Velocità di reazione ed equilibrio chimico

Di Barbara Leone.

Note sintetiche sui fattori che influenzano l'equilibrio chimico, con riferimento al Principio di Le Chatelier e alla Legge dell’azione di massa, partendo dal conceto di velocità di reazione. Vengono analizzati tutti i fattori che influenzano la velocità delle reazioni chimiche, come la natura dei reagenti, la concentrazione, la temperatura ed i catalizzatori. Si parla anche dell'equilibrio chimico, partendo dalla reversibilità delle reazioni che viene indicata da due frecce con versi opposti tra reagenti e prodotti

Con il termine "velocità di reazione" si intende la variazione di concentrazione di reagenti o di prodotti nell’unità di tempo, cioè la quantità di reagenti che si trasforma o la quantità di prodotti che si forma in un determinato tempo. Ci sono reazioni velocissime o istantanee, che avvengono in frazioni di secondo, come ad esempio le esplosioni, e reazioni lente, che richiedono vari giorni, come ad esempio la formazione di ruggine.

Fattori che influenzano la velocità delle reazioni chimiche:
- Natura dei reagenti: quando si verifica una reazione chimica si rompono i legami dei composti di partenza e se ne formano di nuovi. La velocità con cui ciò può accadere dipende innanzitutto dal tipo di questi legami e quindi dalla natura dei reagenti. I legami complessi richiedono più tempo per essere demoliti e costruiti;
- Concentrazione: aumentando la concentrazione delle specie chimiche reagenti, la velocità di reazione aumenta;
- Temperatura: aumentando la temperatura aumenta la velocità di reazione;
- Catalizzatori: la presenza di catalizzatori aumenta la velocità di reazione. I catalizzatori sono sostanze che accelerano le reazioni senza prendervi parte, cioè alla fine della reazione rimangono inalterati.

Per spiegare la natura dei reagenti, la concentrazione e la temperatura, si ricorre in genere alla teoria delle collisioni, secondo la quale affinché due specie chimiche possano reagire fra loro devono prima di tutto venire in contatto tra loro, cioè devono urtarsi. Gli urti devono avvenire con una certa energia (urto efficace), cioè devono essere in grado di rompere i legami esistenti. L’efficacia degli urti dipende da due fattori: l’energia delle singole particelle che si scontrano e la geometria della collisione. La natura dei reagenti influenza la velocità in quanto i legami possono essere più o meno forti e complessi e difficili da rompere e la forma della molecola può rendere l’urto più o meno efficace. La concentrazione aumenta il numero di urti e quindi la probabilità di urti efficaci. La temperatura aumenta l’energia cinetica e la velocità delle particelle e di conseguenza l’efficacia degli urti.

L'efficacia dei catalizzatori si spiega invece ipotizzando che i catalizzatori richiamino sulla loro superficie le specie chimiche reagenti e pertanto ne facilitino l’incontro. Una seconda teoria ammette che la superficie dei catalizzatori possa arrivare a legare a sè le sostanze cje devono reagire e quindi esplichi un’azione di indebolimento o di rottura dei legami.

Equilibrio chimico

Si dice reversibile una reazione che può avvenire in entrambe le direzioni. La reversibilità viene indicata da due frecce con versi opposti tra reagenti e prodotti. Inizialmente la reazione diretta verso destra (ad esempio da A + B a C + D) avviene rapidamente poiché la concentrazione dei reagenti è la massima possibile. Col procedere della reazione la concentrazione dei reagenti diminuisce e con essa diminuisce la velocità di reazione, mentre interviene la reazione inversa, verso sinistra (da C + D ad A + B) che diventa sempre più veloce con l’aumentare della concentrazione dei prodotti.

Ci sarà quindi una velocità V1 della reazione verso destra che va diminuendo e una velocità V2 verso sinistra che va aumentando col passare del tempo. Ne consegue che ad un dato momento le due velocità V1 e V2 saranno uguali e quindi saranno uguali il numero di trasformazioni verso destra e verso sinistra. In questo momento le quantità dei reagenti e dei prodotti non cambiano più e la reazione si dice in equilibrio. Quindi una reazione reversibile è in equilibrio quando le velocità di reazione nei due versi sono uguali e le concentrazioni delle specie chimiche non cambiano più.

Legge dell’azione di massa

Nella generica reazione reversibile tra A + B e C + D, si indica con V1 la velocità della reazione verso destra e con V2 la velocità della reazione verso sinistra. Poiché la velocità di reazione dipende da una costante k, caratteristica per ogni reazione, e dalla concentrazione dei reagenti, si può scrivere:
V1 = K1 [A] [B]
V2 = K2 [C] [D]
All’equilibrio V1 = V2 e quindi anche K1 [A] [B] = K2 [C] [D], ne consegue:
K1 : K2 = [C]x[D] : [A]x[B]
Poiché K1 e K2 sono due costanti, anche il loro rapporto è una costante e quindi si può scrivere:
K = [C]x[D] : [A]x[B]

Questa relazione esprime la legge dell’azione di massa, secondo la quale a temperatura costante, all’equilibrio è costante il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti di reazione e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti. La costante di equilibrio quindi esprime il rapporto tra i prodotti e i reagenti: più elevato sarà il valore di K, più alta sarà la concentrazione dei prodotti rispetto a quella dei reagenti. Fornisce perciò una indicazione della direzionalità predominante della reazione.

Interventi sulla reazioni in equilibrio. Principio di Le Chatelier

Se in un sistema in equilibrio viene variato il valore di un fattore che lo regola, il sistema reagisce variandone altri in modo da mantenere inalterato, finché possibile, il suo stato di equilibrio. Cioè quando un equilibrio viene in qualche modo disturbato dall’esterno, il sistema reagisce in modo da annullare il disturbo e ristabilire l’equilibrio. Pertanto aumentando la concentrazione di uno dei reagenti, la reazione si sposta verso destra; aumentando la concentrazione dei prodotti, la reazione si sposta verso sinistra.