Cos'è l'equilibrio chimico?
La maggior parte delle reazioni procede in entrambe le direzioni contemporaneamente. Le molecole dirette si combinano in prodotti mentre le molecole dei prodotti si scindono di nuovo, e quando le due velocità si annullano esattamente, le concentrazioni si fissano sui loro valori di equilibrio — non perché qualcosa si sia fermato, ma perché ogni cambiamento viene annullato appena avviene. Quel rapporto congelato è catturato da un unico numero, la costante di equilibrio K: i prodotti elevati ai loro coefficienti, divisi per i reagenti elevati ai loro. Per la reazione di Haber N2 + 3H2 = 2NH3, Kc = [NH3]2/([N2][H2]3). K è un punteggio di braccio di ferro: molto maggiore di 1 e vincono i prodotti, molto minore e vincono i reagenti.
La regola da ricordare: solo la temperatura cambia K. Concentrazione, pressione e catalizzatori possono spostare la posizione dell'equilibrio — non spostano mai la costante stessa.
Kc, Kp e il ponte tra loro
Quando tutto è disciolto, K usa le concentrazioni (Kc); per i gas funzionano anche le pressioni parziali (Kp). Sono la stessa costante con abiti diversi, legate da Kp = Kc(RT)Δn, dove Δn conta le molecole gassose dal lato dei prodotti meno quelle dal lato dei reagenti. Per la reazione di Haber Δn = 2−4 = −2, quindi Kp è molto più piccola di Kc: con Kc = 4,0 a 500 K l'esempio calcola Kp = 2,4×10−3. La termodinamica chiude il cerchio dall'altro lato: ΔG° = −RT ln K, quindi ΔG° = −10 kJ/mol si converte in K ≈ 57 (favoriti i prodotti) nel pannello di Gibbs — un piccolo vantaggio di energia libera è già un grande rapporto.
Tabelle ICE: la contabilità dell'avvicinamento
Per prevedere dove finisce una reazione, disponga tre righe: Iniziale (concentrazioni iniziali), Cambiamento come ±coefficienti·x, Equilibrio come somma delle due. Poi risolva per x. L'esempio ICE parte da N2 + 3H2 con 1,0 e 3,0 M senza ammoniaca e Kc = 4,0; il risolutore trova x ≈ 0,65, quindi all'equilibrio coesistono circa 0,35 M di N2, 1,06 M di H2 e 1,29 M di NH3 — e reinserendoli si riproduce Kc = 4,0, che è esattamente la verifica stampata dal pannello. I libri di testo ammettono la scorciatoia «x è piccolo» quando reagisce meno del 5%; questa pagina invece risolve l'equazione completa, quindi non serve alcuna ipotesi del genere.
Q rispetto a K: da che parte si va?
Il quoziente di reazione Q è la formula di K applicata alle concentrazioni che esistono in questo momento, prima dell'equilibrio. Confrontandoli si ottiene la direzione: Q < K, diretta; Q > K, inversa; Q = K, già lì. L'esempio di Q è un caso drammatico — con Kc = 4,0 ma Q = 4×104, la miscela è sommersa dai prodotti e la reazione va violentemente all'indietro. Q è il modo in cui un chimico prevede la direzione di una miscela proposta prima di mescolarla, ed è anche come l'organismo decide, per esempio, se l'emoglobina debba legare o rilasciare ossigeno.
Le Chatelier: la regola dello stress
Se si disturba un equilibrio, questo si sposta per attenuare il disturbo. Aggiunga reagente → ne consuma una parte; rimuova il prodotto → se ne forma altro; comprima una miscela di gas → si sposta verso il lato con meno molecole gassose; la riscaldi → si sposta nella direzione endotermica. Noti la nota nascosta nel riquadro chiave qui sopra: la temperatura è l'unico stress che cambia K stesso (ricalibra l'intero braccio di ferro), mentre pressione e concentrazione lo riposizionano soltanto. Un catalizzatore non cambia nessuna delle due cose — accelera diretta e inversa allo stesso modo, quindi l'equilibrio arriva prima ma esattamente nello stesso punto. Il processo Haber è la vetrina industriale: 4 molecole gassose diventano 2, quindi l'alta pressione spinge verso NH3, mentre la temperatura scambia la resa con la velocità.
Idee sbagliate comuni
- Equilibrio significa che la reazione si è fermata. Entrambe le direzioni continuano alla massima velocità; è solo la variazione netta a essere zero.
- Aggiungere reagente aumenta K. Sposta temporaneamente la posizione e Q in avanti, poi il sistema torna alla stessa K. Solo la temperatura muove K.
- Un catalizzatore aumenta la resa. Cambia il tempo per raggiungere l'equilibrio, mai la sua posizione. Le rese industriali si spostano tramite temperatura, pressione e rimozione continua del prodotto.
- All'equilibrio le concentrazioni di reagenti e prodotti sono uguali. Concentrazioni uguali significano K = 1, nient'altro. K = 4,0 nell'esempio: i prodotti sono già favoriti quattro volte, eppure chiaramente non uguali.
Strumenti correlati: Acido-base e pH (Ka e Kb sono costanti di equilibrio), Termochimica (da dove provengono ΔG e K) e Cinetica (le velocità che stabiliscono quanto in fretta si raggiunge l'equilibrio).
