Dove A e B sono i reagenti e C e D sono i prodotti.
La reazione orientata verso DESTRA si definisce “DI SINTESI” o DIRETTA, ed è quella che produce i prodotti a partire dai reagenti.
La reazione orientata verso SINISTRA si definisce “DI DECOMPOSIZIONE” o INVERSA, ed è quella che riproduce i reagenti a partire dai prodotti.
La reazione diretta è dunque indicata con la freccia verso DESTRA: →
La reazione inversa è dunque indicata con la freccia verso SINISTRA: ←
Questo equilibrio viene raggiunto a un certo livello di temperatura (T) e di pressione (P).
Come già detto, dal momento che le due reazioni (sia quella diretta che quella inversa) sono in equilibrio, per definizione avvengono continuamente nello stesso momento, e quindi le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti si mantengono sempre costanti nel tempo. Tali concentrazioni sono espresse dai COEFFICIENTI STECHIOMETRICI di reagenti e prodotti, che indicano il numero di moli di questi (nell’esempio sottostante sono scritti come una lettera minuscola):
aA + bB ⇌ cC + dD
Lo stato di equilibrio raggiunto (cioè il rapporto tra le concentrazioni di prodotti e reagenti) è espresso dalla COSTANTE DI EQUILIBRIO (Kc) che è data dalla formula:
Kc = [C]c [D]d /[A]a [B]b
Dove le lettere minuscole sono degli ESPONENTI (per ragioni grafiche si sono scritti accanto anziché in alto) e rappresentano i coefficienti stechiometrici (moli di reagenti e prodotti) che erano stati scritti davanti alle lettere maiuscole nella reazione di partenza. Le lettere tra le parentesi quadre sono invece le concentrazioni in termini di MOLARITA’ (M) di reagenti e prodotti. Entrambe le grandezze (moli e molarità) corrispondono ai valori di concentrazione raggiunti da reagenti e prodotti ALL’EQUILIBRIO, e non all’inizio della reazione!
La Kc può essere anche scritta come Keq, cioè appunto “costante di equilibrio”. La legge che definisce l’equilibrio chimico è detta “legge di azione di massa” o “legge dell’equilibrio chimico” (Guldberg-Waage, 1864).
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