Reazioni chimiche

Cos'è una reazione chimica

Una reazione chimica è la trasformazione di una o più sostanze reagenti in altre sostanze dette prodotti. E' rappresentata da un'equazione chimica.

Secondo la legge di conservazione della massa, la qualità e la quantità degli atomi nei prodotti è uguale ai reagenti.

Tuttavia, i legami chimici nelle sostanze prodotte sono diversi rispetto a quelli nelle sostanze reagenti.

Nota. La reazione chimica comporta il cambiamento dei legami chimici tra gli atomi. La rottura dei vecchi legami e la formazione di nuovi legami.

Nel caso in cui nella reazione ci siano degli ioni, la carica elettrica dei reagenti è mantenuta anche nei prodotti.

Come rappresentare una reazione chimica

Una reazione chimica si rappresenta tramite un'equazione chimica. Le sostanze reagenti (a sinistra) sono separate tramite una freccia → dai prodotti (a destra). $$ reagenti \: \rightarrow \: prodotti $$

Esempio 1

Una molecola di ossigeno e due molecole di idrogeno reagiscono formando due molecole d'acqua.

$$ O_2 + 2H_2 \rightarrow 2H_2O $$

Esempio 2

Una molecola di azoto e tre molecole di idrogeno reagiscono formando due molecole di ammoniaca.

$$ N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3 $$

Nota. Sia nei reagenti che nel prodotto ci sono 2 atomi N e 6 atomi H.

Poiché le reazioni chimiche dipendono anche dallo stato fisico della materia, spesso è specificato tra parentesi lo stato fisico (l=liquido, s=solido, g=gassoso).

Lo stato fisico si indica in pedice a destra della formula.

Esempio

Lo stato fisico di una molecola d'acqua si indica in questo modo

$$ H_2O_{(s)} \: = \: acqua \: allo \: stato \: solido $$

$$ H_2O_{(l)} \: = \: acqua \: allo \: stato \: liquido $$

$$ H_2O_{(g)} \: = \: acqua \: allo \: stato \: aeriforme $$

Oltre allo stato fisico si indica anche se la materia è in presenza di acqua.

Il simbolo (aq) in pedice alla formula indica che si trova in una soluzione acquosa.

Esempio

Il cloruro di idrogeno allo stato acquoso si indica in questo modo

$$ HCl_{(aq)} $$

Nota. Pur non essendo uno stato fisico, la presenza di acqua è di fondamentale importanza in alcune reazioni chimiche.

Il bilanciamento dell'equazione chimica

L'equazione chimica è bilanciata se nel prodotto ogni elemento chimico conserva lo stesso numero di atomi che aveva nelle sostanze reagenti, nel rispetto della legge di conservazione della massa.

Il bilanciamento consiste nell'inserire dei coefficienti, detti coefficienti stechiometrici, prima delle formule per fare in modo che l'equazione chimica rispetti la legge di conservazione della massa.

$$ c_1 A + c_2 B \rightarrow c_3 C + c_4 D $$

I coefficienti stechiometrici (es. c1, c2, c3, c4) sono numeri interi che indicano il numero delle molecole, degli atomi o degli ioni sia nei reagenti che nei prodotti.

Pertanto, indicano i rapporti di reazione tra prodotti e reagenti.

Come bilanciare un'equazione chimica

Se l'equazione è molto semplice, posso bilanciare l'equazione per tentativi.

Se invece è complessa, conviene usare un metodo di bilanciamento sistemico oppure il metodo delle semireazioni basati sulla variazione dei numeri di ossidazione dei reagenti e dei prodotti.

Un esempio pratico

Questa reazione non è bilanciata perché nei reagenti ci sono due atomi di azoto (N) e due di idrogeno (H) mentre nel prodotto c'è un solo atomo di azoto e tre di idrogeno.

$$ N_2 + H_2 \rightarrow NH_3 $$

Per bilanciare l'equazione devo trovare una combinazione di coefficienti stechiometrici tale da eguagliare il numero degli atomi di idrogeno e azoto sia nei reagenti che nel prodotto

$$ c_1 N_2 + c_2 H_2 \rightarrow c_3 NH_3 $$

Andando per tentativi ed errori trovo una soluzione valida c1=1, c2=3, c3=2.

$$ N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3 $$

Quest'ultima equazione chimica è bilanciata perché ci sono 2 atomi di azoto e 6 atomi di idrogeno sia nei reagenti che nel prodotto.

Tipi di reazioni chimiche

Le reazioni chimiche sono divise in due categorie

  • Reazioni chimiche senza trasferimento di elettroni
    In queste reazioni non si verifica uno spostamento di elettroni. Si verifica una lieve o nessuna modifica della struttura elettronica dei componenti della reazione.

    Nota. A questa categoria appartengono le relazioni acido-base, le relazioni di doppio scambio, le relazioni di precipitazione.

  • Reazioni chimiche con trasferimento di elettroni (Redox)
    In queste reazioni si verifica uno spostamento di elettroni. Si verifica una profonda modifica alla struttura elettronica dei componenti della reazione. Pertanto, il numero di ossidazione degli elementi e dei gruppi cambia. Sono anche dette reazioni Redox o reazioni di ossidoriduzione.

Le reazioni esotermiche e endotermiche

Le reazioni chimiche causano anche scambi di energia (calore) e sono dette

  • Esotermiche
    Se la reazione chimica emette calore.
  • Endotermiche
    Se la reazione chimica assorbe calore.

Le reazioni reversibili e irreversibili

Le reazioni chimiche si distinguono anche in reversibili e irreversibili

  • Reazioni irreversibili
    Una reazione chimica irreversibile si svolge fino all'esaurimento di almeno uno dei reagenti. Si svolge in un solo verso da sinistra verso destra. $$ A+B \rightarrow C+D $$

    Nota. Le reazioni irreversibili sono anche dette reazioni complete (o spostate a destra) quando le specie reagenti sono trasformate completamente in prodotti.

  • Reazioni reversibili
    Una reazione chimica reversibile si svolge in entrambi i versi, da sinistra verso destra (reagenti->prodotti) e da destra verso sinistra (prodotti->reagenti). $$ A+B \leftrightharpoons C+D $$

    Nota. Può raggiungere un equilibrio chimico dinamico quando la velocità di reazione è uguale in entrambi sensi. Queste reazioni sono anche dette reazioni incomplete perché i reagenti non si trasformano completamente in prodotti.

La reazione in forma molecolare e forma ionica

Una reazione può essere scritta in forma molecolare oppure in forma ionica.

Esempio (forma molecolare)

Questa reazione è scritta in forma molecolare.

$$ Ba Cl_{2(aq)} + Na_2 SO_{4(aq)} \rightarrow BaSo_{4(s)} + 2 NaCl_{(aq)} $$

I termini sono le molecole.

Nota. Si tratta di una reazione di precipitazione perché la specie BaSO4 precipita verso il basso.

Esempio (forma ionica o dissociata)

In presenza di acqua i sali si dissociano in ioni positivi e negativi.

Quindi, la reazione chimica dell'esempio precedente posso riscriverla anche in forma ionica.

$$ BaSo_{4(s)} + 2 NaCl_{(aq)} \rightarrow Ba^{2+}_{(aq)} + 2Cl^-_{(aq)} + 2Na^+_{(aq)} + SO^{2-}_{4(aq)} $$

I termini sono i singoli ioni dissociati dei sali.

Ione bario e ione solfato reagiscono tra di loro formando un sale BaSO4(s)

$$ Ba^{2+}_{(aq)} + 2Cl^-_{(aq)} + 2Na^+_{(aq)} + SO^{2-}_{4(aq)} \rightarrow BaSO_{4(s)} + 2Cl^-_{(aq)} + 2Na^+_{(aq)} $$

Lo ione cloro e lo ione sodio restano inalterati.

Eliminando i termini uguali tra i reagenti e i prodotti ottengo la reazione

$$ Ba^{2+}_{(aq)} + SO^{2-}_{4(aq)} \rightarrow BaSO_{4(s)} $$

Nota. La forma ionica è usata quando la reazione è in soluzione acquosa (aq) perché avviene la dissociazione degli elettroliti in ioni.

E così via.


 
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