Scrittura dell’espressione della costante di equilibrio

La scrittura dell’espressione della costante di equilibrio può essere ottenuta seguendo alcune regole
Data la generica reazione di equilibrio:
a A + b B ⇄ c C + d D
dove a, b, c e d sono rispettivamente i coefficienti stechiometrici dei reagenti A e B e dei prodotti di reazione C e D si ha che la costante che regola tale equilibrio è data dall’espressione:
K_c = [C]^c[D]^d /[A]^a[B]^b

Dove [C], [D], [A] e [B] sono espresse in termini di concentrazione molare. La costante di equilibrio costituisce un’importante legge chimica nota come legge di azione di massa o legge dell’equilibrio chimico dovuta agli scienziati Guldberg e Waage che esprime quantitativamente la dipendenza delle concentrazioni di prodotti e reagenti in una reazione chimica all’equilibrio.

Nelle reazioni omogenee in fase gassosa la costante di equilibrio può essere espressa in funzione delle pressioni parziali dei gas componenti il sistema. Tale costante è detta Kp è data dall’espressione:

K_p = p_C^c p_D^d/ p_A^a p_B^b

Dove p_c, p_d, p_a e p_b sono le pressioni parziali dei gas.

Esempio

Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione: 4 NH₃(g) + 5 O_2(g) ⇄ 4 NO_(g) + 6 H₂O_(g)

K_c = [NO]⁴[H₂O]⁶/[NH₃]⁴[O₂]⁵

 Per scrivere correttamente l’espressione della costante di equilibrio indispensabile per risolvere gli esercizi attinenti l’equilibrio chimico bisogna tener presente alcune regole.

Le specie per le quali non vi è una variazione significativa delle concentrazioni non vanno inserite nell’espressione della costante di equilibrio. Ciò avviene in due casi:

• Quando la sostanza è un solvente. Ad esempio si consideri l’idrolisi dello ione cianuro:

CN^– + H₂O ⇄ HCN + OH^–

In tale equilibrio l’acqua agisce sia da solvente che da reagente ma la variazione di concentrazione dell’acqua nella reazione è talmente bassa da poter essere considerata trascurabile quindi essa non va inserita nell’espressione che è quindi data da:

K = [HCN][OH^–]/[CN^–]

• Quando la sostanza è presente allo stato solido. In tal caso si tratta di un equilibrio eterogeneo in cui reagenti e i prodotti si trovano in due o più fasi. Un esempio di equilibrio eterogeneo ci è dato dalla decomposizione termica del carbonato di calcio:

CaCO_3(s) ⇄ CaO_(s) + CO_2(g)

Se la reazione viene condotta in un sistema chiuso all’equilibrio saranno presenti tre fasi: carbonato di calcio solido, ossido di calcio solido e biossido di carbonio gassoso.

Nell’espressione della costante relativa a questo equilibrio vanno omesse le concentrazioni delle specie solide e pertanto:

K_c = [CO₂]

Esercizi sulla scrittura dell’espressione della costante di equilibrio

1. Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione: CaF_2(s) ⇄ Ca²⁺_(aq) + 2 F^–_(aq)

La costante di questo equilibrio, denominata prodotto di solubilità ha come espressione

K_ps = [Ca²⁺][F^–]²

2.  Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione: Fe₃O_4(s) + 4 H_2(g) ⇄ 4 H₂O_(g)+ 3 Fe_(s)

La costante di questo equilibrio ha come espressione

K_c = [H₂O]⁴/[H₂]

3. Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione: Na₂SO₄∙ 10 H₂O ⇄ Na₂SO_4(s) + 10 H₂O_(g)

K_c = [H₂O]¹⁰

4. Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione: Cu_(s) + 2 Ag⁺_(aq) ⇄Cu²⁺_(aq) + 2 Ag_(s)

K_c= [Cu²⁺]/[Ag⁺]²

5. Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione N_2(g) + 3 H_2(g) ⇄ 2 NH_3(g)

K_c = [NH₃]²/ [N₂][H₂]

6. Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione 2 SO_2(g) + O_2(g) ⇄ 2 SO_3(g)

K = [SO₃]²/[SO₂]²[O₂]

7. Scrivere l’espressione della K_c relativa alla reazione Cd²⁺_(aq) + 4 Br^–_(aq) ⇄ CdBr₄^2-_(aq)

K = [CdBr₄^2-]/[Cd²⁺][Br^–]⁴