Principio di Le Chatelier: come spostare un equilibrio

Se «disturbi» un sistema all’equilibrio — aggiungendo un reagente, comprimendo un gas, scaldando — il sistema reagisce spostandosi per ridurre il disturbo. È il principio di Le Chatelier, uno degli strumenti più pratici della chimica: permette di prevedere, senza calcoli, in che direzione si muoverà una reazione e come aumentare la resa di un processo industriale.

Vediamo l’enunciato del principio e poi, uno per uno, l’effetto della concentrazione, della pressione, della temperatura e del catalizzatore.

L’enunciato del principio

Il principio di Le Chatelier afferma che, se un sistema all’equilibrio viene perturbato, esso si sposta nel verso che attenua parzialmente la perturbazione, raggiungendo un nuovo stato di equilibrio. È una sorta di «resistenza al cambiamento»: il sistema non annulla il disturbo, ma lo contrasta in parte.

perturbazione → l’equilibrio si sposta nel verso che la attenua

Effetto della concentrazione

Se si aggiunge un reagente, l’equilibrio si sposta verso i prodotti per consumarne l’eccesso; se si aggiunge un prodotto, si sposta verso i reagenti. Togliere una specie produce l’effetto opposto: rimuovere via via un prodotto «tira» la reazione in avanti. È il trucco usato in moltissimi processi: sottrarre di continuo il prodotto (per esempio facendolo precipitare o distillare) per spingere la reazione verso la massima conversione. Importante: variare le concentrazioni sposta la posizione dell’equilibrio, ma non cambia il valore di K.

Effetto della pressione e del volume

Per gli equilibri in fase gassosa, aumentare la pressione (comprimendo il volume) sposta l’equilibrio verso il lato con meno moli di gas, perché così il sistema riduce il numero di particelle e quindi la pressione. Diminuire la pressione fa l’opposto. Se i due lati hanno lo stesso numero di moli gassose, la pressione non ha effetto. Attenzione: aggiungere un gas inerte a volume costante non sposta nulla, perché non cambia le pressioni parziali dei reagenti.

Effetto della temperatura

La temperatura è il caso speciale, perché è l’unico fattore che cambia il valore di K. Conviene trattare il calore come un «reagente» o un «prodotto»: in una reazione esotermica il calore è tra i prodotti, quindi aumentare la temperatura spinge l’equilibrio verso i reagenti (e abbassa K); in una reazione endotermica il calore è tra i reagenti, quindi scaldare favorisce i prodotti (e alza K). È il motivo per cui molte sintesi industriali cercano un compromesso di temperatura: alta abbastanza da andare veloci, bassa abbastanza da non penalizzare la resa.

Il catalizzatore non sposta l’equilibrio

Un errore frequente è pensare che un catalizzatore aumenti la resa. Non è così: il catalizzatore accelera in egual misura il verso diretto e quello inverso, quindi fa raggiungere l’equilibrio più in fretta, ma la posizione finale — e quindi la resa — resta identica. Per spostare un equilibrio servono concentrazione, pressione o temperatura, non la cinetica. Il catalizzatore fa arrivare prima allo stesso punto.

Riepilogo: perturbazione, spostamento, effetto su K

Questa tabella riassume come ogni tipo di perturbazione agisce sull’equilibrio e se ne modifica o no la costante:

La colonna a destra ricorda la distinzione fondamentale: solo la temperatura cambia il valore di K, mentre tutti gli altri fattori spostano soltanto la posizione dell’equilibrio lasciando la costante invariata.

Domande frequenti

Che cos’è il principio di Le Chatelier?

È la regola secondo cui un sistema chimico all’equilibrio, se perturbato, si sposta nel verso che attenua parzialmente la perturbazione. Permette di prevedere qualitativamente in che direzione si muove una reazione quando si cambiano concentrazione, pressione o temperatura, senza bisogno di calcoli.

Come si sposta l’equilibrio se aggiungo un reagente?

Verso i prodotti: il sistema consuma parte del reagente aggiunto formando più prodotti, fino a un nuovo equilibrio. Aggiungere un prodotto produce l’effetto opposto. Rimuovere di continuo un prodotto è un modo efficace per spingere una reazione verso la massima conversione.

Perché la pressione sposta gli equilibri gassosi?

Perché aumentando la pressione il sistema reagisce riducendo il numero di particelle di gas: l’equilibrio si sposta verso il lato con meno moli gassose. Se i due lati hanno lo stesso numero di moli di gas, la pressione non ha effetto. Un gas inerte aggiunto a volume costante non cambia nulla.

Perché la temperatura è diversa dagli altri fattori?

Perché è l’unico che modifica il valore della costante di equilibrio K, non solo la posizione. Concentrazione e pressione spostano l’equilibrio ma lasciano K invariato; la temperatura, invece, cambia K stesso: lo abbassa per le reazioni esotermiche e lo alza per quelle endotermiche.

Un catalizzatore aumenta la resa di una reazione all’equilibrio?

No. Il catalizzatore accelera ugualmente la reazione diretta e quella inversa, quindi fa raggiungere l’equilibrio più rapidamente ma non ne cambia la posizione: la resa finale è la stessa. Per aumentare la resa bisogna agire su concentrazione, pressione o temperatura.