Equilibrio chimico: esercizi risolti

L’equilibrio chimico rappresenta lo stato in cui concentrazioni dei reagenti e dei prodotti di una reazione chimica cessano di variare nel tempo. Può essere definito anche come lo stato in cui la velocità della reazione diretta è uguale a quella della reazione inversa.

Un metodo pratico per risolvere esercizi sull’equilibrio chimico è l’utilizzo di un “I.C.E. chart”, in cui si analizzano le concentrazioni iniziali, le variazioni e le concentrazioni all’equilibrio. Di seguito sono proposti esercizi svolti riguardanti l’equilibrio chimico di livello medio.

Esercizio 1: Equilibrio tra C₂H₄ e H₂

Consideriamo la reazione: C₂H₄ + H₂ ⇌ C₂H₆.

Abbiamo la costante di equilibrio K_c = 0.98 e le concentrazioni iniziali di C₂H₄ e H₂ sono rispettivamente 0.33 e 0.53.

Dal calcolo della I.C.E. chart otteniamo le concentrazioni all’equilibrio: [C₂H₄] = 0.231 M, [H₂] = 0.432 M e [C₂H₆] = 0.0981 M.

Esercizio 2: Equilibrio tra I₂ e I

Nella reazione I₂(g) ⇌ 2 I (aq), la costante di equilibrio K_c = 3.76∙10³ e la concentrazione iniziale di I₂ è 1.0 M.

Dopo aver calcolato la I.C.E. chart, otteniamo le concentrazioni all’equilibrio: [I₂] = 1.0-x e [I] = 2x, dove x rappresenta la variazione della concentrazione.

Successivamente, la risoluzione di 3.76 ∙ 10³ – 3.76 ∙ 10³ x = 4x² porta alle concentrazioni di [I₂] e [I] all’equilibrio.

In entrambi gli esercizi, attraverso il calcolo delle concentrazioni all’equilibrio, è possibile individuare le quantità finali delle specie coinvolte.Calcolo della concentrazione delle specie chimiche in equilibrio

Iniziamo il calcolo della concentrazione delle specie chimiche in equilibrio partendo dalla situazione iniziale. Abbiamo a disposizione 0.50 moli di N2 e 0.86 moli di O2 all’interno di un recipiente da 2.00 L.

La reazione avviene secondo l’equilibrio:
N2(g) + O2(g) ⇌ 2 NO(g)

Il coefficiente di equilibrio Kc è pari a 4.1 ∙ 10^-4.

Calcoliamo le concentrazioni iniziali delle due specie, [N2] = 0.50 / 2.00 L = 0.25 M e [O2] = 0.86 / 2.00 L = 0.43 M.

Infatti, Kc = [NO]^2 / [N2][O2]

Costruiamo quindi la nostra tabella ICE per rappresentare graficamente le variazioni delle concentrazioni durante il raggiungimento dell’equilibrio.

Iniziamo annotando le concentrazioni iniziali nella tabella ICE:
– N2: 0.25 M
– O2: 0.43 M
– NO: 0 M (in quanto presente solo all’equilibrio)

Successivamente, possiamo rappresentare la variazione nelle concentrazioni:
– Per N2 e O2, c’è una diminuzione rappresentata da -x
– Per NO, vi è un aumento rappresentato da +2x

Con questi dati, possiamo calcolare le concentrazioni di equilibrio. In particolare, sommando la variazione alla concentrazione iniziale, otteniamo:
– N2: 0.25 – x
– O2: 0.43 – x
– NO: 2x

Sostituendo i valori nella equazione della costante di equilibrio Kc, otteniamo:
Kc = 4.1 ∙ 10^-4 = (2x)^2 / (0.25 – x)(0.43 – x)

Risolvendo rispetto a x, otteniamo: x = 3.32 ∙ 10^-3

Pertanto, le concentrazioni in equilibrio risultano essere:
– [N2] = 0.25 – 3.32 x 10^-3 = 0.25 M
– [O2] = 0.43 – 3.32 ∙ 10^-3 = 0.43 M
– [NO] = 2 ∙ 3.32 ∙ 10^-3 = 6.64 ∙ 10^-3 M