Costante di equilibrio Kc e Kp: cosa sono e come si scrivono

Quando una reazione reversibile raggiunge l’equilibrio, reagenti e prodotti smettono di cambiare concentrazione — ma non perché la reazione si è fermata: continua nei due versi alla stessa velocità. La costante di equilibrio K mette in un solo numero dove si trova questo punto di bilancio: dice se all’equilibrio prevalgono i prodotti o i reagenti, e quindi se una reazione «rende» oppure no.

Vediamo come si scrive la costante di equilibrio, che cosa significa il suo valore, la differenza tra Kc e Kp e quali regole vanno rispettate quando la si imposta.

Che cos’è l’equilibrio chimico

Una reazione reversibile non si esaurisce: procede in avanti (reagenti → prodotti) e all’indietro contemporaneamente. All’inizio prevale il verso diretto, ma man mano che si formano i prodotti aumenta anche il verso inverso, finché le due velocità diventano uguali. Da quel momento le concentrazioni restano costanti: è l’equilibrio dinamico. Costante non vuol dire fermo: a livello molecolare la reazione continua nei due sensi, solo che gli effetti si annullano.

Come si scrive la costante di equilibrio

Per la reazione generica aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è il rapporto tra le concentrazioni dei prodotti e quelle dei reagenti, ciascuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico:

K = [C]^c[D]^d[A]^a[B]^b

I prodotti stanno al numeratore, i reagenti al denominatore, e gli esponenti sono i coefficienti dell’equazione bilanciata. Il valore di K dipende solo dalla reazione e dalla temperatura: non cambia se si parte da concentrazioni diverse, ed è questa universalità a renderlo così utile.

Che cosa dice il valore di K

Il numero, da solo, racconta dove pende l’equilibrio. Un K molto grande significa che all’equilibrio dominano i prodotti: la reazione «va a fondo» ed è quasi completa. Un K molto piccolo significa che dominano i reagenti: la reazione procede appena. Un K vicino a 1 indica quantità paragonabili di reagenti e prodotti all’equilibrio.

È un’informazione termodinamica, non cinetica: K dice dove arriva la reazione, non quanto in fretta. Una reazione può avere K enorme ed essere lentissima.

Kc e Kp: concentrazioni o pressioni

Per le reazioni in fase gassosa la costante si può esprimere in due modi: con le concentrazioni molari (Kᴼ) o con le pressioni parziali dei gas (Kᴸ). Le due sono legate da una semplice relazione che dipende dalla variazione del numero di moli gassose Δn (moli di prodotti gassosi meno moli di reagenti gassosi):

Kᴸ = Kᴼ(RT)^Δn

Quando Δn = 0, cioè quando il numero di moli di gas non cambia nella reazione, Kᴸ e Kᴼ coincidono. Per le reazioni in soluzione si usa sempre Kᴼ.

Le regole per impostare K correttamente

Poche regole evitano gli errori più comuni. Prodotti al numeratore, reagenti al denominatore. Esponenti uguali ai coefficienti dell’equazione bilanciata. Solidi e liquidi puri esclusi. Se si raddoppiano i coefficienti, K va elevato al quadrato; se si inverte la reazione, K diventa il suo reciproco; se si sommano due reazioni, le costanti si moltiplicano. Infine, K è adimensionale perché in rigore si scrive con le attività, grandezze senza unità: per questo non si associano unità di misura al suo valore.

Padroneggiare queste poche regole mette al riparo dagli errori più comuni e permette di scrivere correttamente la costante di qualunque reazione, dal più semplice equilibrio in fase gassosa ai sistemi eterogenei che coinvolgono solidi e gas. È il primo passo indispensabile prima di affrontare qualsiasi calcolo quantitativo di equilibrio.

Domande frequenti

Che cos’è la costante di equilibrio?

È il rapporto, all’equilibrio, tra le concentrazioni (o pressioni) dei prodotti e dei reagenti, ciascuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico. Indica dove si trova il punto di bilancio della reazione: un valore grande significa che prevalgono i prodotti, un valore piccolo che prevalgono i reagenti. Dipende solo dalla reazione e dalla temperatura.

Qual è la differenza tra Kc e Kp?

Kᴼ usa le concentrazioni molari, Kᴸ le pressioni parziali dei gas. Sono legate dalla relazione Kᴸ = Kᴼ(RT)^Δn, dove Δn è la variazione del numero di moli gassose. Quando Δn = 0 le due costanti coincidono. Per le reazioni in soluzione si usa Kᴼ.

Perché solidi e liquidi puri non compaiono nella costante?

Perché la loro attività è costante e per convenzione vale 1: aggiungere o togliere solido puro non cambia la sua «concentrazione» effettiva. Per questo in un equilibrio come la decomposizione del carbonato di calcio la costante dipende solo dal gas prodotto, e la quantità di solido presente è irrilevante (purché ce ne sia).

Un valore grande di K significa reazione veloce?

No. K è una grandezza termodinamica: dice quanto la reazione è spostata verso i prodotti all’equilibrio, non quanto tempo impiega ad arrivarci. Una reazione può avere K enorme ed essere lentissima (la combustione del diamante è un esempio). La velocità è descritta dalla cinetica, non dalla costante di equilibrio.

K cambia se cambio le concentrazioni iniziali?

No. Per una data reazione a una data temperatura, K è sempre lo stesso, da qualunque concentrazione iniziale si parta. Cambiando le concentrazioni cambia la posizione di partenza, ma il sistema evolve sempre verso lo stesso valore di K. Solo la temperatura modifica il valore della costante.