Reazioni chimiche

Una reazione chimica consiste nella trasformazione di un insieme di specie chimiche (REAGENTI) in un diverso insieme di altre specie (PRODOTTI). Una reazione chimica si rappresenta in forma simbolica: REAGENTI → PRODOTTI

H-H + H-H + O=O → H-O-H + H-O-H La trasformazione dei reagenti nei prodotti comporta la trasformazione di alcuni legami primari (intramolecolari): i legami presenti nei reagenti vengono sostituiti dai legami presenti nei prodotti. Ad esempio: H-H + H-H + O=O → H-O-H + H-O-H O, più brevemente: 2 H2 + O2 → 2 H2O

La simbologia appena presentata fornisce le seguenti informazioni: - quali sono le specie presenti nella reazione - in quale proporzione numerica ciascuna specie partecipa alla reazione Nella reazione dell’esempio: due molecole di idrogeno (H2) reagiscono con una molecola di ossigeno (O2), formando due molecole di acqua (H2O).

I numeri che indicano le proporzioni numeriche relative fra le varie specie che partecipano alla reazione si chiamano coefficienti stechiometrici: 2 H2 + O2 → 2 H2O In questo caso l’ossigeno molecolare ha coefficiente stechiometrico uguale a 1: esso viene sottointeso.

(ricordate la legge di Lavoisier?) I coefficienti stechiometrici sono indispensabili al fine di rispettare la legge della conservazione: - delle masse - delle cariche elettriche TUTTE LE MASSE E TUTTE LE CARICHE PRESENTI NEI REAGENTI SONO SEMPRE PRESENTI ANCHE NEI PRODOTTI (ricordate la legge di Lavoisier?)

Se una reazione non è bilanciata è necessario bilanciarla. Nella rappresentazione simbolica di una reazione chimica ogni specie quindi compare con un determinato e preciso coefficiente stechiometrico, tale da assicurare la proporzione corretta fra tutte le specie partecipanti alla reazione. Quando una reazione chimica viene rappresentata con i coefficienti stechiometrici corretti si dice bilanciata. Se una reazione non è bilanciata è necessario bilanciarla.

L’operazione di bilanciamento di una reazione può non essere subito evidente. In particolare il bilanciamento risulta piuttosto laborioso per un tipo di reazioni chiamate di ossido-riduzione (reazioni “redox”). Le reazioni redox si riconoscono perché il numero di ossidazione di due o più specie coinvolte si modifica nel corso della reazione. Di queste reazioni ci occuperemo più avanti.

Non esiste una vera e propria procedura per bilanciare correttamente e rapidamente una reazione chimica. È necessario acquisire familiarità con questo tipo di operazione attraverso l’esercizio. Le regole a pagina 5 del libro possono essere indicative del procedimento da seguire per ottenere il bilanciamento di una reazione non redox.

La prima cosa da imparare è la distinzione fra coefficienti stechiometrici e indici di formula: 2 H2 + O2 → 2 H2O Attenzione a non confondere questi due tipi di numeri! REGOLA FONDAMENTALE: NEL BILANCIAMENTO SI POSSONO MODIFICARE I COEFFICIENTI STECHIOMETRICI MA NON GLI INDICI DI FORMULA, INFATTI MODIFICARE UN INDICE DI FORMULA SIGNIFICA AVERE UNA SPECIE CHIMICA DIVERSA. \

Consideriamo ad esempio la reazione seguente: +3 -2 +1 +1 -1 +3 -1 +1 -2 Al(OH)3 + HCl → AlCl3 + H2O Si verifica subito che il numero di ossidazione rimane costante per tutti gli elementi di questa reazione (non si tratta di una reazione redox).

1) Seguendo l’indicazione del libro contiamo gli atomi di alluminio (metallo): Al(OH)3 + HCl → AlCl3 + H2O È presente un solo atomo di alluminio sia nei reagenti sia nei prodotti: lasciamo invariato il numero di molecole nelle quali compare l’alluminio.

Il cloro (non-metallo) è presente con un numero di atomi diverso dalle due parti: un atomo di cloro nei reagenti, tre atomi di cloro nei prodotti. Al(OH)3 + 3 HCl → AlCl3 + H2O È necessario modificare il numero di molecole di HCl per avere tre atomi di cloro anche nei reagenti: poniamo un coefficiente uguale a 3.

A questo punto contiamo gli atomi di idrogeno: sono 6 (3 +3) nei reagenti, due nei prodotti. Al(OH)3 + 3 HCl → AlCl3 + 3 H2O Aggiungiamo il coefficiente 3 davanti alla formula dell’acqua per avere 6 atomi di idrogeno anche nei prodotti.

Arrivati a questo punto la reazione dovrebbe essere bilanciata: il conteggio degli atomi di ossigeno ci dovrebbe confermare questo risultato. Al(OH)3 + 3 HCl → AlCl3 + 3 H2O Abbiamo tre atomi di ossigeno nei reagenti e tre atomi di ossigeno nei prodotti: il bilanciamento è corretto.

La rappresentazione simbolica della reazione chimica bilanciata può essere arricchita con l’aggiunta di altre indicazioni, come lo stato (o fase) di ciascuna specie: - ad esempio, il pedice X(aq) indica la solvatazione della specie X da parte dell’acqua. - una freccia verso l’alto (X↑) indica che il prodotto volatile si allontana in fase gassosa - una freccia verso il basso (X↓) indica una separazione del prodotto insolubile dalla soluzione (precipitazione) - un pedice X(s, l, g) indica lo stato fisico della specie X (solido, liquido, gassoso)

Oltre a questi simboli, una equazione chimica può comprendere altri aspetti, come l’indicazione di quantità di energia coinvolte, passaggio di elettroni, ecc.: ad esempio: A + E → B significa che la reazione assorbe energia (la quantità “E” è presente nei reagenti): reazione endoergonica A → B + E In questo caso l’energia viene liberata (reazione esoergonica)

Se un elettrone viene acquistato la specie si trasforma in uno ione negativo: A + e- → A- Se un elettrone viene perduto la specie si tasforma in uno ione positivo: A → A+ + e- (notare la conservazione delle cariche elettriche fra reagenti e prodotti)

Nonostante questa abbondanza di simboli, un’equazione chimica rappresenta soltanto in parte ciò che accade realmente in un sistema chimico. Molto spesso essa rappresenta solo una base di partenza per uno studio più approfondito, che può riguardare in particolare i seguenti aspetti: - la quantità di energia; ogni reazione chimica comporta una variazione dell’energia contenuta nel sistema (→ termodinamica chimica) - la velocità della reazione (→ cinetica chimica) - il grado di trasformazione dei reagenti nei prodotti (→ equilibrio chimico)

Vediamo quali sono i principali tipi di reazioni chimiche, seguendo la classificazione del libro (pagg. 6 e seg.):

SINTESI: due elementi si combinano per formare un composto binario A + B → AB ANALISI: un composto binario si suddivide in due elementi (si può considerare come la reazione inversa alla sintesi) AB → A + B

COMBINAZIONE: due composti si combinano per formare un composto ternario DECOMPOSIZIONE: un composto ternario si decompone in due composti binari

SPOSTAMENTO (SCAMBIO SEMPLICE): un elemento (metallo) sposta un elemento meno reattivo in un composto A + BC → AC + B DOPPIO SCAMBIO: due composti si scambiano i loro costituenti AB + CD → AD + CB

NEUTRALIZZAZIONE (ACIDO-BASE) È un tipo particolare di reazione di doppio scambio: un acido reagisce con una base per formare un sale e acqua.

La figura che segue riporta uno schema di base che comprende una serie di reazioni, dalla sintesi dei composti alla neutralizzazione acido-base. Questo schema può essere applicato a qualunque coppia metallo/non-metallo.