Si propongono 5 esercizi sull’equilibrio chimico svolti e commentati. Per risolvere gli esercizi bisogna conoscere l’espressione della costante di equilibrio stabilita dai chimici norvegesi Cato Maximilian Guldberg e Peter Waage e confermata sperimentalmente nel 1877 da Jacobus Henricus van ‘t Hoff.
Si devono inoltre saper calcolare le concentrazioni delle specie all’equilibrio e costruire una I.C.E. chart. In genere negli esercizi sull’equilibrio viene richiesta il calcolo della costante relativa a un equilibrio chimico o, nota la costante, la concentrazione delle specie all’equilibrio.
Per il calcolo della costante solo nei casi più semplici vengono date le concentrazioni di tutte le specie all’equilibrio, ma generalmente si devono ottenere nota, ad esempio, la concentrazione iniziale e all’equilibrio di una specie
Esercizi sull’equilibrio chimico svolti e commentati
- Data la reazione N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) si supponga di porre 1.000 moli di N2 and 3.000 moli di H2 in un recipiente di 10.0 L. Alla temperatura di 250°C, quando l’equilibrio è stato raggiunto, la concentrazione di NH3 è pari a 0.0112 M.
Calcolare le concentrazioni di N2 e di H2 all’equilibrio chimico e la costante Kc della reazione a 250°C
La concentrazione iniziale di N2 è pari a 1.000 mol/10.0 L = 0.100 M
La concentrazione iniziale di H2 è pari a 3.000 mol/10.0 L = 0.300 M
All’equilibrio si ha: [N2] = 0.100 -x; [H2] = 0.300 – 3x e [NH3] = 2x
Dal testo dell’esercizio [NH3] = 0.0112 M. Pertanto [NH3] = 2x = 0.0112 M da cui x = 0.0112/2 =0.00560
In tal modo si possono calcolare le concentrazioni di N2 e di H2 e si ha:
[N2] = 0.100 – 0.00560 = 0.0944 M
[H2] = 0.300 – 3(0.00560) = 0.283 M
L’espressione della costante di equilibrio Kc è: Kc = [NH3]2/[N2][H2]3
Sostituendo i valori trovati nella Kc si ha: Kc = (0.0112)2 /0.0944(0.283)3 = 0.0586
- Data la reazione di decomposizione del bromuro di nitrosile 2 NOBr(g) ⇌ 2 NO(g) + Br2(g) si supponga che 0.64 moli di NOBr siano poste in un recipiente di 1.00 L. Quando l’equilibrio chimico è stato raggiunto la concentrazione di bromuro di nitrosile è 0.46 M. Si calcoli la concentrazione all’equilibrio di NO e di Br2 e il valore della costante Kc
La concentrazione iniziale di NOBr è pari a 0.64 mol/1.00 L = 0.64 M
Costruiamo una I.C.E. chart:
| 2 NOBr | ⇌ | 2 NO | Br2 | |
| Stato iniziale | 0.64 | |||
| Variazione | -2x | +2x | +x | |
| Equilibrio | 0.46 | 2x | x |
Si deduce che 0.64-2x = 0.46 da cui 2x = 0.18 e x = 0.090. Pertanto [NO] = 0.18 M e [Br2] = 0.090 M
L’espressione della costante Kc è: Kc = [NO]2[Br2]/[NOBr]2
Sostituendo i valori ricavati si ha : Kc = (0.18)2(0.090)/(0.64)2 = 0.013
- Data la reazione PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) si supponga che, dopo aver posto 1.00 moli di PCl5 in un recipiente del volume di 5.00 L si dissoci il 78.5% di PCl5. Calcolare la concentrazione all’equilibrio chimico delle specie e il valore di Kc
La concentrazione iniziale di PCl5 è pari a 1.00 mol/ 5.00 L = 0.200 M. Il 78.5% di 0.200 è 0.200 · 78.5/100 = 0.157. Pertanto all’equilibrio: [PCl3]=[Cl2] = 0.157 M
La concentrazione di PCl5 all’equilibrio è pari a 0.200 – 0.157 = 0.0430 M
L’espressione della costante Kc è: Kc = [PCl3][Cl2]/[PCl5]
Sostituendo i valori ricavati si ha: Kc = (0.157)(0.157)/0.0430 =0.573
- La reazione H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) ha una costante Kc pari a 55 alla temperatura di 350°C. Una miscela costituita da 1.00 moli di H2 e di I2 è posta in un recipiente di 1.00 L. Calcolare le concentrazioni di tutte le specie all’equilibrio
Le concentrazioni iniziali di H2 e di I2 sono pari a 1.00 mol/1.00 L = 1.00 M. All’equilibrio [H2] = [I2] = 1.00-x e la concentrazione di HI è pari a 2x.
L’espressione della costante di equilibrio è: Kc = [HI]2/ [H2][I2]
Sostituendo i valori si ottiene:
55 = (2x)2/(1.00-x)(1.00-x)
estraendo la radice quadrata da ambo i lati si ha: 7.4 = 2x/1.00-x
Da cui 7.4 – 7.4 x = 2x ovvero 7.4 = 9.4 x da cui x = 7.4/9.4 =0.79
Da cui [HI] = 2x = 0.79 · 2 =1.6 M e [H2] = [I2] = 1.00 – 0.79 = 0.21 M
- Il solfuro acido di ammonio a 250°C si decompone secondo la reazione NH4HS(s) ⇌ NH3(g) + H2S(g). Sapendo che la costante Kp alla temperatura indicata vale 0.11 e che in un recipiente di 5.00 L sono stati posti 5.10 g di solfuro acido di ammonio calcolare le pressioni parziali di NH3 e H2S all’equilibrio e la massa di solfuro acido di ammonio rimasta
Il peso molecolare di NH4HS vale 51.1114 g/mol. La temperatura, espressa in gradi Kelvin è pari a 250 + 273 = 523 K.
All’equilibrio p(NH3) = p(H2S). Pertanto 0.11 = p(NH3) · p(H2S) = (x)(x) = x2. Da cui x, escludendo la radice negativa è pari a √ 0.11 = 0.33. Dall’equazione di stato dei gas si possono ricavare le moli:
n = pV/RT = 0.33 · 5.00/0.08206 · 523 = 0.038 che sono pari alle moli di NH4HS dissociate.
La massa di NH4HS dissociata è pari a 0.038 mol · 51.1114 g/mol = 1.94 g
La massa di NH4HS è quindi 5.10 g – 1.94 = 3.16 g