15 Maggio 2012 Equilibrio chimico: non è statico!

Data pubblicazione: Jun 15, 2012 5:55:24 PM

Tiriamo le somme. Dalle precedenti esperienze abbiamo imparato che:

1. I reagenti si trasformano a velocità decrescente man mano che la reazione va avanti, perché diminuiscono le loro concentrazioni e, con esse, diminuisce la probabilità e la frequenza degli "scontri" efficaci o urti reattivi. Ciò deve accadere sempre, a meno che i reagenti non siano continuamente riforniti.

2.Nella maggior parte delle reazioni note la trasformazione, veloce o lenta che sia, va avanti fino all'esaurimento completo di uno dei reagenti che era fin dall'inizio presente in quantità limitata rispetto al rapporto stechiometrico. Questo reagente, che si chiama limitante, non potrà consumare tutto l'altro reagente, una parte del quale resterà pertanto in eccesso insieme al miscuglio dei prodotti. Definiamo queste come reazioni complete.

Se entrambi i reagenti sono nel corretto rapporto stechiometrico, essi si trasformeranno fino a scomparire del tutto e avremo solo prodotti nel miscuglio alla fine della reazione. La reazione di titolazione acido base è un esempio di reazione completa.

Ogni volta che una goccia di soluzione di NaOH cade nel bicchiere dove c'è l'eccesso di HCl, essa si trasforma in modo completo in NaCl e acqua.

Quando avremo aggiunto esattamente un ugual numero di millimoli di NaOH quante erano le millimoli di HCl (punto equivalente) avremo solo prodotti: NaCl e acqua, e non ci saranno tracce di NaOH né di HCl.

3. Esistono alcune reazioni particolari dove invece di raggiungere la completa trasformazione, i reagenti sembrano "bloccarsi" a metà strada. È questo ad esempio il caso della reazione tra tricloruro ferrico e ione solfocianuro, in cui si forma immediatamente la colorazione rossa del prodotto FeSCN⁺⁺, ma poiché sia l'aggiunta di FeCl₃ che l'aggiunta di KSCN determinano l'aumento della concentrazione (e della colorazione) di questo prodotto, deduciamo che è come se nessuno dei due reagenti si comporti da reagente limitante, ovvero che ambedue i reagenti restano in eccesso. Potrebbero reagire tra loro, ma non lo fanno più. O almeno così sembra all'apparenza.

Chiameremo reazioni d'equilibrio queste reazioni inspiegabilmente incomplete.

Spiegazione

Ricordate gli urti casuali nella pista degli autoscontri? Immaginate che ad ogni urto reattivo tra due macchine bianche queste si trasformino in altre macchine rosse e che queste non solo continuino a scorrazzare per la pista, ma che pure queste abbiano evidentemente la possibilità di urtare, a casaccio tutte le altre macchine. Nel caso di urti tra due macchine rosse, poco probabili all'inizio, queste potrebbero ridiventare bianche. La trasformazione da bianche a rosse sarebbe più rapida all'inizio, partendo da tutte macchine bianche, ma poi diminuirebbe col diminuire del numero di macchine bianche. D'altra parte la trasformazione inversa, all'aumentare delle macchine rosse, diventerebbe sempre più frequente. Si arriverà a un punto che le due velocità si bilanceranno esattamente e il numero di macchine bianche e rosse statisticamente resterà costante.

Questo punto in cui le velocità delle reazioni diretta e inversa giungono a controbilanciarsi esattamente segna, per chi guarda da lontano, la fine della trasformazione, ed è chiamato stato di equilibrio dinamico. L'aggettivo dinamico ci rivela che in realtà la reazione continua in eterno, dia dai reagenti ai prodotti che viceversa, almeno finché non si altereranno le condizioni del sistema.

La simulazione di questo video descrive in modo approssimativo il raggiungimento dell'equilibrio.

Il video simula una reazione d'equilibrio spostata verso i prodotti. Che cos'è una reazione completa che avviene in un sistema chiuso? Non è altro che una reazione in cui Riccardo ha a disposizione non un becher più piccolo, ma un semplice ditale. In questo caso il recipiente dei reagenti (di Francesco, a sinistra) diventerebbe praticamente vuoto e tutta l'acqua sarebbe trasferita a destra, nel recipiente di Riccardo.

Un modo per alterare questo equilibrio senza fine consiste nell'aggiungere uno dei prodotti della reazione. È come aggiungere delle macchine rosse nell'autoscontro. Il risultato sarà che la probabilità degli urti tra le molecole dei prodotti aumenterà e si produrranno più reagenti, mentre la reazione diretta (da reagenti a prodotti) diventerà un po' più veloce fino a quando non arriverà ad uguagliare quella da della reazione inversa. Un altro modo di descrivere la risposta è dire che la "reazione ritorna indietro". In questo senso le reazioni d'equilibrio sono caraterizzate da reversibilità.

Nel caso della reazione:

FeCl₃ + SCN^- = FeSCN²⁺ + 3Cl^-

un'aggiunta di cloruro al sistema perturberà l'equilibrio e causerà la trasformazione di un po' di FeSCN²⁺ rosso e di Cl^- incolore in reagenti ambedue incolori. Dovremmo quindi vedere che l'aggiunta di cloruro di potassio provocherà la parziale decolorazione del prodotto rosso.

Il becher di sinistra contiene la soluzione iniziale, ripartita inizialmente nei 4 becher.

Nel secondo e terzo becher sono stati aggiunti rispettivamente FeCl₃ solido e KSCN solido, provocando, come già visto in precedenza, la formazione di maggiori quantità di prodotti, come confermato dalla colorazione più intensa. Nell'ultimo becher a destra è stato aggiunto un cucchiaio di KCl solido e, come previsto, ciò ha causato lo spostamento dell'equilibrio ad un nuovo stato con una minor quantità di complesso rosso.

Le sostanze reagenti e quelle prodotte nelle 4 diverse soluzioni stanno continuamente reagendo, ma le soluzioni sono solo in apparenza prive di trasformazioni. Le concentrazioni non cambiano più appena raggiunto l'equilibrio.