Reazioni Chimiche Reversibili

Nella chimica possiamo dire che tutte le reazioni tendono ad arrivare ad uno stato d’equilibrio, ovvero tendono a raggiungere uno stato in cui avvengono due processi in senso opposto che annullano reciprocamente i loro effetti.
Tuttavia non tutte le reazioni hanno un equilibrio evidente, in quanto possiamo anche trovare reazioni che all’equilibrio danno una quantità irrisoria di reagenti, divideremo dunque le reazioni in quelle che danno un equilibrio dinamico (reversibili) e quelle che non lo danno (non reversbili), o almeno non lo rendono evidente.

aA + bB → cC + dD

La velocità della reazione diretta è massima nel momento iniziale della reazione, è uguale a
v1 = k1 [A]a[B]b, mentre la velocità della reazione inversa è data da v2 = k2 [C]c[D]d.
Mentre la reazione procede v1 diminuisce e v2 aumenta, arriveranno in un momento in cui v1 = v2.

k1[A]a[B]b = k2[C]c[D]d

Kc = (k1/k2) = ([C]c[D]d) / ([A]a[B]b)

Kc rappresenta la costante d’equilibrio, e visto che in questo caso deriva da un rapporto tra concentrazioni molari, è un tipo di equilibrio che avviene solo in soluzione. Essa si ottiene solamente nel momento in cui la reazione è all’equilibrio e le velocità della reazione diretta e inversa sono uguali, ovvero vi è la stessa concentrazione di reagenti e prodotti che si trasformano.

Kc è influenzata unicamente dalla temperatura, non dalla pressione in quanto i liquidi sono incomprimibili. Se abbiamo a che fare con una reazione endotermica, aumentando la temperatura K tende a spostarsi verso destra (possiamo vedere il calore come uno dei reagenti) mentre se abbiamo a che fare con una reazione esotermica aumentando la mia temperatura avrò una diminuzione del valore di K, ovvero tenderà a sinistra (possiamo vedere il calore come uno dei prodotti).


Considerazioni opposte vengono fatte nel caso diminuisca la temperatura nei due tipi di reazioni. Se invece aumento la quantità di un reagente prima della reazione la mia Kc non cambia perche il rapporto tra reagenti e prodotti che reagiscono assieme rimane costante, ciò che ci dà il valore della costante di equilibrio sono le concentrazioni all’equilibrio e non quelle all’inizio della reazione.

LEGGE DI AZIONE DELLE MASSE: Kc = ([C]c[D]d) / ([A]a[B]b)

In un sistema chimico omogeneo a temperatura costante, in ogni reazione all’equilibrio il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti (elevati ai propri coefficienti di reazione) e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti (elevati ai propri coefficienti di reazione) assume sempre un valore costante che caratterizza la reazione. Possiamo avere costanti d’equilibrio con equilibrio spostato verso destra (all’equilibrio concentrazione prodotti >> concentrazione reagenti, nell’ordine di 10(-1), 10(-2), 10(-3)) o con equilibrio spostato verso sinistra (all’equilibrio concentrazione reagenti >> concentrazione prodotti, nell’ordine di 10(-11), 10(-12)).

A livello microscopico se la reazione all’equilibrio è spostata verso destra vuol dire che vi sono numerosi prodotti, la k della sua velocità sarà dunque piuttosto piccola.

Kc grande k1 grande [A]a[B]b piccoli
k2 piccola [C]c[D]d grandi

Se invece la reazione all’equilibrio è spostata verso sinistra vuol dire che vi sono numerosi reagenti, la k della sua velocità sarà dunque piuttosto piccola.

Kc piccola k1 piccola [A]a[B]b grandi
k2 grande [C]c[D]d piccoli

Consideriamo invece una reazione allo stato gassoso:

aA + bB → cC + dD

Kp = k1/k2 = ((Pc)c * (Pd)d) / ((Pa)a * (Pb)b)

Anche la costante d’equilibrio per i gas dipende dalla temperatura in maniera analoga con la costante d’equilibrio per le soluzioni, ma dipende anche dalla pressione.
Se la somma della molecolarità dei reagenti e dei prodotti è uguale la pressione non influenza la costante d’equilibrio, mentre se la molecolarità dei reagenti è maggiore della molecolarità dei prodotti, aumentando la pressione l’equilibrio si sposta verso destra (diminuendo il volume il sistema reagisce favorendo il processo che porta ad un minor numero di moli) mentre diminuendo la pressione (aumentando il volume il sistema reagisce favorendo il processo che porta ad un maggior numero di moli) l’equilibrio si sposta verso sinistra. Invece se la molecolarità dei prodotti è maggiore della molecolarità dei reagenti, aumentando la pressione (diminuendo il volume il sistema reagisce favorendo il processo che porta ad un minor numero di moli) l’equilibrio si sposta verso sinistra mentre diminuendo la pressione (aumentando il volume il sistema reagisce favorendo il processo che porta ad un maggior numero di moli) l’equilibrio si sposta verso destra.

PRINCIPIO DI LE CHATELIER: Nel momento in cui in un sistema chimico si trova all’equilibrio esso reagisce ad una modifica impostagli dall’esterno minimizzandone gli effetti. Vale sia per la Kp che per la Kc. Se ad esempio tolgo un prodotto D in un sistema all’equilibrio, esso reagisce aumentando la velocità della reazione diretta per minimizzare ciò che ho provocato al sistema: si instaurerà così un nuovo tipo d’equilibrio in cui le concentrazioni delle specie chimiche coinvolte e le velocità di reazione saranno diverse ma k1 e k2 rimarrano uguali, come il rapporto tra il prodotto delle concetrazioni dei prodotti e dei reagenti, il valore della costante d’equilibrio rimane costante.

EQUILIBRI CONCATENATI: La maggior parte delle reazioni biochimiche sono reversibili, e solitamente si trovano legate le une alle altre.

A → B → C → D
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Dalla sostanza A si passa attraverso reazioni reversibili ad ottenere il prodotto D, nella cellula non si ha mai un accumulo di una sostanza, ciò che non viene più utilizzato viene demolito ed espulso, si ha la continua trasformazione di un prodotto in un altro in reazioni molto spesso reversibili.
Non si ha un equilibrio unico, ma una serie di equilibri che non vengono mai raggiunti, si ha una situazione in costante dinamicità.