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Equilibrio chimico: Kc, Kp, Q ed energia di Gibbs

In un contenitore chiuso una reazione reversibile procede in entrambe le direzioni. Dopo un po' la velocità diretta e quella inversa diventano uguali, quindi le quantità smettono di cambiare, ma la reazione non si ferma. Questo è l'equilibrio dinamico. All'equilibrio il rapporto tra prodotti e reagenti (ognuno elevato al proprio coefficiente) è un numero fisso, la costante di equilibrio K. Kc usa le concentrazioni, Kp usa le pressioni parziali e Kp = Kc(RT)^Δn. Solidi e liquidi puri non compaiono in K. Il quoziente di reazione Q indica la direzione: Q < K va avanti, Q > K torna indietro, Q = K è equilibrio. K ed energia di Gibbs sono legate: ΔG = ΔG° + RT ln Q e ΔG° = −RT ln K.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Una scatola chiusa parte con solo N₂O₄. Alcune coppie grigie si spezzano in NO₂ marrone, e un po' di NO₂ si riunisce. Dopo un po' i conteggi non cambiano più, ma le molecole continuano a trasformarsi. Questo è l'equilibrio dinamico.
  2. Parti con le quantità che vuoi. All'equilibrio, [NO₂]² ÷ [N₂O₄] dà sempre lo stesso numero. Questo numero fisso è la costante di equilibrio Kc.
  3. Per i gas possiamo usare le pressioni al posto delle concentrazioni. Così otteniamo Kp. Qui le moli di gas cambiano di Δn = 2 − 1 = 1, quindi Kp = Kc × RT.
  4. Ora una scatola con un solido: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g). Rendi il solido più grande o più piccolo: la pressione di CO₂ non cambia. Per questo i solidi non entrano in K.
  5. Aggiungiamo altro NO₂. Ora il quoziente di reazione Q è maggiore di K. La reazione torna indietro finché Q torna uguale a K. Il segno di ΔG = RT ln(Q/K) indica la direzione.
  6. Gioco libero: aggiungi N₂O₄ o NO₂ e guarda il sistema ritrovare la strada verso K.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Se le quantità smettono di cambiare, la reazione si è fermata?

No. Entrambe le reazioni continuano alla stessa velocità. Nel 3D coppie e singole continuano a scambiarsi mentre i conteggi restano stabili.

K dipende da quanto metto all'inizio?

No. Cambia i cursori iniziali: il rapporto finale [NO₂]²/[N₂O₄] arriva sempre allo stesso Kc a temperatura fissa.

Quando Kp è uguale a Kc?

Quando Δn (moli di gas) = 0, perché (RT)⁰ = 1. Per N₂O₄ ⇌ 2NO₂, Δn = 1, quindi Kp = Kc × RT.

Perché i solidi non compaiono in K?

La concentrazione di un solido è fissata dalla sua densità. Il 3D mostra che un blocco di CaCO₃ più grande o più piccolo dà la stessa pressione di CO₂.

Come indicano la direzione Q e K?

Q usa le quantità presenti. Se Q > K c'è troppo prodotto, quindi la reazione torna indietro. Nel 3D, altro NO₂ rende Q > K e il conteggio del marrone scende di nuovo.

Un K grande significa una reazione veloce?

No. K dice fin dove arriva la reazione, non quanto è veloce. La velocità dipende dall'energia di attivazione e dalla temperatura.

Equilibrio dinamico nei processi fisici e chimici

Equilibrio significa bilanciamento. Si raggiunge solo in un sistema chiuso (nulla entra e nulla esce).

Processi fisici: in una bottiglia chiusa l'acqua evapora e il vapore condensa. Dopo un po' le due cose avvengono alla stessa velocità, quindi la pressione del vapore diventa costante. Altri esempi sono ghiaccio e acqua a 0 °C, e una soluzione satura di zucchero con zucchero in eccesso sul fondo.

Processi chimici: in una reazione reversibile i reagenti formano i prodotti e i prodotti riformano i reagenti. All'inizio la velocità diretta è alta. Man mano che i prodotti aumentano, sale la velocità inversa. Quando le due velocità diventano uguali, le quantità smettono di cambiare.

Si dice dinamico perché la reazione non si ferma mai. Le molecole continuano a reagire nei due sensi; semplicemente non vediamo nessun cambiamento netto. Si può raggiungere lo stesso equilibrio partendo da entrambi i lati.

Prova tu: nel 3D, al passo 1, guarda i conteggi di grigio e marrone. Si stabilizzano, eppure coppie e singole continuano a scambiarsi.

Legge dell'equilibrio e costante di equilibrio Kc

Per una reazione generale aA + bB ⇌ cC + dD, a temperatura fissa:

Kc = [C]c[D]d / [A]a[B]b

Le parentesi quadre indicano la concentrazione molare (mol/L) all'equilibrio. Questa è la legge dell'equilibrio chimico (legge di azione di massa). I prodotti stanno sopra, i reagenti sotto, e ognuno è elevato al proprio coefficiente.

Regole da ricordare:

Prova tu: al passo 2 sposta i cursori iniziali. Alla fine Q si ferma sempre sullo stesso Kc.

Kc e Kp: la relazione Kp = Kc(RT)^Δn

Per i gas la pressione parziale p è proporzionale alla concentrazione: p = (n/V)RT = [X]RT. Sostituendo nell'espressione si ottiene:

Kp = Kc (RT)Δn, dove Δn = (moli di prodotti gassosi) − (moli di reagenti gassosi).

Usa R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹ con la pressione in bar e T in kelvin. In Δn si contano solo i gas.

Equilibri omogenei ed eterogenei

Equilibrio omogeneo: tutto è in una sola fase. Esempi: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g); CH₃COOH(aq) + C₂H₅OH(aq) ⇌ CH₃COOC₂H₅(aq) + H₂O(l) in soluzione.

Equilibrio eterogeneo: più di una fase. Esempi: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g); H₂O(l) ⇌ H₂O(g); Ni(s) + 4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g).

La concentrazione di un solido puro o liquido puro è fissa (la sua densità non cambia), quindi si considera uguale a 1 e non compare in K. Così per CaCO₃ ⇌ CaO + CO₂ vale Kp = p(CO₂). Ma il solido deve essere presente perché l'equilibrio esista.

Prova tu: al passo 4 cambia la quantità di CaCO₃. La lettura di CO₂ non si muove.

A cosa serve la costante di equilibrio

1. Estensione della reazione. K > 10³: soprattutto prodotti (reazione quasi completa). K < 10⁻³: soprattutto reagenti (quasi non procede). K tra 10⁻³ e 10³: buone quantità di entrambi.

2. Direzione della reazione. Scrivi Q con le quantità presenti (non quelle di equilibrio). Q < K → va avanti. Q > K → torna indietro. Q = K → è all'equilibrio.

3. Quantità all'equilibrio. Usa una tabella ICE: Iniziale, Cambiamento, Equilibrio. Metti i valori di equilibrio in K e risolvi per x.

K non dice nulla su quanto in fretta si raggiunge l'equilibrio. Quello è compito della cinetica.

K, Q ed energia di Gibbs

L'energia di Gibbs decide se un cambiamento può avvenire da solo. Per una miscela di reazione:

ΔG = ΔG° + RT ln Q

All'equilibrio ΔG = 0 e Q = K, quindi ΔG° = −RT ln K = −2.303 RT log K. Inoltre ΔG = RT ln(Q/K).

Qui usa R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹ e T in kelvin. Prova tu: al passo 5 la lettura mostra ΔG che va a 0 mentre Q torna a K.

Consigli per il compito in classe

L'equilibrio chimico è un tema molto frequente nelle verifiche e nei test di ammissione. Domande tipiche: scrivere le espressioni di Kc e Kp, la relazione tra Kp e Kc, trovare K con le tabelle ICE, prevedere la direzione con Q ed esercizi con ΔG° = −RT ln K. Scrivi sempre l'unità di K quando richiesta e indica la temperatura.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Scrivi Kc per 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g).

Prodotti sopra e reagenti sotto, ognuno elevato al proprio coefficiente: Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂]).

2. Per H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 50 a 700 K. Trova Kc per 2HI ⇌ H₂ + I₂ e per HI ⇌ ½H₂ + ½I₂.

Invertita: K = 1/50 = 0.02. Dimezzata: K = √0.02 = 0.141.

3. 1.0 mol di N₂O₄ è in un pallone da 1 L. All'equilibrio sono presenti 0.52 mol di NO₂. Trova Kc per N₂O₄ ⇌ 2NO₂.

NO₂ formato = 0.52 mol, quindi N₂O₄ consumato = 0.26 mol. [N₂O₄] = 0.74 M, [NO₂] = 0.52 M. Kc = 0.52² / 0.74 = 0.2704/0.74 ≈ 0.37 mol/L.

4. Per N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g), Kc = 0.5 L² mol⁻² a 500 K. Trova Kp (R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹).

Δn = 2 − 4 = −2. RT = 0.0831 × 500 = 41.55. Kp = 0.5 × (41.55)⁻² = 0.5 / 1726.4 ≈ 2.9 × 10⁻⁴ bar⁻².

5. Per A ⇌ B, K = 4. Una miscela ha [A] = 0.5 M e [B] = 1.0 M. In che direzione va?

Q = [B]/[A] = 1.0/0.5 = 2. Q (2) < K (4), quindi la reazione va avanti e forma più B.

6. Trova ΔG° a 300 K per una reazione con K = 10 (R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹).

ΔG° = −2.303RT log K = −2.303 × 8.314 × 300 × 1 = −5744 J/mol ≈ −5.74 kJ/mol. È negativo, quindi i prodotti sono favoriti.

7. Per H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 64. Partiamo da 1 mol di H₂ e 1 mol di I₂ in 1 L. Trova le quantità all'equilibrio.

ICE: H₂ = 1 − x, I₂ = 1 − x, HI = 2x. Kc = (2x)² / (1 − x)² = 64. Radice quadrata: 2x/(1 − x) = 8 → 2x = 8 − 8x → x = 0.8. Quindi H₂ = I₂ = 0.2 mol, HI = 1.6 mol.

8. ΔG° di una reazione a 298 K è +11.4 kJ/mol. Trova K.

log K = −ΔG°/(2.303RT) = −11400/(2.303 × 8.314 × 298) = −11400/5705.8 ≈ −2.0. K = 10⁻² = 0.01. I reagenti sono favoriti.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. All'equilibrio dinamico:
2. Per CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), Kp è uguale a:
3. Per N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, Δn vale:
4. Se Q > K, la reazione:
5. Se ΔG° è negativo, K è:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Cos'è l'equilibrio chimico in parole semplici?

È lo stato di una reazione reversibile in un contenitore chiuso quando la velocità diretta e quella inversa sono uguali, così le quantità di reagenti e prodotti restano costanti.

Qual è la relazione tra Kp e Kc?

Kp = Kc(RT)^Δn, dove Δn è la variazione delle moli di gas (prodotti meno reagenti).

Come sono legati ΔG° e K?

ΔG° = −RT ln K = −2.303RT log K. Un ΔG° negativo significa K > 1.

Dove si studia

Canada (Ontario)Grade 12E. Chemical Systems and Equilibrium
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªChemistry
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªChemistry
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Design and experiments (part 1)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a XI-aChemical equilibrium
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класChemical reactions
CBSE (India)Class 11Equilibrium
England (GCSE, A level)Year 114.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 115.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
England (GCSE, A level)Year 133.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Equilibrium
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Chemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Chemical equilibrium
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Chemical equilibrium: reversible and dynamic
FranceTerminaleMatter and its changes
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.2 Rate and equilibrium

Da studiare prima

Da studiare dopo

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