Reacții reversibile și ireversibile

O reacție reversibilă are loc în ambele sensuri într-un sistem închis și se scrie cu $\rightleftharpoons$. În ${\mathrm{H}}_2+{\mathrm{I}}_2\rightleftharpoons 2HI$, hidrogenul și iodul formează iodură de hidrogen, iar aceasta se poate descompune înapoi. Sinteza amoniacului ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftharpoons 2N{\mathrm{H}}_3$ este un alt exemplu. O reacție practic ireversibilă în condițiile experimentului se scrie cu $\to$, cum este precipitarea $\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}\to \mathrm{AgCl}\downarrow$. La echilibru reacția nu se oprește; cele două sensuri au viteze egale.

Într-o reacție reversibilă produșii reacționează între ei și refac reactanții. Sensul de la stânga la dreapta se numește sens direct, iar cel de la dreapta la stânga, sens invers. Alte reacții reversibile cu importanță practică sunt $2S{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{O}}_2\rightleftharpoons 2S{\mathrm{O}}_3$, din fabricarea acidului sulfuric, și $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$, care are loc în băuturile carbogazoase: la deschiderea sticlei, dioxidul de carbon iese, iar echilibrul se deplasează spre stânga.

O reacție este practic ireversibilă atunci când un produs părăsește sistemul sau este foarte stabil:

• se formează un precipitat greu solubil, ca în $\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}\to \mathrm{AgCl}\downarrow$;
• se degajă un gaz care iese din vas, ca în $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3+2HCl\to \mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\uparrow$ în vas deschis;
• se formează apă din ionii ${\mathrm{H}}^{+}$ și $\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$, ca la neutralizarea acidului tare cu baza tare;
• reacția degajă multă căldură și produșii sunt foarte stabili, ca în arderea metanului.

Același proces este reversibil sau ireversibil după condițiile în care are loc. Descompunerea $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3\rightleftharpoons \mathrm{CaO}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ într-un vas închis atinge un echilibru, deoarece dioxidul de carbon rămâne în contact cu oxidul de calciu și îl reface. În cuptorul de var, deschis, gazul este antrenat de curentul de aer, iar descompunerea continuă până la consumarea calcarului.

Echilibrul chimic este dinamic. La început, într-un amestec de reactanți, viteza sensului direct este mare, iar cea a sensului invers este nulă. Pe măsură ce apar produșii, viteza directă scade și cea inversă crește, până când ele devin egale. Din acel moment concentrațiile rămân constante, deși ambele transformări continuă. Concentrațiile constante nu sunt neapărat egale. Aceeași stare de echilibru se atinge la temperatură și volum date, indiferent dacă se pornește de la reactanți sau de la produși, atât timp cât numărul total de atomi este același: $2$ mol de $\mathrm{HI}$ ajung în același amestec ca $1$ mol de ${\mathrm{H}}_2$ cu $1$ mol de ${\mathrm{I}}_2$.

Exemplul 1: tetroxidul de diazot, incolor, se descompune în dioxid de azot, brun: ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4\rightleftharpoons 2N{\mathrm{O}}_2$. Se pornește de la $1,0$ mol de ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4$ și se descompun $0,20$ mol până la echilibru.

1. Raportul molar $1:2$ arată că din $0,20$ mol de ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4$ rezultă $0,40$ mol de $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$.
2. Rămân $1,0-0,20=0,80$ mol de ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4$.
3. Numărul total de moli este $0,80+0,40=1,20$.
4. Ambele gaze coexistă, iar cele două transformări continuă cu viteze egale. La încălzire, culoarea brună se intensifică, iar la răcire slăbește; culoarea arată deci deplasarea echilibrului.

Exemplul 2: într-un vas închis se introduc $1,0$ mol de ${\mathrm{N}}_2$ și $3,0$ mol de ${\mathrm{H}}_2$, iar la echilibru se transformă $20\%$ din azot.

1. Reacționează $0,20$ mol de ${\mathrm{N}}_2$ și $3\cdot 0,20=0,60$ mol de ${\mathrm{H}}_2$.
2. Se formează $2\cdot 0,20=0,40$ mol de $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$.
3. La echilibru rămân $0,80$ mol de ${\mathrm{N}}_2$ și $2,4$ mol de ${\mathrm{H}}_2$, iar total sunt $0,80+2,4+0,40=3,6$ mol.
4. Procentul molar de amoniac este $0,40/3,6\cdot 100\approx 11\%$. Sistemul ajunge la un amestec de reactanți și produs, nu la amoniac pur, fiindcă reacția este reversibilă.

Greșeli frecvente

• Greșit: La echilibru reacția directă și cea inversă s-au oprit.
  Corect: ambele continuă cu viteze egale.
• Greșit: Săgeata dublă înseamnă două ecuații fără legătură.
  Corect: reprezintă cele două sensuri ale aceleiași transformări reversibile.
• Greșit: La echilibru concentrațiile reactanților și ale produșilor sunt egale.
  Corect: ele rămân constante în timp, dar egalitatea lor nu este condiția de echilibru; egale sunt vitezele celor două sensuri.
• Greșit: Reacția inversă începe abia după ce s-a terminat reacția directă.
  Corect: ea începe de îndată ce apar produși, iar cele două reacții decurg simultan.
• Greșit: Reacția reversibilă de descompunere a calcarului atinge echilibru și într-un cuptor deschis.
  Corect: dacă dioxidul de carbon iese din sistem, reacția se desfășoară până la consumarea calcarului.

Înainte și după