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Modifiche dell'equilibrio chimico

Materiali occorrenti:

Rame trucioli - Cromato di Potassio - Bicromato di Potassio - Acido cloridrico sol. 0.1 M - Idrossido di sodio sol. 0.1 M - Acido nitrico sol. 65 % - Metilarancio sol. 0.1 % - Cloruro di bario sol. 5 % - Vetreria.

Esecuzione dell'esperienza:

Parte prima: spostamenti d'equilibrio al variare della temperatura:

Si pongono dei trucioli di rame in una provetta e si fanno reagire con 1 o 2 mL di acido nitrico sol. 65 % ; si chiude velocemente la provetta con un tappo munito di tubo di sviluppo e si raccoglie il gas prodotto, di colore bruno, in un palloncino, chiudendolo immediatamente con un tappo in gomma.

Il gas che si è formato è il biossido di azoto ( NO₂ ) derivante dalla reazione:

3Cu + 6HNO₃ + 2HNO₃ ----> 3Cu(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO ↑

cui segue la:

2NO + O_{2 (dall'aria)} ---->2NO₂

Si pone quindi il palloncino in un freezer e lo si lascia raffreddare per almeno 15 minuti. Dopo il raffreddamento lo si estrae e si osservano la scomparsa del gas di colore bruno e la formazione di cristalli azzurri di tetraossido di diazoto ( N₂O₄ ).

Con il ritorno alla temperatura ambiente - è sufficiente tenere il palloncino tra le mani - detti cristalli evaporeranno dissociandosi nel gas biossido di azoto ( NO₂ ).

Quanto osservato dimostra che si è stabilito un equilibrio dinamico ed una reattività del sistema tendente a neutralizzare lo stimolo esterno.

L'equilibrio dissociazione-sintesi può essere così descritto:

dissociazione ---->

calore + N₂O₄ <---------> 2NO₂ - calore ( ΔH = +13.7 Kcal/mol. )

<---- sintesi

Parte seconda: spostamenti d'equilibrio al variare delle concentrazioni:

Si sciolgono in due provette contenenti 4 o 5 mL di acqua distillata alcuni cristallii di cromato di potassio (K₂CrO₄); in altre due provette si sciolgono alcuni cristallini di bicromato di potassio (K₂Cr₂O₇). La soluzione di ioni cromato assume colore giallo, mentre quella di ioni bicromato risulta di colore arancio.

Si prende una delle provette contenente ioni cromato e ad essa si aggiungono poche gocce di acido cloridrico sol. 0.1 M osservando il viraggio del giallo all'arancio. Si aggiungono, quindi, alcune gocce di idrossido di sodio sol. 0.1 M verificando che il sistema regredisce al colore giallo di partenza.

Si prende, a questo punto, una delle provette contenente ioni bicromato e ad essa si aggiungono alcune gocce di idrossido di sodio sol. 0.1 M osservando il viraggio dell'arancio al giallo paglierino. Aggiungendo alcune gocce di acido cloridrico sol. 0.1 M il sistema regredisce al colore arancio originario.

Le altre due provette servono come confronto dei colori originali.

Quanto accaduto dimostra che si sono stabiliti due equilibri analoghi dovuti uno all'attività degli ioni H⁺ e l'altro a quella degli ioni OH ^- .

Nel primo caso si ha:

2CrO₄^{2 -} + 2H ⁺ <--------> Cr₂O₇^{2 -} + H₂O ( da giallo ad arancio )

Nel secondo caso si ha:

Cr₂O₇^{2 -} + 2OH ^- <--------> 2CrO₄^{2 -} + H₂O ( da arancio a giallo)

Ulteriore conferma di quanto avvenuto la si può avere trattando le due soluzioni con alcune gocce di cloruro di bario sol. 5% ; si osserva la formazione di un precipitato giallo di cromato di bario ( BaCrO₄ ) solo nella provetta contenente ioni cromato; nessun precipitato si forma nella provetta contenente gli ioni bicromato.

Si può dedurre che, aumentando la concentrazione di uno dei fattori di equilibrio ( H ⁺ e OH ^- ), il sistema opera per farla diminuire; al contrario, diminuendo la concentrazione di uno dei fattori predetti, il sistema agisce per ripristinarla ai valori originari.

Analoga esperienza si può effettuare utilizzando l'indicatore metilarancio.

Questo in condizioni d i pH <3 è rosso mentre a pH >3 diviene giallo, secondo la reazione di equilibrio:

MetSO₃H + H₂O <--------> H₃O⁺ + MetSO₃^- ( da rosso a giallo )