Trattamento sistematico dell'equilibrio chimico

Bilancio di massa (o bilancio di materia)

"Il bilancio di massa dice che, se introduco in soluzione specie che contengono determinati atomi (o gruppi di atomi), la quantità esatta di questi atomi deve essere presente all'equilibrio, seppur non necessariamente nelle stesse specie cui appartenevano in partenza".

Espresso in modo meno formale, le equazioni di bilancio di massa consentono di collegare le concentrazioni analitiche dei soluti con le concentrazioni delle varie specie presenti all'equilibrio.

E' molto più semplice capire questi concetti tramite degli esempi.

Supponiamo di sciogliere 1 mole di acido acetico (solido sotto i 16,7 °C) in 1L di acqua deionizzata. In quanto acido debole, l'acido acetico si dissocerà parzialmente:

CH₃COOH $\rightleftharpoons$ CH₃COO^- + H⁺

Quindi dopo aver portato in soluzione non avremo più una mole di acido, ma poco meno, dato che parzialmente si sarà dissociato a dare ioni CH₃COO^- e H⁺. Nell'immagine sotto si vede un esempio grossolano di quello che effettivamente succede (scorri sull'immagine per ingrandirla)

Il bilancio di massa per l'acido acetico sarà quindi:

C_HA = [CH₃COOH] + [CH₃COO^-]

Dove C_HA è la concentrazione analitica dell'acido,  [CH₃COOH] è la concentrazione della specie indissociata all'equilibrio e [CH₃COO^-] è la concentrazione della specie dissociata all'equilibrio.

Se il composto può dissociarsi in vari modi, l'equazione deve comprendere tutti i prodotti. Ad esempio, se dovessimo scrivere il bilancio di massa per l'acido fosforico H₃PO₄ (anche in questo caso indichiamo la concentrazione analitica con C_HA :

C_HA = [H₃PO₄] + [H₂PO₄^-] + [HPO₄^2-] + [PO₄^3-]

 Vediamo infine un esempio leggermente più complesso. Supponiamo di dover scrivere l'equazione del bilancio di massa per una soluzione satura di fosfato di argento Ag₃PO₄.

Dato che in soluzione per ogni mole di fosfato PO₄^3- corrisponde a tre moli di Ag⁺ (per la stechiometria del sale) verrebbe immediato scrivere:

[Ag⁺] = 3[PO₄^3-]         

Ma quest'equazione non è corretta, dato che  il fosfato in presenza di acqua può essere protonato a dare HPO₄^2-  , H₂PO₄^-  e  H₃PO₄.

L'equazione corretta è quindi:

[Ag⁺] = 3 { [PO₄^3-]   + [HPO₄^2-]  + [H₂PO₄^-] + [H₃PO₄] }