Trattamento sistematico dell'equilibrio chimico

E' consuetudine trovarsi a dover determinare la concentrazione di un elevato numero di specie quando si ha a che fare con equilibri multipli in soluzione acquosa.

Il "trattamento sistematico" rappresenta uno strumento utile proprio per affrontare problemi di questo tipo.

Per quanto siano complessi i sistemi chimici che ci troviamo a studiare, possiamo sempre scrivere un determinato numero di equazioni che ci permette di conoscere con relativa precisione la concentrazione di tutte le specie all'equilibrio (spesso è possibile effettuare delle approssimazioni).

Se si ha un minimo di dimestichezza con la matematica, risolvere questi problemi equivale a risolvere un sistema. Dobbiamo poter scrivere tante equazioni quante sono le incognite da trovare.

Queste equazioni corrispondono a:

  • Espressioni delle costanti di equilibrio delle varie reazioni chimiche
  • Equazione di bilancio di carica
  • Equazione/i di bilancio di massa

Adesso vedremo velocemente cosa si intende per bilancio di carica e bilancio di massa per poi procedere ad un esempio articolato di trattamento sistematico di un equilibrio chimico.

Bilancio di carica

Il bilancio di carica corrisponde ad un assunzione molto semplice: "tutte le soluzioni sono elettroneutre". In ogni caso, qualsiasi cosa venga mandato in soluzione, la somma delle cariche negative sarà sempre uguale alla somma delle cariche positive.

Partiamo da un esempio molto semplice. Se sciogliamo in acqua deionizzata una certa quantità di NaCl, le specie presenti in soluzione saranno: H+ , OH- → derivanti dall'autoionizzazione dell'acqua. Na+ , Cl- → derivanti dalla dissociazione del sale.

L'equazione di bilancio di carica sarà:

 [Na+] + [H+] \rightleftharpoons [Cl-] + [OH-

Questa situazione è particolarmente semplice, perché tutte le specie hanno valore unitario di carica.

Supponiamo dunque di sciogliere questa volta del solfito di sodio, Na2SO3:

Le specie presenti in soluzione sono: H+ , OH- → derivanti dall'autoionizzazione dell'acqua. Na+ , SO32- → derivanti dalla dissociazione del sale.

L'equazione di bilancio di carica sarà:

[Na+] +  [H+\rightleftharpoons  2[SO32-] + [OH-]

Si osserva che quando scriviamo quest'equazione, la concentrazione di carica fornita da un determinato ione è uguale alla concentrazione molare dello ione moltiplicata per il valore della sua carica.

Nel nostro esempio, da ogni mole di SO32-  derivano due moli di cariche negative.

Si può dire in generale che:

e quindi, chiamando con x il valore della carica del catione e con y il valore della carica dell'anione si può scrivere l'espressione generale per il bilancio di carica:

x1[catione1] + x2[catione2] + ... = y1[anione1] + y2[anione2] + ...

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