Principio di Le Chatelier — Come si sposta l'equilibrio

Il principio di Le Chatelier permette di prevedere in quale direzione si sposta una reazione reversibile dopo una variazione di concentrazione, pressione, volume o temperatura. Se un sistema è già all'equilibrio e viene perturbato, il nuovo equilibrio tende a spostarsi nella direzione che si oppone in parte a quel cambiamento.

È uno strumento per capire la direzione, non un calcolatore. Ti dice se l'equilibrio si sposta a sinistra o a destra, ma non le quantità esatte al nuovo equilibrio.

All'equilibrio, le reazioni diretta e inversa continuano comunque ad avvenire. Semplicemente procedono alla stessa velocità, quindi la composizione complessiva resta costante finché le condizioni non cambiano.

Quali cambiamenti possono spostare l'equilibrio

Le principali perturbazioni nella chimica introduttiva sono le variazioni di concentrazione, di pressione o volume dei gas e di temperatura. Ognuna richiede una regola specifica, quindi è utile identificare prima la perturbazione e solo dopo fare una previsione.

Se aggiungi altro reagente, il sistema tende a consumarne una parte, quindi l'equilibrio si sposta verso i prodotti. Se rimuovi un prodotto, il sistema tende a rimpiazzarne una parte, quindi anche in questo caso lo spostamento è verso i prodotti.

Per gli equilibri gassosi, le variazioni di pressione e volume contano solo quando i due lati hanno un numero totale diverso di moli di gas. Diminuire il volume aumenta la pressione, quindi l'equilibrio tende a spostarsi verso il lato con meno moli di gas. Se entrambi i lati hanno lo stesso numero totale di moli gassose, questa scorciatoia porta a prevedere nessuno spostamento.

La temperatura è il caso particolare. Per una reazione diretta esotermica, il calore si comporta come un prodotto; per una reazione diretta endotermica, il calore si comporta come un reagente. Cambiare la temperatura può quindi modificare quale lato è favorito all'equilibrio.

Esempio svolto: compressione dell'equilibrio del processo Haber

Considera l'equilibrio del processo Haber:

$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$

Supponiamo che la temperatura resti costante e che il contenitore venga compresso. Questo significa che il volume diminuisce e la pressione aumenta.

Ora conta le moli di gas. Il lato sinistro ha $1 + 3 = 4$ moli di gas, mentre il lato destro ha $2$ moli di gas. Uno spostamento verso destra riduce l'aumento di pressione portando il sistema verso un numero minore di particelle gassose, quindi l'equilibrio si sposta verso l'ammoniaca, $NH_3$.

Questo è lo schema fondamentale per le domande sulla pressione. Verifica che la reazione coinvolga gas, conta il numero totale di moli gassose su ciascun lato e solo dopo decidi la direzione.

Cosa non ti dice il principio di Le Chatelier

Il principio di Le Chatelier ti dice la direzione dello spostamento. Non ti dice le nuove concentrazioni, pressioni o la resa esatte all'equilibrio.

Inoltre non sostituisce i calcoli di equilibrio. Se un problema chiede le quantità finali, servono strumenti come l'espressione dell'equilibrio o una tabella ICE, non solo la direzione dello spostamento.

Errori comuni nelle domande sullo spostamento dell'equilibrio

Confondere posizione e velocità

Un catalizzatore di solito aiuta un sistema a raggiungere l'equilibrio più rapidamente, ma da solo non sposta l'equilibrio né a sinistra né a destra. Gli studenti spesso confondono una risposta più rapida con una diversa posizione di equilibrio.

Usare la scorciatoia della pressione quando non si applica

Le scorciatoie su pressione e volume valgono per gli equilibri gassosi. Richiedono anche che il numero totale di moli di gas sia diverso nei due lati. Se le moli gassose sono uguali, cambiare solo il volume non permette di prevedere uno spostamento.

Trattare la temperatura come una normale variazione di concentrazione

A temperatura fissa, cambiare concentrazione o pressione sposta la posizione dell'equilibrio senza modificare la costante di equilibrio. La temperatura è diversa perché può cambiare la costante di equilibrio stessa.

Pensare che equilibrio significhi quantità uguali

Equilibrio significa velocità uguali della reazione diretta e inversa, non quantità uguali di reagenti e prodotti.

Dove i chimici usano il principio di Le Chatelier

I chimici usano il principio di Le Chatelier nelle reazioni in fase gassosa, negli equilibri acido-base, nei problemi di solubilità e nella progettazione dei processi industriali. È particolarmente utile quando vuoi una previsione qualitativa rapida prima di fare un calcolo completo.

Per questo è molto utile anche negli esercizi per studenti. Spesso puoi escludere rapidamente le risposte sbagliate controllando il tipo di perturbazione e le condizioni della reazione.

Prova uno spostamento di equilibrio simile

Considera

$$2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$$

e chiediti che cosa succede se il volume diminuisce a temperatura costante. Conta le moli di gas su ciascun lato prima di rispondere. Se vuoi un altro controllo rapido, confronta il tuo ragionamento con una reazione in cui entrambi i lati hanno lo stesso numero di moli di gas e capisci perché la scorciatoia della pressione smette di funzionare.