Equilibrio chimico

EQUILIBRIO CHIMICO
APPROCCIO DIDATTICO
PER SCUOLE MEDIE SUPERIORI.
Alessandro Broglia, Danilo Ciarrocchi.Dipartimento di Scienze Chimiche, Università degli Studi di Camerino
Cos’è
Cos’è l’equilibrio chimico?
L'equilibrio chimico è la condizione, dipendente dalla temperatura, in cui le concentrazioni delle specie chimiche presenti in un sistema variano in modo costante nel tempo, ciò avviene quando una reazione chimica procede con la stessa velocità della reazione inversa. Esistono quattro caratteristiche comuni ad ogni reazione di equilibrio.
La prima è la natura dinamica dell'equilibrio, in cui si suppone che le velocità delle trasformazioni opposte si eguagliano. La seconda generalizzazione sta nell'affermare che un processo può dirsi in equilibrio se questi è reversibile, è quindi possibile un’interconversione delle specie coinvolte. La terza caratteristica risiede nella condizione di incompletezza delle reazioni, secondo cui non si raggiunge mai la presenza di una sola specie e la scomparsa delle altre. La quarta generalizzazione riguarda la spontaneità di un equilibrio chimico, vale a dire che un sistema si muove spontaneamente verso uno stato di equilibrio; nel caso in cui avvenisse una perturbazione dall'esterno, il sistema, una volta lasciato a sé stesso, tenderebbe a riportarsi in una situazione equilibrata (principio di Le Châtelier). Infine occorre sottolineare la natura termodinamica dell'equilibrio, secondo cui un sistema tende a raggiungere la minima energia ed il massimo caos molecolare.
… PARTIAMO DALLA STORIA, COME SI ARRIVO’ A COMPRENDERE QUESTO CONCETTO?
ANTICHI GRECI
Idea di affinità = espressione della tendenza di alcune sostanze a combinarsi chimicamente.
TEORIA DEI QUATTRO ELEMENTI DI EMPEDOCLE
1718 E. F. GEOFFROY pubblicò le sue tavole di affinità in cui classificava le sostanze in colonne verticali secondo un ordine di affinità decrescente rispetto alla prima sostanza della colonna. RUOLO DELLA QUANTITA
DELLE SOSTANZE
INCOMPLETEZZA DELLE REAZIONI
1775 T. BERGMAN
Nel suo trattato “De Attractionibus Electivis” propose il concetto di “affinità
elettiva”, cioè le combinazioni chimiche come il risultato di affinità elettive dipendenti soltanto dalla natura delle sostanze reagenti.
1786 L. B. GUYTON DE MORVEAU pubblicò nella Enciclopedie methodique le leggi sull’affinità.
1799 BERTHOLLET richiamò l’attenzione sul fatto che le combinazioni chimiche sono influenzate oltre che dall’affinità chimica anche dalla quantità delle sostanze coinvolte; inoltre sosteneva che l’incompletezza di alcune reazioni chimiche fosse dovuta alla quantità delle sostanze coinvolte che può determinare un equilibrio tra tendenze opposte (l’affinità e la quantità di sostanza). La sua spiegazione era: “l’azione […
[…] aumenta in proporzione all’
all’aumento di questa quantità
quantità [di sostanza], fin quando un equilibrio tra le forze contendenti blocca tale azione, e limita l
[di sostanza], fin quando un equilibrio tra le forze contendenti blocca tale azione, e limita l’’effetto”
effetto”.
1807 DAVY propose che l’affinità chimica fosse determinata da forze di natura elettrica.Nella prima metà del XIX secolo si consolidò l’idea che molte reazioni non procedessero fino a completezza e che si instaurasse una sorta di equilibrio in cui fossero presenti sia i reagenti sia i prodotti. 1867 C. M. GULDBERG e P. WAAGE
Enunciarono la “legge dell’azione della massa” e la “legge dell’azione del volume”.
LA FORZA CHIMICA
VELOCITA’
VELOCITA’ DI REAZIONE
AFFINITA’
AFFINITA’ CHIMICA
REVERSIBILITA’
REVERSIBILITA’ DELLE REAZIONI
1850 L. WILHELMY mostrò che la velocità di inversione dello zucchero di canna in acqua, in presenza di acidi, è proporzionale alla quantità di zucchero iniziale.
1851 A.W. WILLIAMSON
evidenziò l’importanza della velocità nelle trasformazioni chimiche:
poiché all’equilibrio la quantità di tutte le sostanze coinvolte rimane
invariata, ipotizzò che i reagenti e i prodotti fossero costantemente in
formazione e decomposizione.
Nelle reazioni incomplete e reversibili esistono “forze chimiche” proporzionali al prodotto delle masse attive dei reagenti. L’equilibrio deriva dall’eguaglianza di tali forze esercitate nelle reazioni opposte. per la generica reazione:
A + B = C + D è
valida l’uguaglianza k(A‐x)a(B‐x)b = k'(C+x)c(D+x)d , dove x è la quantità di reagenti trasformata, A, B, C e D sono le masse iniziali, mentre gli esponenti vengono determinati sperimentalmente. Le costanti k e k' sono i coefficienti di affinità. 1879 GULDBERG e WAAGE Correlarono la relazione precedente, cioè condizione di equilibrio, alle velocità delle reazioni diretta ed inversa.
1877 MASTER propose il rapporto tra i coefficienti di attività (corrisponde alla costante di equilibrio come oggi la intendiamo)
rapporto dei coefficienti =
k ( A − x) a k ( B − x ) b
k ' (C + x) c k ' ( D + x) d
NATURA DINAMICA DELL’EQUILIBRIO
EQUILIBRIO CHIMICO
APPROCCIO DIDATTICO
PER SCUOLE MEDIE SUPERIORI.
Alessandro Broglia, Danilo Ciarrocchi.Dipartimento di Scienze Chimiche, Università degli Studi di Camerino
… PROVIAMO A SIMULARE QUESTA “CONDIZIONE DI EQUILIBRIO”
Si dividono i ragazzi in due squadre: Squadra R (reagenti) e Squadra P (prodotti). Cose necessarie: carta, penna e 96 carte da poker. Il gioco è simile ad una partita di carte con regole iniziali fornite dall’insegnante che possono ad esempio essere le seguenti: la squadra R dovrà sempre cedere 1/4 delle proprie carte alla squadra P (questa operazione può essere schematizzata con Reagenti Æ Prodotti), mentre la squadra P dovrà cedere 1/8 delle proprie carte alla squadra R (Prodotti Æ Reagenti).
Dopo alcuni round si verificherà una situazione di equilibrio dinamico in cui il numero di carte possedute da ciascuna squadra non varia più. Quando un squadra si renderà
conto che è stata raggiunta una situazione di equilibrio, dovrà fermarsi ed effettuare il seguente calcolo: n. Carte
n. Carte
Squadra
Squadra
P
64
=
R
32
= 2
Gli studenti con tale attività concretizzeranno il significato del concetto di equilibrio dinamico ed in particolare dovranno essere evidenziati i seguenti aspetti:
¾all’equilibrio le carte vengono continuamente scambiate tra una squadra e l’altra, ma il numero totale di carte che ogni squadra possiede rimane costante (32 e 64);
¾la situazione di equilibrio dinamico non implica che il numero di carte della squadra R sia uguale al numero di carte della squadra P;
¾all’equilibrio il rapporto sopraindicato è costante.
Nel grafico in ordinata viene riportato il numero di carte possedute da ogni squadra prima di ciascun round mentre in ascissa vengono riportati i round. Carte R
Carte possedute da P
96
0
1° trasferimento
(96-24)
Carte cedute da R
(0+24)
2° Round
72
24
2° trasferimento
(72-18+3)
(24-3+18)
3° Round
57
39
3° trasferimento
(57-15+8)
(39-5+15)
4° Round
47
49
4° trasferimento
(47-12+7)
(49-7+12)
5 Round
42
54
5° trasferimento
(42-11+7)
(54-7+11)
6°Round
38
58
6° Trasferimento
(38-10+8)
(58-8+10)
7°Round
36
60
7° Trasferimento
(36-9+8)
(32-8+9)
8°Round
35
61
8° Trasferimento
(35-9+8)
(61-8+9)
9°Round
34
62
9° Trasferimento
(34-9+8)
(62-8+9)
10°Round
33
63
(33-9+8)
(63-8+9)
11°Round
32
64
11° Trasferimento
(32-8+8)
(64-8+8)
12°Round
32
64
12° Trasferimento
(32-8+8)
(64-8+8)
Carte cedute da P
24
0
18
3
14.2 Æ 15
4.8 Æ 5
11.7 Æ 12
6.1 Æ 7
10.5 Æ11
6.7 Æ 7
9.5 Æ 10
7.2 Æ 8
9
7.5 Æ 8
8.7 Æ 9
7.6 Æ 8
8.5 Æ 9
7.7 Æ 8
8.2 Æ 9
7.8 Æ 8
8
8
8
8
Nel seguente grafico viene riportato invece il numero di carte mosse da ciascuna squadra e in ascissa i trasferimenti.
R
o
un
d
R
o 1°
un
d
R
o 2°
un
d
R
o 3°
un
d
R
o 4°
un
d
6° 5°
R
o
un
R
d
o
un
d
R
o 7°
un
d
R
o 8°
un
d
R
o
un 9°
d
R
o 10
un °
d
R
o 11
un °
d
R
o 12
un °
d
12
°
96
92
88
84
80
76
72
68
64
60
56
52
48
44
40
36
32
28
24
20
16
12
8
4
0
Carte possedute da R
1° Round
10° Trasferimento
I risultati ottenuti possono essere diagrammati in differenti modi per evidenziare importanti aspetti dell’equilibrio. 96
92
88
84
80
76
72
68
64
60
56
52
48
44
40
36
32
28
24
20
16
12
8
4
0
Round
Trasferimenti
2
2
2
1
1
1
1
1
4
2
0
8
6
4
2
0
8
6
4
2
0
1°
T ra
s f.
2°
T ra
s f.
3°
T ra
s f.
4°
T ra
s f.
5°
T ra
s f.
6 °T r
a s f.
7°
T ra
s f.
8°
T ra
s f.
9°
T ra
s f.
10°
T ra
s f.
11°
T ra
s f.
12°
T ra
s f.
C a r te C e d u te d a R
24
18
15
12
11
10
9
9
9
9
8
8
C a r te C e d u te d a P
0
3
5
7
7
8
8
8
8
8
8
8
Car te P
… ANDIAMO IN LABORATORIO!
(1) Si prepara la soluzione rosa dissolvendo 1.0 g di CoCl2.6H2O in 25 mL di PriOH e aggiungendo 5 mL di acqua per far diventare la soluzione da blu a rosa. Riscaldando e raffreddando successivamente 4 mL della soluzione rosa in un tubo da saggio per ripetuti trattamenti in bagno ad acqua calda e fredda si hanno variazioni di colore. Si propone il sistema Co(H2O)62+(aq) + 4Cl‐(aq) ' CoCl42‐(aq) + 6H2O(l)
rosa
blu
(2) Successivamente si prepara la soluzione blu dissolvendo 1.0 g di CoCl2.6H2O in 100 mL di PriOH). Poi, ad un tubo da saggio contenente 4 mL della soluzione blu, si aggiunge acqua (goccia a goccia) fino a completa Il colore del sistema è influenzato dalla Temperatura e dall’aggiunta di trasformazione del colore da blu a rosa. Successivamente si aggiungono circa 1.5 mL di una soluzione satura di acqua o ioni cloruro. CaCl2 anidro in PriOH (precedentemente preparata) fin quando la soluzione rosa non ridiventa blu. (3) In un esperimento parallelo si svolgono le stesse operazione con sequenza invertita partendo dalla soluzione rosa del punto (1), cioè si aggiunge cloruro e poi acqua.
Ad ogni esperimento gli studenti debbono descrivere i fenomeni osservati in termini di reazioni chimiche, usando solo i nomi delle sostanze coinvolte (sostanza blu, acqua, sostanza rosa, ione cloruro).
Per sperimentare l’incompletezza di una reazione si può fare un ulteriori esperimento. Un tubo da saggio con 4 mL di slz rosa a T ambiente ed uno di slz blu a 85°C (ottenuta riscaldando quella rosa) si pongono in un bagno ad acqua a T intermedia (50‐55°C): le soluzioni acquisteranno lo stesso color porpora intermedio. Gli studenti dovranno discutere sulla composizione di queste soluzioni arrivando a concludere che nelle soluzioni porpora sono presenti sia la sostanza blu che quella rosa in concentrazioni costanti. Dalla discussione dovrebbe emergere che vi sono:
“REAZIONI INCOMPLETE”
REAZIONI INCOMPLETE”
Attraverso questi esperimenti gli studenti dovrebbero comprendere che hanno osservato due reazioni chimiche opposte l’una all’altra in termini di reagenti e prodotti:
+ ACQUA
+ CLORURO
Sostanza blu + acqua Æ sostanza rosa + ione cloruro
+ CLORURO
+ ACQUA
Sostanza rosa + ione cloruro Æ sostanza blu + acqua
“REAZIONI REVERSIBILI”
REAZIONI REVERSIBILI”
Si propongono allora agli studenti i seguenti quesiti:
1)Pensi che entrambe le reazioni, diretta e inversa, abbiano attualmente luogo se il sistema è all’equilibrio?
2) Supponi che in effetti avvengano entrambe le reazioni. Cosa potresti dire circa le rispettive velocità di reazione? Si introduce così il termine “equilibrio dinamico” e si richiede agli studenti di discuterne e di risolvere l’apparente anomalia che in uno stato di equilibrio alcune particelle di una specie hanno reagito mentre altre particelle della stessa specie non hanno reagito. Dopo che gli studenti hanno adottato il punto di vista che entrambe le reazioni diretta ed inversa avvengono simultaneamente, essi concludono immediatamente che tali reazioni all’equilibrio debbono avvenire alla stessa velocità
“altrimenti il colore cambierebbe”!
“EQUILIBRIO DINAMICO”
EQUILIBRIO DINAMICO”