Cosa sono le costanti di equilibrio?
Alcune azioni chimiche procedono irreversibilmente in una direzione. Un esempio di ciò è la combustione di idrogeno (H) nell'ossigeno (O) per produrre acqua, come mostrato nella formula 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O. La reazione opposta, 2 H 2 O => 2 H 2 + O 2 non si verifica in queste condizioni, indipendentemente da quanto tempo passa. Vi sono reazioni reversibili, come scoperto dal chimico Claude-Louis Berthollet nel 1803. Le reazioni reversibili procedono in una direzione fino a quando le reazioni inverse diventano quelle preferite, determinando un equilibrio e rendendo possibile il calcolo delle costanti di equilibrio.
Tali costanti di equilibrio sono state derivate da relazioni matematiche rivelate nel tempo attraverso gli sforzi di molti scienziati. Queste relazioni utilizzano i rapporti di concentrazione delle specie disciolte nel sistema di reazione. Un semplice esempio è la ionizzazione dell'acido acetico. Un altro è la rottura reversibile del gas dinitrogeno tetroossido. In questi, come in tutti gli esempi, le costanti di equilibrio dipendono da condizioni del sistema come la temperatura.
L'acido acetico si dissocia in uno ione idrogeno positivo più uno ione acetato negativo. Ciò che rende la reazione reversibile è che questi ioni possono e si ricombinano in molecole di acido. Altre molecole di acido acetico si dissociano per sostituire quelle che si sono ricombinate. Il risultato è equilibrio, che porta a un'espressione matematica. Le concentrazioni di ioni e acidi si riferiscono alla costante di equilibrio mediante l'espressione K = [H +] [Ac -] / [HAc]. Logicamente, la costante di equilibrio per la reazione inversa è l'inverso di questa K, perché la concentrazione di acido diventa il numeratore e le concentrazioni di ioni diventano il denominatore.
Per il tetrossido di dinitrogeno, che contiene azoto (N) e ossigeno, la reazione chimica è scritta N 2 O 4 ⇆ 2 NO 2 . Qualsiasi cambiamento nella proporzione di queste due specie in un sistema chiuso dipende dalla variazione della pressione del sistema; per ogni molecola di tetroossido che si decompone, si formano due molecole di biossido di azoto, aumentando la pressione. Ciò richiede energia e, al di là di un certo punto, sfavorisce la divisione. L'equazione recita K = [NO 2 ] [NO 2 ] / [N 2 O 4 ]. Per quanto riguarda l'acido acetico, la costante di equilibrio per la reazione inversa, come per tutte le costanti di equilibrio per tutte le reazioni inverse, è l'inverso di questo K.
Le reazioni irreversibili obbediscono alle stesse relazioni matematiche di quelle reazioni che sono reversibili. In tali casi, tuttavia, il denominatore diventa 0 o infinito, se si esamina la reazione diretta o la reazione inversa. Ciò suggerisce una costante di equilibrio con un valore opposto, di infinito o di 0. Tali informazioni sono inutili. Interessante anche la possibilità di condurre una reazione al completamento, rendendolo irreversibile rimuovendo uno dei prodotti dal sistema, ad esempio attraverso una membrana semipermeabile che trattiene i reagenti.