COLORI IN EQUILIBRIO

Come può una statuetta colorata prevedere l’evoluzione del tempo?

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Sommario

Aspetti teorici

Stato di equilibrio e invarianza delle proprietà macroscopiche
Principio della reversibilità microscopica
Legge dell’azione di massa e costante di equilibrio
Il principio di Le Chatelier
Effetto della variazione di pressione
Effetto della variazione di temperatura

Parte sperimentale

Verifica del principio di Le Chatelier

Aspetti teorici

Stato di equilibrio e invarianza delle proprietà macroscopiche

Un sistema chimico è un insieme più o meno complesso in cui avvengono reazioni chimiche. Una reazione è accompagnata da variazioni di proprietà macroscopiche quali ad esempio il colore, la pressione, la densità, la temperatura, la viscosità ecc. Quando le proprietà macroscopiche non cambiano più nel corso del tempo e rimangono costanti (ad esempio stesso colore, stessa temperatura ecc.) il sistema ha raggiunto lo stato di equilibrio chimico. Ovviamente affinché ciò possa accadere il sistema deve essere chiuso e la temperatura deve essere costante.
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Principio della reversibilità microscopica

Un sistema in equilibrio chimico non è il risultato di una materia ferma e immutabile in quanto sia le particelle dei reagenti  sia  quelle dei prodotti sono in perenne movimento e reciproca interconversione.Per conciliare i due aspetti i chimici parlano di equilibrio dinamico e ipotizzano che in questo stato avvenga un’incessante trasformazione delle molecole dei reagenti nei prodotti e viceversa in modo da mantenere costante nel tempo la composizione del sistema. I chimici parlano di principio di “reversibilità microscopica” in quanto ogni trasformazione molecolare avviene con la stessa velocità con cui avviene la trasformazione opposta.
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Legge dell’azione di massa e costante di equilibrio

La rappresentazione dell’equilibrio chimico considera le due  reazioni in concorrenza: la reazione diretta (formalmente scritta da  sinistra a destra) e la reazione inversa (formalmente scritta da destra a sinistra)

REAGENTI  PRODOTTI

Le reazioni chimiche all'equilibrio sono di fatto reazioni incomplete, governate da un'importante legge quantitativa che è la legge di azione di massa o legge dell’equilibrio chimico.
Per una generica reazione del tipo

aA + bB  cC + dD

si definisce costante di equilibrio Kc mediante  la relazione

N.B.: il pedice “c”  sta  a  significare  che  si  è giunti  alla  sua determinazione attraverso misure di concentrazione in mol/L. La costante di  equilibrio Kc è caratteristica di ogni reazione e per i sistemi ideali, a cui si possono approssimare le soluzioni diluite, dipende solo dalla temperatura.
La legge dell’equilibrio chimico viene anche spesso ricordata come legge di azione di massa, così come la definirono Guldberg e Waage nella seconda metà del 1800: l’espressione vuol dare l’idea che le “masse” delle specie chimiche in un sistema all’equilibrio cambiano attivamente per intervento esterno ma non cambia il rapporto numerico rappresentato dalla costante di equilibro.
In generale un sistema chimico tende ad evolversi in modo tale da assumere una composizione che rispetti la legge espressa dal valore della costante di equilibrio Kc.

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Il principio di Le Chatelier

In base al principio di Le Chatelier (1850-1936) "quando si fa variare un parametro attivo su un sistema in equilibrio questo evolve nel verso in cui tende a opporsi alla variazione del parametro e ad annullarla parzialmente". Quando un qualunque sistema in equilibrio subisce modificazioni dall'esterno esso tende ad opporsi al cambiamento e a raggiungere una nuova situazione di equilibrio. Più in particolare, nel caso delle reazioni chimiche, quando un sistema si trova in condizioni di equilibrio chimico, qualunque variazione imposta dall'esterno determina una variazione nella composizione del sistema. Il principio di Le Chatelier può essere in sintesi considerato un principio di azione/reazione.
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Effetto della variazione di pressione

L’influenza della variazione della pressione sui sistemi che coinvolgono solo specie chimiche allo stato solido o liquido è pressoché irrilevante. Diverso è il caso in cui almeno uno dei componenti di una miscela all’equilibrio si trovi allo stato gassoso. Infatti, si consideri che una specie  gassosa esercita una determinata  pressione sulle pareti di un contenitore, a maggior ragione se chiuso. È chiaro che un aumento o una diminuzione della concentrazione di questa sostanza avrà conseguenze dirette sulla pressione a cui si trova l’intero sistema. Se ad esempio dall’esterno si impone un aumento di pressione il sistema, pur di conservare lo stato di equilibrio, tenderà ad  opporsi alla variazione indotta dall’esterno. L’unica possibilità di farlo sarà di consumare le specie gassose presenti. Viceversa, se la pressione viene  diminuita, il sistema tenderà a produrre altro gas in modo da controbilanciare la modificazione imposta dall’esterno.
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Effetto della variazione di temperatura

Esaminiamo ora il caso in cui venga  fatto  variare la temperatura. Partiamo dal una reazione generica all'equilibrio:

A + B   2C

Immaginando che tale sistema si trovi contenuto in  un  recipiente, e possa scambiare energia sotto forma di calore ceduto dall'ambiente al sistema stesso. Ciò è facilmente realizzabile avvicinandolo ad una sorgente di calore a temperatura più alta di quella a cui si trova originariamente, cioè riscaldandolo. In base al principio di Le Chatelier dovremmo aspettarci che il sistema minimizzi la variazione imposta  dall'esterno, cioè ostacoli l’aumento della temperatura, assorbendo parte del calore fornito. In generale si possono presentare due situazioni
le  reazioni esotermiche (che sviluppano il calore Q) sono favorite da  una  diminuzione  di   temperatura

A + B  2C + calore

e le reazioni endotermiche (che assorbono il calore Q) sono  favorite  da  un  aumento  di  temperatura

A + B + calore   2C

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Parte sperimentale

Verifica del principio di Le Chatelier

Lo ione Co2+ manifesta la tendenza a legarsi con specie chimiche ricche di elettroni (Basi di Lewis) come H2O (acqua) e ioni Cl- (cloruro), cioè coordina attorno a sé molecole di acqua o di ioni per formare "ioni complessi", spesso colorati. Per esempio lo ione [Co(H2O)6]2+ è rosa mentre lo ione [CoCl4]2-è blu
La reazione è
[Co(H2O)6]2+ + 4Cl- + calore  [CoCl4]2-  + 6H2O
ione esacquocobalto 
(ottaedrico) rosa
 ione tetaclorocobalto
(tetraedrico) blu
L’aggiunta di acetone (CH3COCH3) sottrae molecole di acqua e induce il sistema a evolvere verso il blu
L’aggiunta di AgNO3(aq)  sottrae ioni  Cl-(aq)  in base alla reazione

 AgNO3(aq)  + Cl-(aq)   AgCl(s)  +  NO3-(aq)

e induce il sistema a evolvere verso il rosa

Essendo una reazione endotermica, il riscaldamento induce il sistema a evolvere verso il blu, il raffreddamento  verso il rosa
A caldo, nel bagno di sabbia, prevale lo ione tetaclorocobalto blu
In acqua e ghiaccio comincia a virare al rosa
In acqua e ghiaccio, ormai raffreddato, prevale lo ione esacquocobalto rosa

 

Materiali occorrenti

  1. Provette e portaprovette
  2. Soluzioni acquose di CoCl2 0,4 M, HCl al 37% e AgNO3 0,1 M
  3. Acetone (CH3COCH3)
  4. Ghiaccio
  5. Piastra riscaldante

Procedimento

  1. Mettere circa 5 mL di CoCl2(aq) (soluzione rosa) e aggiungere goccia a goccia HCl al 37% sino a colorazione intermedia tra blu e rosa
  2. Dividere il contenuto in tre provette A, B e C (utilizzata come riferimento)
  3. Immergere la provetta A in acqua bollente e la provetta B in acqua e ghiaccio
  4. Ripetere da 1 a 2 e aggiungere nella provetta A acetone e nella provetta B AgNO3
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Guida alle osservazioni

  1. Collegare tutte le variazioni macroscopiche osservate al fenomeno chimico corrispondente
  2. Riassumere le osservazioni  in una tabella del tipo qui sotto riportato, indicando se la specie chimica aumenta o diminuisce (in base alla colorazione prevalente)

 
 
  Riscaldamento  Raffreddamento Aggiunta di acetone Aggiunta di AgNO3(aq)
Colore        
[Co(H2O)6]2+        
[CoCl4]2-        

 

Guida alle conclusioni

  1. Prevedere che effetto avrà l'aggiunta di ioni cloruro al sistema
  2. Trovare una legge generale a proposito dell’effetto della temperatura sulle reazioni di equilibrio

Collegamenti con la chimica di tutti i giorni.

L’esperimento spiega il comportamento delle statuine segnatempo,  il cui colore cambia passando dall'azzurro (con il bel tempo) al rosa (quando volge al brutto e aumenta l'umidità nell'aria). Formulare delle ipotesi sulla causa del fenomeno, sapendo che la superficie degli oggetti è rivestita di un  sale di cobalto(II), Co2+.
 
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Ipertesto assemblato da Mariano Calatozzolo