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L’EQUILIBRIO CHIMICO - Verificare che si stabilisca un equilibrio chimico e verificare il senso in cui si sposta al variare della temperatura

L’EQUILIBRIO CHIMICO - Verificare che si stabilisca un equilibrio chimico e verificare il senso in cui si sposta al variare della temperatura
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L’EQUILIBRIO CHIMICO


OBIETTIVO: Verificare che si stabilisca un equilibrio chimico e verificare il senso in cui si sposta al variare della temperatura.


MATERIALE: -2 beute;

-l piastra elettrica;

-spatola;

-cristallizzatore.

SOSTANZE: -rame (Cu);

-acido nitrico (HNO3);

-acqua (H2O);


METODO: Prima di poter realmente osservare l’equilibrio che si stabiliva tra il diossido di azoto (NO2) e il tetraossido di azoto (N2O4), abbiamo proceduto con la formazione dell’ NO2 in due beute attraverso la reazione:  Cu + 4HNO2 à 2NO2 + Cu(NO3)2 + 2H2O



Dopo aver osservato che si era formato il diossido di azoto(gas di colore giallo-arancio) all’interno delle beute, abbiamo proceduto con la verifica dell’equilibrio al variare della temperatura attraverso la reazione di dimerizzazione(esotermica; dall’ NO2 all’ N2O4) e di quella inversa(endotermica; dall’ N2O4 all’ NO2) : 2NO2 N2O4

Per fare ciò, abbiamo messo una beuta nell’acqua calda sulla piastra elettrica, e una nell’acqua fredda e abbiamo osservato che il gas contenuto in quella posta nell’acqua calda assumeva un colore rosso-bruno, e che invece il gas contenuto in quella posta nell’acqua fredda diventava di un giallo molto pallido, quasi incolore.

Facendo inoltre lo scambio delle beute, cioè mettendo la prima nell’acqua fredda e la seconda in quella calda, i gas della prima beuta diventavano incolore e quelli della seconda rosso-bruni.

Possiamo quindi dire che se il colore dei gas all’interno della beuta era giallo-arancio, era stato raggiunto l’equilibrio tra l’ NO2 e l’ N2O4; se il colore dei gas all’interno della beuta era invece rosso bruno, vi era una prevalenza di NO2; se il colore dei gas all’interno della beuta era infine di un giallo quasi incolore, vi era una prevalenza di N2O4.


SCHEMATIZZAZIONE:

- Se vi è formazione di NO2 la reazione è:       N2O4 2NO2                                (1)

- Se vi è formazione di N2O4 la reazione è:                  2NO2 N2O4                                (2)


CENNI TEORICI (ATTRAVERSO L’ELABORAZIONE DEI DATI SPERIMENTALI E DELLE OSSERVAZIONI)


Parte I

Abbiamo innanzitutto ipotizzato che la reazione che avveniva all’interno della beuta (1) avesse aggiunto l’equilibrio a temperatura ambiente. L’equazione sopra scritta rappresenta una reazione di dimerizzazione, una reazione in cui 2 molecole di uno stesso composto si uniscono per formarne una di massa doppia.

Il colore dei gas nella beuta era giallino e questo era dovuto alla presenza di NO2 , essendo l’ N2O4 incolore.

Dopo aver immerso la beuta nel cristallizzatore sopra la piastra elettrica, abbiamo notato che il colore del contenuto variava abbastanza velocemente e aumentava visibilmente la sua intensità. Abbiamo perciò concluso che si formavano altre molecole di NO2. L’equilibrio si era quindi spostato a destra, cioè verso i prodotti. Ci siamo chiesti se questo fatto fosse causato da un cambiamento di temperatura o di pressione. Immergendo la beuta nell’acqua calda, aumentava la temperatura e quindi l’agitazione termica all’interno della beuta. Le molecole in essa contenute avevano perciò una maggiore energia cinetica; di conseguenza gli urti di queste molecole contro le pareti interne della beuta diventavano via via più frequenti e più intensi. Aumentava quindi la pressione dei gas all’interno della beuta.

Secondo il principio di Le Chateliër, il sistema , per annullare l’effetto della perturbazione (in questo caso l’aumento della temperatura provocante un aumento della pressione ), doveva agire in modo da diminuire la pressione. Gli urti dovevano perciò diminuire di frequenza e quindi doveva diminuire il numero di particelle all’interno della beuta. La reazione sarebbe dovuta avvenire in questo senso: 2NO2 N2O4 , perché dai reagenti ai prodotti diminuisce il numero di moli. Questo comporterebbe un aumento dell’ N2O4, che però non corrisponde ai risultati da noi ottenuti, in quanto l’ N2O4 è incolore, mentre noi avevamo osservato un aumento dell’intensità di colore. Abbiamo quindi concluso che questo fatto fosse dovuto all’aumento della temperatura: l’effetto della pressione c’era, ma era comunque irrilevante (almeno qualitativamente) rispetto all’effetto della temperatura, che lo “vinceva”.



Poiché ad un aumento della temperatura corrispondeva un aumento dei reagenti e l’entalpia risulta maggiore di zero, la reazione doveva essere endotermica e la possiamo quindi schematizzare con la seguente equazione:


N2O4 +calore 2NO2    H= +57,2 kj


L’espressione dell’azione di massa per la reazione è:  

Keq= [NO2]2eq

[ N2O4] eq


Essendo la reazione endotermica, in seguito all’aumento della temperatura il Keq aumenta, e infatti, aumentando il numero di molecole di NO2 la Keq aumenta.


Parte II

Dopo avere immerso la beuta nell’acqua con ghiaccio, abbiamo notato che il colore variava abbastanza velocemente e diminuiva d’intensità. Avveniva cioè l’inverso del processo appena descritto. La reazione questa volta è la (2). Anche questa volta la reazione si sposterà a destra, cioè verso i prodotti.

Adesso, come prima, proviamo a ipotizzare che l’effetto sia dovuto in prevalenza al cambiamento di pressione. Diminuendo la temperatura, le molecole avevano una minore energia cinetica, gli urti erano meno intensi e meno frequenti e la pressione all’interna della beuta diminuiva. Per il principio di Le Chateliër, il sistema tendeva quindi ad aumentare la pressione, secondo la reazione: N2O4 2NO2. Questo però avrebbe comportato un aumento dell’intensità del colore del contenuto della beuta, cioè il contrario di ciò che effettivamente avveniva. Anche questa volta prevaleva quindi l’effetto del cambiamento della temperatura.

Poiché ad una diminuzione della temperatura corrispondeva un aumento dei reagenti e l’entalpia risulta minore di zero, la reazione doveva essere esotermica e la possiamo quindi schematizzare con la seguente equazione:


2NO2   N2O4 +calore                                  H < 0


Essendo la reazione esotermica, diminuendo la temperatura del sistema, aumentano i reagenti.

Così diminuiva il numero di molecole colorate di NO2 e aumenta il numero di molecole incolore di N2O4.

Durante questa prova abbiamo osservato solo qualitativamente e non quantitativamente i cambiamenti che si verificavano sul nostro sistema.


COCLUSIONI: Quando un sistema in equilibrio è soggetto ad un’azione perturbatrice che altera l’equilibrio, il sistema risponde nella direzione che tende ad annullare la perturbazione e a ripristinare l’equilibrio del sistema.

Se inoltre si riscontra una variazione di temperatura del sistema, si opera nel seguente modo:

Se siamo in presenza di una reazione esotermica un innalzamento della temperatura sposta l’equilibrio a sinistra, mentre un abbassamento di temperatura lo sposta a destra;

Se siamo in presenza di una reazione endotermica un innalzamento della temperatura sposta l’equilibrio a destra, mentre un abbassamento di temperatura lo sposta a sinistra.






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