Alcune azioni chimiche procedono irreversibilmente in una direzione. Un esempio è la combustione del gas idrogeno (H) in ossigeno (O) per produrre acqua, come mostrato nella formula 2 H2 + O2 => 2 H2O. La reazione opposta, 2 H2O => 2 H2 + O2 non avviene in queste condizioni, non importa quanto tempo passa. Esistono reazioni reversibili, come scoprì il chimico Claude-Louis Berthollet nel 1803. Le reazioni reversibili procedono in una direzione fino a quando le reazioni inverse diventano quelle favorite, determinando l’equilibrio e rendendo possibile il calcolo delle costanti di equilibrio.
Tali costanti di equilibrio sono state derivate da relazioni matematiche rivelate nel tempo grazie agli sforzi di molti scienziati. Queste relazioni utilizzano i rapporti delle concentrazioni delle specie disciolte nel sistema di reazione. Un semplice esempio è la ionizzazione dell’acido acetico. Un altro è la rottura reversibile del gas tetrossido di diazoto. In questi, come in tutti gli esempi, le costanti di equilibrio dipendono dalle condizioni del sistema come la temperatura.
L’acido acetico si dissocia in uno ione idrogeno positivo più uno ione acetato negativo. Ciò che rende la reazione reversibile è che questi ioni possono e si ricombinano in molecole di acido. Altre molecole di acido acetico si dissociano quindi per sostituire quelle che si sono ricombinate. Il risultato è l’equilibrio, che porta a un’espressione matematica. Le concentrazioni di ioni e acidi si riferiscono alla costante di equilibrio mediante l’espressione K = [H+][Ac-]/[HAc]. Logicamente, la costante di equilibrio per la reazione inversa è l’inverso di questo K, perché la concentrazione di acido diventa il numeratore e le concentrazioni di ioni diventano il denominatore.
Per il tetrossido di diazoto, che contiene azoto (N) e ossigeno, la reazione chimica si scrive N2O4 ⇆ 2 NO2. Qualsiasi variazione della proporzione di queste due specie in un sistema chiuso dipende dalla variazione della pressione del sistema; per ogni molecola di tetrossido che si decompone si formano due molecole di biossido di azoto, aumentando la pressione. Ciò richiede energia e, oltre un certo punto, sfavorevole la scissione. L’equazione è K = [NO2][NO2]/[N2O4]. Come per l’acido acetico, la costante di equilibrio per la reazione inversa, come per tutte le costanti di equilibrio per tutte le reazioni inverse, è l’inverso di questo K.
Le reazioni irreversibili obbediscono alle stesse relazioni matematiche delle reazioni reversibili. In tali casi, tuttavia, il denominatore diventa 0 o infinito, se si esamina la reazione diretta o la reazione inversa. Ciò suggerisce una costante di equilibrio avente un valore opposto, di infinito o di 0. Tali informazioni sono inutili. Interessante anche la possibilità di portare a compimento una reazione, rendendola irreversibile rimuovendo uno dei prodotti dal sistema, ad esempio attraverso una membrana semipermeabile che trattiene i reagenti.