Reazioni reversibili: cloruro ferrico e tiocianato di potassio

In un sistema chimico all'equilibrio, una reazione e la sua opposta procedono con velocità identiche: il risultato è che non si nota nessuna variazione nelle concentrazioni di reagenti e di prodotti. Basta però una modifica alla concentrazione di una delle specie del sistema, e le velocità di reazione cambiano: l'equilibrio si sposta in una direzione o nell'altra. In questo esperimento studieremo un sistema in equilibrio, e come questo reagisce alla variazione delle concentrazioni.

Durata: 30'

Scopo:

Dimostrare il principio di Le Chatelier, cioè che un sistema chimico all'equilibrio reagisce alle variazioni effettuate sui suoi componenti in modo da ridurne gli effetti.

Teoria:

L'equilibrio studiato è quello di complessazione dello ione ferrico da parte dello ione tiocianato:

Fe³⁺ + SCN^- ⇋ FeSCN²⁺

Lo ione ferrico in soluzione è giallo, lo ione tiocianato è incolore, mentre il complesso ferro (III) - tiocianato è rosso sangue.

Secondo il principio di Le Chatelier, se il sistema è all'equilibrio, vale la relazione

dove k è la costante di equilibrio e a l'attività delle specie in soluzione.

L'attività si può approssimare con la concentrazione, l'equazione diventa quindi

Al variare delle concentrazione dei reagenti o dei prodotti, la reazione si sposterà quindi verso destra o verso sinistra fino a ristabilire l'equilibrio.

Materiale:

• FeCl₃ 0,1 M (corrosivo, maneggiare con i guanti)
• KSCN 0,01 M
• KCl 0,1 M
• Acqua distillata

Strumenti:

• Pipette tarate da 2 mL e 1 mL (o pipette graduate in grado di misurare 2 mL e 1 mL) con propipette
• Becher da 100 mL
• Provette

Procedimento:

1. Pipettare nel becher 2 mL di soluzione di cloruro ferrico e 2 mL di soluzione di tiocianato di potassio.
2. Aggiungere acqua distillata finché la soluzione non diventa giallo-arancione.
3. Versare 2 mL della soluzione ottenuta in 5 provette.
4. La prima provetta servirà da riferimento.
5. Nella seconda provetta aggiungere 1 mL di acqua distillata.
6. Nella terza provetta aggiungere 1 mL di soluzione di cloruro di potassio.
7. Nella quarta provetta aggiungere 1 mL di soluzione di cloruro ferrico.
8. Nella quinta provetta aggiungere 1 mL di soluzione di tiocianato di potassio.

Risultato:

Mescolando le soluzioni di cloruro ferrico e tiocianato di potassio si ottiene una soluzione rosso sangue, perché si stabilisce l'equilibrio visto sopra e si forma il complesso ferro (III) - tiocianato.

• Aggiungendo alle provette tiocianato di potassio o cloruro ferrico il colore diventa più scuro: aumentando la concentrazione dei reagenti la reazione si sposta verso destra, e aumenta anche la concentrazione del prodotto.
• Aggiungendo acqua distillata o diluendo la soluzione, il colore cambia da rosso sangue a giallo-arancio. Per spiegare questa variazione consideriamo i quozienti di reazione. All'inizio il sistema è all'equilibrio, e il quoziente di reazione è uguale alla costante di equilibrio:
  
  se poi aggiungiamo acqua distillata fino a raddoppiare il volume, ciascuna concentrazione viene dimezzata:
  
  
  Il nuovo quoziente di reazione è quindi il doppio del precedente, e quindi più grande della costante di equilibrio. La reazione si sposta quindi verso sinistra, diminuendo la concentrazione del prodotto e aumentando quella dei reagenti, per ristabilire l'equilibrio.
  In altre parole, siccome abbiamo due reagenti e un prodotto, una diluizione agisce due volte sui reagenti e una sola volta sui prodotti, per compensare questo la reazione aumenta la concentrazione dei reagenti e diminuisce quella dei prodotti.
  Un altro modo di vedere questo concetto, è notare come la reazione, da sinistra verso destra, diminuisce la concentrazione complessiva di ioni in soluzione (da due ioni ne produce uno solo), viceversa da destra verso sinistra aumenta la concentrazione complessiva di ioni in soluzione. Il sistema reagisce quindi ad una diluizione contrastandola, cioè spostando la reazione nel verso in cui avviene un aumento della concentrazione complessiva di ioni, cioè verso sinistra.
• Aggiungendo cloruro di potassio la soluzione vira verso il giallo, esattamente come aggiungendo acqua distillata: l'effetto quindi è soltanto quello descritto sopra dovuto alla diluizione, gli ioni cloruro e gli ioni potassio sono ioni spettatori, e le loro concentrazioni non influenzano l'equilibrio.

Riferimenti:

• http://duch.sd57.bc.ca/~rmcleod/Chemists_Corner/Ch12_-_T1_-_Iron_-_1.html
• http://www.chem.uiuc.edu/chem103/equilibrium/iron.htm
• Posca Vito. Dimensione chimica. Reazioni chimiche. 2011, p. 94-95.