05x05 - La costante di equilibrio

Prendiamo in considerazione una generica equazione di reazione in cui le lettere maiuscole indicano quattro specie chimiche e quelle minuscole i rispettivi coefficienti stechiometrici:

L'espressione della costante di equilibrio (Kc) costituisce la legge fondamentale dell'equilibrio chimico: legge di azione di massa.
II valore della costante Kc è caratteristico di ogni reazione all'equilibrio e dipende solo dalla temperatura.

Consideriamo la trasformazione che si riferisce al processo di produzione del gas d'acqua, una miscela di CO e H₂. Il processo si realizza all'interno di un contenitore chiuso, per trasformazione del carbone ad alta temperatura con vapore acqueo:

Si tratta di un equilibrio eterogeneo, perché tre specie si trovano allo stato gassoso e una allo stato solido.

Lo stato di equilibrio di questa reazione non dipende dalla quantità di carbonio solido in equilibrio con le specie gassose. Il carbonio è indispensabile affinché si possa stabilire l'equilibrio, tuttavia, visto che la sua quantità non influisce sull'equilibrio, nell'espressione della costante la concentrazione di questa specie non compare:

Nell'espressione della costante di un equilibrio eterogeneo non si riportano le concentrazioni delle sostanze solide o liquide.

La costante di equilibrio K_c esprime il rapporto tra le concentrazioni dei prodotti e dei reagenti, ma anche della tendenza ad avvenire della reazione diretta.
Maggiore è il valore di K_c maggiore è la percentuale dei reagenti che si trasformano, quindi più facile che la reazione avvenga. Con (K_c > 10³) le reazioni avvengono facilmente.

Valori alti K_c > 10³
Trasformazione dei reagenti vicino al 100%. La reazione diretta ha tendenza ad avvenire molto maggiore di quella inversa.
All'equilibrio la concentrazione dei prodotti prevale moltissimo rispetto ai reagenti.
L'equilibrio è molto spostato a destra.

Valori medi 10^-1 < K_c < 10
Trasformazione dei reagenti attorno al 50%. La reazione diretta e quella inversa hanno la stessa tendenza ad avvenire.
All'equilibrio non c'è prevalenza dei prodotti rispetto ai reagenti.
L'equilibrio è circa la metà.

Valori bassi K_c < 10^-3
Trasformazione dei reagenti quasi 0%. La reazione diretta ha tendenza ad avvenire molto minore di quella inversa.
All'equilibrio la concentrazione dei reagenti prevale moltissimo rispetto ai prodotti.
L'equilibrio è molto spostato a sinistra.