14.5: Quoziente di reazione

Lo stato di una reazione reversibile viene convenientemente valutato valutando il suo quoziente di reazione (Q). Per una reazione reversibile descritta da m A + n B ⇌ x C + y D, il quoziente di reazione si deriva direttamente dalla stechiometria dell'equazione bilanciata come

dove il pedice c denota l'uso delle concentrazioni molari nell'espressione. Se i reagenti e i prodotti sono gassosi, un quoziente di reazione può essere derivato in modo simile utilizzando pressioni parziali:

Si noti che le equazioni del quoziente di reazione di cui sopra sono una semplificazione di espressioni più rigorose che utilizzano valori relativi per concentrazioni e pressioni anziché valori assoluti. Questi valori relativi di concentrazione e pressione sono adimensionali (non hanno unità); di conseguenza, lo sono anche i quozienti di reazione.

Il valore numerico di Q varia man mano che una reazione procede verso l'equilibrio; pertanto, può servire come utile indicatore dello stato della reazione. Per illustrare questo punto, consideriamo l’ossidazione del biossido di zolfo:

Qui sono possibili due diversi scenari sperimentali, uno in cui questa reazione viene avviata solo con una miscela di reagenti, SO_2 e O_2, e un altro che inizia solo con il prodotto, SO_3. Per la reazione che inizia con una sola miscela di reagenti, Q è inizialmente uguale a zero:

Man mano che la reazione procede verso l'equilibrio nella direzione in avanti, le concentrazioni dei reagenti diminuiscono (come fa il denominatore di Q_c), la concentrazione del prodotto aumenta (come fa il numeratore di Q_c) e di conseguenza il quoziente di reazione aumenta. Quando viene raggiunto l'equilibrio, le concentrazioni dei reagenti e del prodotto rimangono costanti, così come il valore di Q_c.

Se la reazione inizia con la presenza del solo prodotto, il valore di Q_c è inizialmente indefinito (incommensurabilmente grande o infinito):

In questo caso la reazione procede verso l'equilibrio nella direzione opposta. La concentrazione del prodotto e il numeratore di Q_c diminuiscono con il tempo, le concentrazioni dei reagenti e il denominatore di Q_c aumentano e il quoziente di reazione di conseguenza diminuisce fino a diventare costante nell'equilibrio. Il valore costante di Q esibito da un sistema in equilibrio è chiamato costante di equilibrio, K:

Valutazione di un quoziente di reazione

Il biossido di azoto gassoso forma tetrossido di diazoto secondo questa equazione:

Quando si aggiungono 0,10 mol di NO_2 in un pallone da 1,0 L a 25 °C, la concentrazione cambia in modo che all'equilibrio, [NO_2] = 0,016 M e [N_2O_4] = 0,042 M. Prima che si formi qualsiasi prodotto, [NO_2] = 0,10 M e [N_2O_4] = 0 M. Pertanto,

In equilibrio,

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 13.2 Equilibrium Constants.

L'espressione della costante di equilibrio è scritta come le concentrazioni molari dei prodotti, C e D, sui reagenti, A e B, in equilibrio, ciascuno elevato ai rispettivi coefficienti stechiometrici. Quando è risolta, l'espressione è uguale alla costante di equilibrio, Kc.Un'espressione nella stessa forma può anche essere scritta per i reagenti ed i prodotti a qualsiasi concentrazione, e la quantità calcolata è nota come quoziente di reazione, Qc.Come Qc, l'espressione Qp può essere scritta per le reazioni gassose, utilizzando le pressioni parziali. Mentre K rimane costante ad una temperatura specifica indipendentemente dalla concentrazione, il valore di Q cambia mentre la reazione procede verso i prodotti o i reagenti.

Il quoziente di reazione può essere utilizzato per determinare la direzione in cui procederà una reazione per raggiungere l'equilibrio. All'inizio di una data reazione, se la concentrazione dei prodotti è zero, il quoziente di reazione sarà zero. Ogni volta che la concentrazione dei reagenti nel denominatore è elevata, laddove Q sia minore di K, la reazione si sposterà a destra per sintetizzare più prodotti, fino a quando il sistema non raggiunge l'equilibrio.

Se la concentrazione dei reagenti è zero, il quoziente di reazione è infinito. Ogni volta che la concentrazione dei prodotti nel numeratore è elevata, laddove Q è maggiore di K, la reazione si sposterà a sinistra per produrre più reagenti. Se Q è uguale a K, il sistema è in equilibrio e la velocità delle reazioni diretta e inversa sono uguali.

Considerate la reazione data con una costante di equilibrio 50. Se la miscela di reazione contiene 0, 20 idrogeno molare, 0, 20 iodio molare e 1, 7 ioduro di idrogeno molare, la direzione della reazione mostrata può essere determinata calcolando Q.Sostituendo le concentrazioni date nell'espressione, Q è uguale a 72, che è maggiore di K.Pertanto, la reazione si sposterà verso sinistra.