L’equilibrio chimico è lo stato di una reazione reversibile in cui la velocità della reazione diretta eguaglia quella della reazione inversa, così che le concentrazioni delle sostanze restano costanti nel tempo. Non significa che la reazione si sia fermata, ma che procede contemporaneamente nei due versi alla stessa velocità: è un equilibrio dinamico.
Per una reazione reversibile generica:
all’equilibrio le concentrazioni soddisfano la legge di azione di massa, che definisce la costante di equilibrio:
Il valore di K dice da che parte è spostato l’equilibrio: K grande indica che all’equilibrio prevalgono i prodotti (reazione “completa”); K piccolo indica che prevalgono i reagenti. K dipende dalla temperatura ma non dalle concentrazioni iniziali.
Il comportamento dell’equilibrio di fronte a perturbazioni è descritto dal principio di Le Chatelier: se si perturba un sistema all’equilibrio, esso reagisce spostandosi in modo da contrastare la perturbazione.
| Perturbazione | Risposta del sistema |
|---|---|
| Aumento di un reagente | l’equilibrio si sposta verso i prodotti |
| Rimozione di un prodotto | l’equilibrio si sposta verso i prodotti |
| Aumento di pressione | si sposta verso il lato con meno moli gassose |
| Aumento di temperatura | favorisce la reazione endotermica |
Questo principio è di enorme importanza pratica in ingegneria chimica: permette di massimizzare la resa di un processo agendo su concentrazioni, pressione e temperatura. Per esempio, nella sintesi dell’ammoniaca si lavora ad alta pressione (per favorire il lato con meno moli) e si rimuove il prodotto, spingendo l’equilibrio verso una maggiore produzione.
L’equilibrio chimico va distinto dalla cinetica: la costante K dice quanto prodotto si forma all’equilibrio, ma non quanto velocemente lo si raggiunge. Una reazione può essere termodinamicamente favorevole ma cineticamente lentissima. Equilibrio e cinetica insieme governano la progettazione di ogni reattore chimico.