Le reazioni. Sommario. Equazioni chimiche 13/03/2019

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1 Le reazioni Sommario Scrittura delle equazioni chimiche Bilanciamento delle reazioni Stechiometria delle reazioni Reagente limitante e reagenti in eccesso Resa di una reazione Tipi diversi di reazioni Reazioni ioniche in soluzione acquosa Formazione di precipitati Formazione di gas Equazioni chimiche Per rappresentare una reazione chimica si utilizzano le equazioni chimiche. Si tratta di scritture simboliche che rappresentano la trasformazione dei reagenti in prodotti. Reagenti e prodotti sono a loro volta rappresentati dalle rispettive formule molecolari. Per esempio la reazione tra il metano e l ossigeno, con produzione di acqua e diossido di carbonio è: CH 4(g) + O 2(g) H 2 O (g) + CO 2(g) I simboli tra parentesi in basso a destra si riferiscono allo stato fisico delle sostanze, cioè: (g) = gassoso, (l) = liquido, (s) = solido e (aq) = soluzione acquosa. 1

2 Bilanciamento Poiché ogni trasformazione ubbidisce alla legge di Lavoisier di conservazione della massa, occorre che il numero di atomi di ciascuna specie rimanga inalterato. Dobbiamo pertanto completare lo schema di reazione riportato in precedenza, facendo in modo che il numero totale di atomi di ciascuna specie presente nei reagenti sia uguale a quello presente nei prodotti. CH 4(g) + 2O 2(g) 2H 2 O (g) + CO 2(g) Davanti alle formule dei reagenti e dei prodotti, si introducono a questo scopo opportuni numeri, chiamati coefficienti stechiometrici: tale operazione è il bilanciamento. Stechiometria La stechiometria è il ramo della chimica che si occupa delle relazioni quantitative fra le sostanze che partecipano ad una reazione. I calcoli si impostano sempre a partire dall equazione correttamente bilanciata della reazione. In essa i coefficienti stechiometrici indicano il rapporto tra le moli delle diverse sostanze. Reagente limitante L equazione chimica specifica secondo quali rapporti si combinano i reagenti e si formano i prodotti. Che cosa accade se tali rapporti non vengono rispettati? Consideriamo la reazione che avviene tra idrogeno e ossigeno per dare acqua: 2H 2 + O 2 2H 2 O Essa ci dice che per trasformare 1 mole di O 2 in acqua sono necessarie 2 moli di H 2 ; ovvero che il rapporto di reazione tra ossigeno e idrogeno deve essere di 1 : 2. 2

3 Reagente limitante Ma se mettiamo a reagire O 2 e H 2 in rapporto diverso da quello previsto dall equazione, per esempio 1 mole di O 2 con 3 moli di H 2 che cosa accadrà? Soltanto due di moli di H 2 possono trasformarsi, una rimane inalterata. In tal caso la quantità di idrogeno utilizzata risulta in eccesso rispetto alla quantità di ossigeno che è, invece, in difetto. La formazione del prodotto, quindi, si arresta nel momento in cui si esaurisce il reagente in difetto. Poiché esso limita la quantità di prodotto che è possibile ottenere, viene chiamato reagente limitante. Reagente limitante Un modo semplice per riconoscere qual è il reagente limitante di una certa reazione consiste nel calcolare la quantità di prodotto che si otterrebbe se ciascuno dei reagenti si trasformasse completamente. Il reagente limitante è quello che conduce alla formazione della minore quantità di prodotto. Conoscendo il numero di moli del reagente limitante, è possibile determinare sia la massa dei prodotti di reazione sia la massa del reagente in eccesso che non si è trasformata. Reagente in eccesso Se ora mettiamo a reagire 1 mole di O 2 con 3 moli di H 2 soltanto due di queste ultime possono trasformarsi, mentre una rimane inalterata. In tal caso la quantità di idrogeno risulta in eccesso rispetto a quella di ossigeno. 3

4 Resa di una reazione La maggior parte delle reazioni non procede sino all esaurimento di tutti i reagenti: esse, a un certo punto, sembrano arrestarsi. Le reazioni di questo tipo sono dette incomplete. Oppure può accadere che i reagenti subiscano contemporaneamente trasformazioni diverse. È il caso, per esempio, della combustione della miscela di idrocarburi che costituiscono la benzina: si dovrebbe formare esclusivamente CO 2 e H 2 O; in realtà avviene anche una reazione secondaria che produce CO. In entrambi i casi si ottiene una quantità di prodotto inferiore a quella prevista teoricamente. Resa di una reazione Diciamo, allora, che la resa effettiva (RE) della trasformazione è inferiore alla resa teorica (RT). La resa teorica di un prodotto è la quantità massima di prodotto che può essere ottenuta da una certa quantità di reagente in base alla stechiometria della reazione. Conoscendo la resa teorica e quella effettiva, possiamo calcolare la resa percentuale (RP). La resa percentuale è il rapporto, espresso in percentuale, tra la quantità di prodotto effettivamente ottenuta (RE) e quella massima ottenibile (RT). Quando la trasformazione è incompleta o è accompagnata da reazioni secondarie, la resa percentuale è sempre inferiore al 100%. Tipi di reazioni La maggior parte delle reazioni avvengono secondo schemi abbastanza semplici, che si possono ricondurre a quattro tipi fondamentali. I nomi e le caratteristiche di ciascun tipo di reazione sono rappresentati nella tabella 18.2 dove, con le lettere A, B, C e D, sono indicati gli atomi o i gruppi di atomi che partecipano alla reazione. tipo di reazione di sintesi di decomposizione di spostamento di doppio scambio rappr. schematica A + B = C A = B + C A + BC = B + AC AB + CD = AD + CB 4

5 Sintesi Sono reazioni in cui da due o più sostanze si ottiene un solo composto o da reagenti semplici si passa a prodotti complessi. Decomposizione Sono reazioni in cui da un unico reagente si ottengono due o più prodotti (per questo motivo tali reazioni sono considerate l inverso di quelle di sintesi). Sono di decomposizione anche quelle reazioni in cui da reagenti complessi si passa a prodotti più semplici. Quando in una reazione di sintesi o di decomposizione tra i reagenti compare O 2 si parla più di reazioni di combustione. Spostamento Nelle reazioni di spostamento, dette anche di scambio semplice, un elemento libero sostituisce un altro elemento da un suo composto; l elemento spostato diviene, a sua volta, libero. Non tutte le reazioni di scambio possono avvenire spontaneamente; affinché ciò accada è necessario che l elemento libero (C) sia più reattivo di quello (B) che deve essere «spostato» dal suo composto. 5

6 Spostamento Nella figura a fianco è riportata la serie di reattività di alcuni elementi: quelli in alto sono più reattivi e possono spostare uno qualsiasi degli elementi sottostanti da un suo composto. Per esempio, lo zinco (Zn) sostituisce l idrogeno in HCl e dalla reazione si libera idrogeno gassoso (H 2 ) e si forma cloruro di zinco (ZnCl 2 ). Doppio scambio Appartengono a questa categoria tutte le reazioni in cui due composti si scambiano alcuni tipi di atomo. Reazioni ioniche Gran parte delle reazioni avviene in soluzione acquosa dove sali e acidi si dissociano in ioni. Di conseguenza la reazione interessa gli ioni e non le molecole. Per esempio la reazione: Zn (s) + CuSO 4(s) ZnSO 4(s) + Cu (s) in soluzione acquosa diventa: Zn (s) + Cu 2+ (aq) + SO 4(aq) 2 Zn 2+ (aq) + SO 4(aq) 2 + Cu (s) Essa mette in evidenza che lo ione SO 4 2 resta inalterato e quindi può essere eliminato dall equazione: Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) Questa forma semplificata di equazione prende il nome di equazione ionica netta e gli ioni eliminati sono detti ioni spettatori. 6

7 Precipitati Si dice precipitato la comparsa, nel corso di una reazione in soluzione, di un solido che intorbidisce il sistema e si deposita al fondo del recipiente. Le reazioni di precipitazione sono di grande effetto: unendo due liquidi limpidi si osserva l immediata formazione di un solido bianco o colorato. Ciò accade perché ioni di carica opposta si uniscono e formano un solido insolubile. Per indicare che un composto precipita a volte si adopera una freccia verso il basso ( ) a fianco della formula del precipitato. Formazione di gas Le reazioni di doppio scambio portano spesso alla formazione di prodotti gassosi. Per esempio, per eliminare le incrostazioni calcaree le si tratta con prodotti acidi; l acido disgrega il carbonato di calcio perché libera CO 2 dallo ione carbonato secondo la reazione seguente: CaCO 3(s) + 2HCl (aq) CaCl 2(aq) + H 2 O (l) + CO 2(g) La freccia verso l alto a fianco del composto indica che si libera come gas. 7