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14.5:

Quoziente di reazione

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Chemistry
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Reaction Quotient

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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.

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 è derivato direttamente dalla stechiometria dell’equazione bilanciata come

Eq1

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

Eq2

Si noti che le equazioni quozienti di reazione sopra sono una semplificazione di espressioni più rigorose che usano valori relativi per concentrazioni e pressioni piuttosto che 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 indicatore utile dello stato della reazione. Per illustrare questo punto, considera l’ossidazione dell’anidride solforosa:

Eq3

Qui sono possibili due diversi scenari sperimentali, uno in cui questa reazione viene iniziata solo con una miscela di reagenti, SO2 e O2e un altro che inizia con un solo prodotto, SO3. Per la reazione che inizia solo con una miscela di reagenti, Q è inizialmente uguale a zero:

Eq4

Man mano che la reazione procede verso l’equilibrio nella direzione in avanti, le concentrazioni reagenti diminuiscono (così come il denominatore di Qc), la concentrazione del prodotto aumenta (così come il numeratore di Qc), e il quoziente di reazione aumenta di conseguenza. Quando si raggiunge l’equilibrio, le concentrazioni di reagenti e prodotto rimangono costanti, così come il valore di Qc.

Se la reazione inizia con un solo prodotto presente, il valore di Qc è inizialmente indefinito (incommensurabilmente grande, o infinito):

Eq5

In questo caso, la reazione procede verso l’equilibrio nella direzione inversa. La concentrazione del prodotto e il numeratore di Qc diminuiscono con il tempo, le concentrazioni reagenti e il denominatore di Q caumentano, e il quoziente di reazione diminuisce di conseguenza fino a diventare costante all’equilibrio. Il valore costante di Q mostrato da un sistema all’equilibrio è chiamato costante di equilibrio, K:

Eq6

Valutazione di un quoziente di reazione

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

Eq7

Quando 0,10 mol NO2 viene aggiunto a un pallone da 1,0-L a 25 °C, la concentrazione cambia in modo che all’equilibrio, [NO2] = 0,016 M e [N2O4] = 0,042 M. Prima della formazione di qualsiasi prodotto, [NO2] = 0,10 M e [N2O4] = 0 M. Così

Eq8

All’equilibrio,

Eq9

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

Suggested Reading

  1. Lederer, Robert. "The Reaction Quotient Is Unnecessary To Solve Equilibrium Problems: No Problems with Q." Journal of Chemical Education 82, no. 8 (2005): 1149. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed082p1149.2