Reazioni ed Equazioni Chimiche. Coefficienti stechiometrici :

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1 Reazioni ed Equazioni Chimiche Reazione chimica Trasformazione di una o più sostanze (REAGENTI) in una o più sostanze (PRODOTTI) Equazioni chimiche Traduzione scritta delle reazioni chimiche Per scrivere un equazione chimica è necessario conoscere le formule chimiche di tutti i reagenti e di tutti i prodotti di reazione. a A + b B l L + m M Le sostanze A e B sono i reagenti Le sostanze L e M sono i prodotti Il simbolo indica che i reagenti si trasformano completamente nei prodotti. Se la reazione è incompleta si usa una doppia freccia. ( ) I numeri a, b, l, m che precedono le formule sono i coefficienti stechiometrici Coefficienti stechiometrici : sono numeri generalmente interi (solo in qualche caso sono frazionari) che indicano il numero di atomi, molecole, ioni, ecc. di reagenti e di prodotti che partecipano alla reazione rappresentano il numero di moli dei reagenti e dei prodotti 1

2 Le reazioni chimiche possono essere divise in due classi: a) reazioni che avvengono senza trasferimento di elettroni (reazioni di scambio, reazioni di neutralizzazione, reazioni di dissociazione) Es: Ba 2+ (aq) + 2 Cl (aq) + 2 Ag + (aq) + 2 NO 3 (aq) 2 AgCl (s) + Ba 2+ (aq) + 2 NO 3 (aq) Considerando che il solido AgCl è un solido ionico, formato da ioni Ag + e Cl, si può osservare che durante la reazione nessuno degli ioni cambia la propria struttura elettronica. b) reazioni che avvengono con trasferimento di elettroni (reazioni di ossido-riduzione o redox) Es: Cu 2+ (aq) + SO 4 2 (aq) + Zn (s) Cu (s) + Zn 2+ (aq) + SO 4 2 (aq) Si può osservare che alcune specie cambiano la propria struttura elettronica: l atomo di Zn da neutro si trasforma in ione Zn 2+ ; lo ione Cu 2+ si trasforma in atomo neutro Cu. Tali trasformazioni comportano necessariamente uno scambio di elettroni: Zn Zn e Cu e Cu NOTA: E possibile scrivere, in basso a destra, lo stato fisico in cui si trovano i reagenti ed i prodotti: (g) indica che la sostanza è gassosa (l) indica che la sostanza è liquida (s) indica che la sostanza è solida 2 (aq) indica una soluzione acquosa della sostanza

3 BILANCIAMENTO DI UNA REAZIONE CHIMICA L equazione chimica ha un significato quantitativo solo quando è bilanciata, cioè quando vengono posti davanti ai reagenti ed ai prodotti gli opportuni coefficienti stechiometrici. PER REAZIONI CHE AVVENGONO SENZA TRASFERIMENTO DI ELETTRONI, i coefficienti stechiometrici devono soddisfare i seguenti principi: principio di conservazione della massa principio di conservazione della carica (per le equazioni chimiche scritte in forma ionica) Principio di conservazione della massa: il numero totale degli atomi di tutti gli elementi presenti nei prodotti di reazione deve essere uguale al numero totale degli atomi di tutti gli elementi presenti nei reagenti. Principio di conservazione della carica: la somma algebrica delle cariche degli ioni presenti nei reagenti deve essere uguale alla somma algebrica delle cariche degli ioni presenti nei prodotti. 3

4 REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE Una reazione in cui avvengono scambi di elettroni può essere formalmente scomposta in due semireazioni distinte, una di ossidazione e l altra di riduzione. Viene definita ossidazione una semireazione in cui una specie chimica perde elettroni e riduzione una semireazione in cui una specie chimica acquista elettroni. Nella reazione: Cu 2+ (aq) + SO 2 4 (aq) + Zn (s) Cu (s) + Zn 2+ (aq) + SO 2 4 (aq) sono individuali le due semi-reazioni: Zn Zn e semi-reazione di ossidazione Cu e Cu semi-reazione di riduzione Un ossidazione può avvenire solo se contemporaneamente avviene una riduzione. Viene chiamata ossidante la specie che acquista elettroni (cioè quella che si riduce) e riducente quella che perde elettroni (cioè quella che si ossida). 4

5 BILANCIAMENTO DI UNA OSSIDO-RIDUZIONE PER REAZIONI CHE AVVENGONO CON TRASFERIMENTO DI ELETTRONI, i coefficienti stechiometrici devono soddisfare: BILANCIAMENTO ELETTRONICO principio di conservazione della massa principio di conservazione della carica (per le equazioni chimiche scritte in forma ionica) BILANCIAMENTO ELETTRONICO: in una reazione di ossido-riduzione il numero di elettroni ceduti dalla specie riducente deve essere uguale al numero di elettroni acquistati dalla specie ossidante Il bilanciamento elettronico costituisce la prima operazione da eseguire per il bilanciamento di una ossidoriduzione; solo successivamente vengono applicati i principi di conservazione della massa e della carica, come nel caso di reazioni che avvengono senza trasferimento di elettroni. Il bilanciamento elettronico viene effettuato attraverso: la determinazione dei numeri di ossidazione di tutte le specie che partecipano alla reazione; la individuazione delle specie che cambiano il proprio numero di ossidazione (specie ossidante e riducente); il riconoscimento delle due semi-reazioni di ossidazione e di riduzione e la valutazione degli elettroni in gioco durante questi due processi; la scelta degli opportuni coefficienti stechiometrici che permettano di eguagliare il numero degli elettroni coinvolti nelle due semireazioni. 5

6 REGOLE PER IL CALCOLO DEL NUMERO DI OSSIDAZIONE 1. Il numero di ossidazione (n.o.) di un atomo di qualsiasi specie chimica allo stato elementare è zero. Es: Na, Fe, C, H 2, Cl 2, P 4, S 8 n.o.=0 2. Il n.o. di qualsiasi ione monoatomico è uguale alla carica dello ione: Es: Na + n.o.=+1; Ba 2+ n.o.=+2; Fe 3+ n.o.=+3; Br - n.o.= -1; S 2 - n.o.= Il n.o. dell idrogeno nei suoi composti è sempre +1, eccetto che negli idruri con metalli in cui è -1. Es: n.o. H =+1 in HCl, H 2 O, HNO 3, NH 3, NH 4 + n.o. H = -1 in NaH, CaH 2, B 2 H 6 4. Il n.o. dell ossigeno nei suoi composti è generalmente 2, eccetto che nei perossidi in cui è 1 e nel composto con il fluoro in cui è +2. Es: n.o. O = -2 in H 2 O, BaO, H 2 SO 4, Cl 2 O 5 n.o. O = -1 in H 2 O 2, Na 2 O 2 n.o. O = +2 in OF 2 6

7 REGOLE PER IL CALCOLO DEL NUMERO DI OSSIDAZIONE 5. La somma algebrica dei n.o. di tutti gli atomi in un composto neutro deve essere zero. 6. La somma algebrica dei n.o. di tutti gli atomi presenti in uno ione poliatomico (es. NH + 4, SO 2-4, PO4 3- ) deve essere uguale alla carica dello ione. 7. Gli elementi dei gruppi I, II, III del sistema periodico nei loro composti hanno n.o. sempre positivo che si identifica con il numero del gruppo di appartenenza. Es: gruppo I n.o.=+1; gruppo II n.o.=+2; gruppo III n.o.=+3 8. Il n.o. massimo di un atomo di un elemento non può essere superiore al numero del gruppo di appartenenza Es: gruppo IV n.o.max =+ 4; gruppo V n.o. max = +5; gruppo VI n.o. max = +6; gruppo VII n.o. max = +7 7

8 BILANCIAMENTO ELETTRONICO: vengono determinati i numeri di ossidazione:!!!"!!!!!#!"!!"!!"! As e Cl variano il proprio numero di ossidazione vengono individuate le due semireazioni ed il numero di elettroni in gioco:!! #!! #!! vengono individuati i due numeri per cui moltiplicare le due semireazioni in modo che gli elettroni coinvolti siano in numero uguale. Questi due numeri diventano i coefficienti stechiometrici per i corrispondenti reagenti!! #!! # #!$!$# si procede al bilanciamento di massa: # % # 8

9 & ' (( ) * BILANCIAMENTO ELETTRONICO: +,, %!"!!!! + %,, $-%!$!$% NOTA: Ogni atomo di Cr acquista 3 e - ; dal momento che nello ione + gli atomi di Cr sono 2.&e - totali in gioco nella semi-reazione di riduzione sono 6. si procede al bilanciamento di massa per le specie diverse da ossigeno ed idrogeno: + %, %, si procede al bilanciamento di carica: i reagenti hanno in totale 10 cariche positive, i prodotti 24 cariche positive. Dal momento che la reazione avviene in ambiente acido, il bilanciamento di carica viene effettuato con gli ioni H + : si aggiungono 14 ioni H + ai reagenti: + %, %, si procede al bilanciamento di massa per H e O, aggiungendo, se necessario, molecole di H 2 O: + %, %, + 7 H 2 O 9

10 & ' (( ) * / / BILANCIAMENTO ELETTRONICO:!"!!!#!!! / / $-!$!$ NOTA: Ogni atomo di Bi perde 2 e - ; dal momento che in Bi 2 O 3 gli atomi di Bi sono 2.&e - totali in gioco nella semi-reazione di ossidazione sono 4. si procede al bilanciamento di massa per le specie diverse da ossigeno ed idrogeno: / / si procede al bilanciamento di carica: i reagenti hanno in totale 2 cariche negative, i prodotti 4 cariche negative. Dal momento che la reazione avviene in ambiente basico, il bilanciamento di carica viene effettuato con gli ioni OH - : si aggiungono 2 ioni OH - ai reagenti: / / si procede al bilanciamento di massa per H e O, aggiungendo, se necessario, molecole di H 2 O: / / 10

11 & ' (( ) * Questa è una reazione di disproporzione o dismutazione: una specie chimica si comporta contemporaneamente da ossidante e da riducente. BILANCIAMENTO ELETTRONICO:!!!#!!!!! # #!$! $# NOTA: in questo caso, i due numeri, per i quali vanno moltiplicate le due semi-reazioni in modo che il numero di elettroni in esse coinvolto sia uguale, diventano i coefficienti stechiometrici dei corrispondenti prodotti. si procede al bilanciamento di massa per le specie diverse da ossigeno ed idrogeno: si procede al bilanciamento di carica: # si procede al bilanciamento di massa per H e O: % # % # 11

12 ) Nota la quantità di un reagente determinare la quantità necessaria di un altro reagente Es: Calcolare quanti g di HCl reagiscono con 60 g di Ca(OH) 2, secondo la reazione: Ca(OH) HCl CaCl H 2 O Dalla reazione bilanciata si osserva che 1 mole di Ca(OH) 2 reagisce con 2 moli di HCl. E necessario calcolare il numero di moli a cui corrispondono 60 g di Ca(OH) 2 : n = m Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 /M Ca(OH) = 60 (g) / 74,09 (g/mol) = 0,81 mol 2 Vale la relazione: 1 mole Ca(OH) 2 : 2 moli HCl = 0,81 moli Ca(OH) 2 : x moli HCl da cui: n HCl = 0,81 2 = 1,62 mol m HCl = n HCl 6 M HCl = 1,62 (mol) 6 36,461 (g/mol) = 59,1 g 2) Nota la quantità di prodotto determinare la quantità di reagente necessaria per ottenerla Es: Per decomposizione termica il KClO 3 produce ossigeno secondo la reazione: 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 Calcolare la quantità di KClO 3 necessaria per ottenere 70,0 g di O 2. n = m O 2 O 2 /M O = 70 (g) / 31,999 (g/mol) = 2,19 mol 2 2 moli KClO 3 : 3 moli O 2 = x moli KClO 3 : 2,19 moli O 2 da cui: n KClO3 = (2,19 6 2)/3 = 1,46 mol m KClO 3 = n KClO3 6 M KClO3 = 1,46 (mol) 6 122,55 (g/mol) = 179 g 12

13 3) Note le quantità dei reagenti determinare la quantità di prodotto ottenibile Es: Calcolare quanti g di Al 2 (SO 4 ) 3 si ottengono da 300 g di Al(OH) 3 e 800 g di H 2 SO 4, secondo la reazione: 2 Al(OH) H 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) H 2 O n = m Al(OH) 3 Al(OH) 3 /M Al(OH) = 300 (g) / 78,003 (g/mol) = 3,85 mol 3 n = m H 2SO4 H2SO4 /M = 800 (g) / 98,07 (g/mol) = 8,16 mol H2SO4 Si procede al calcolo del reagente in eccesso e del reagente in difetto. Consideriamo un reagente, per esempio Al(OH) 3, e calcoliamo le moli teoriche di H 2 SO 4 che reagirebbero con 3.85 moli di Al(OH) 3. 2 moli Al(OH) 3 : 3 moli H 2 SO 4 = 3,85 moli Al(OH) 3 : x moli H 2 SO 4 da cui: moli teoriche di H 2 SO 4 = n* H = (3,85 6 3)/2 = 5,77 mol 2SO4 Occorrono, quindi, 5,77 moli di H 2 SO 4 : dal momento che ne abbiamo 8,16, H 2 SO 4 è il reagente IN ECCESSO. Al(OH) 3 è il reagente in DIFETTO. Bisogna impostare i calcoli utilizzando il reagente in difetto. 2 moli Al(OH) 3 : 1 mole Al 2 (SO 4 ) 3 = 3,85 moli Al(OH) 3 : x moli Al 2 (SO 4 ) 3 n Al = 3,85 /2 = 1,93 mol 2(SO4)3 m = n 6 M Al = 1,93 (mol) 6 342,14 (g/mol) = 660 g 2(SO4)3 Al2(SO4)3 Al2(SO4)3 13

14 4) Calcolo della resa o del rendimento di una reazione chimica Data la generica reazione chimica: a A + b B l L + m M si definisce rendimento della reazione chimica in termini di prodotto L rispetto al reagente A l espressione: n L = numero di moli di L che si sono formate L/A n n L = L n* L = numero di moli di L che si formerebbero se tutto il reagente A si trasformasse completamente. 100 Es: Calcolare il rendimento della reazione: CaCO 3 CaO + CO 2 sapendo che riscaldando 300 g di CaCO 3 si sono ottenuti 135 g di CaO. n = m CaCO 3 CaCO3 /M = 300 (g) / 100 (g/mol) = 3,00 mol CaCO3 n CaO = m CaO /M CaO = 135 (g) / 56,0 (g/mol) = 2,41 mol n* CaO = n CaCO = 3,00 mol 3 CaO/CaCO 3 n n CaO 2,41 = 100 = 3,00 CaO 100 = 80,3 % 14