LE REAZIONI CHIMICHE

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1 LE REAZIONI CHIMICHE Ossido di magnesio Ossigeno Magnesio Magnesio Una reazione chimica è il processo mediante il quale una o più sostanze si trasformano in altre. I materiali di partenza sono detti reagenti, quelli finali prodotti

2 LE REAZIONI CHIMICHE Le reazioni chimiche si rappresentano con equazioni (rappresentazioni simboliche e sintetiche) in cui, a sinistra, compaiono le formule dei reagenti,(stato iniziale), a destra, quelle dei prodotti(stato finale). Ossido di magnesio Ossigeno 2 Mg + O 2 2 MgO Magnesio Magnesio L'equazione illustra una trasformazione chimica reale utilizzando le formule chimiche: la dizione "reazione chimica" si usa per indicare sia la reazione reale sia la sua rappresentazione"algebrica".

3 Una reazione generica viene espressa con l'espressione: a A + b B c C + d D o con l'equazione a A + b B = c C + d D in cui a, b, c, d sono i coefficienti stechiometrici, rispettivamente, di A, B, C, D, nella reazione. La reazione scritta simbolicamente rappresenta SEMPRE un fatto sperimentale; perciò non bastano criteri algebrici per scriverla: occorrono criteri chimici. L equazione chimica bilanciata descrive i cambiamenti che si verificano nel corso della reazione chimica NON SOLO DAL PUNTO DI VISTA QUALITATIVO (quali specie si trasformano) MA ANCHE DAL PUNTO DI VISTA QUANTITATIVO(attraverso l impiego dei coefficienti stechiometrici)

4 Le equazioni chimiche dovrebbero essere scritte aggiungendo, accanto ad ogni composto come pedice, il rispettivo stato di aggregazione,cioè(g)pergas,(s)persolido,(l)perliquido, e(aq) selaspeciesitrovainunasoluzioneacquosa. CaCO 3 (s) = CaO (s) + CO 2 (g)

5 Il Bilanciamento delle Equazioni Chimiche aa+bb= cc+dd reagenti prodotti Coefficienti stechiometrici I coefficienti stechiometrici indicano le proporzioni numeriche secondo le quali le moli dei reagenti e dei prodotti prendono parte alla reazione. Essi vanno scelti in modo tale che nel corso della reazione non si creino né si distruggano atomi (in accordo con la Legge della conservazione della massa). Un coefficiente che precede una formula indica che tutto ciò che segue è moltiplicato per quel numero. In assenza di coefficienti, si sottintende che il coefficiente è 1.

6 Il Bilanciamento delle Equazioni Chimiche aa+bb= cc+dd reagenti prodotti Coefficienti stechiometrici Si risale ai coefficienti stechiometrici che garantiscono il BILANCIO DI MASSA valutando attentamente la formula dei composti coinvolti, cioè il numero di atomi di ogni specie chimica coinvolta. BILANCIO DI Oltre al bilancio di massa, però, va eseguito anche il BILANCIO CARICA In un equazione chimica bilanciata la somma delle cariche dei reagenti deve essere uguale alla somma delle cariche dei prodotti.

7 magnesio + ossigeno ossido di magnesio Ossigeno Ossido di magnesio 2 Mg (s) + O 2(g) MgO 2 MgO (s) Magnesio Magnesio 2 atomi di magnesio + 1 molecola di ossigeno = 2 unità formula di ossido di magnesio 2N atomi di magnesio magnesio atomi di magnesio + 1N molecole di ossigeno = 2N unità formula molecole di ossigeno unità formula di ossido di Se prendiamo N = 6, particelle (cioè un Numero di Avogadro di particelle) allora prendiamo una massa in grammi numericamente uguale al valore della massa atomica (o alla massa molecolare o alla massa formula se è un composto ionico) cioè una quantità corrispondente alla Massa Molare.

8 N particelle (atomi, molecole, etc.) 1 mole 2Mg (s) + O 2(g) 2MgO (s) 2N atomi di magnesio + 1N molecole di ossigeno = 2N unità formula di ossido di magnesio 2 moli di magnesio + 1 mole di ossigeno = 2 moli di di ossido di magnesio [2 24,305g = 48,610 g di Mg] + 1x[2 15,999g = 31,998 g di O 2 ] = 2 ( 24,305+15,999) = 80,608 g di MgO Queste quantità possono essere pesate! 48,610g 31,998g 80,608g

9 I coefficienti di un equazione chimica bilanciata hanno due livelli di interpretazione. A livello microscopico, danno la relazione numerica fra le specie che si consumano e quelle che si producono. A livello macroscopico, indicano i rapporti molari fra sostanze consumate e/o prodotte nella reazione chimica. Ogni equazione bilanciata definisce il rapporto tra le masse e il numero delle particelle. La massa totale dei reagenti è uguale alla massa totale dei prodotti (Legge di Conservazione della Massa).

10 BILANCIAMENTO DI UN EQUAZIONE CHIMICA Un equazione chimica bilanciata ha lo stesso numero e tipo di atomi nei reagenti e nei prodotti Bilanciare un equazione significa eguagliare il numero di atomi di ogni elemento presente nelle specie reagenti con quello presente nei prodotti introducendo i coefficienti stechiometrici davanti alle formule chimiche I pedici nelle varie formule devono essere lasciati invariati perché essi indicano la composizione definita dei prodotti e dei reagenti

11 Si inizia con il bilanciare gli atomi (generalmente partendo da elementi da H e O) che sono presenti in un solo reagente e/o in un solo prodotto, quindi si bilanciano gli altri atomi. Si può trovare il numero totale di atomi presenti per ciascun elemento moltiplicando il coefficiente stechiometrico della specie chimica in cui l atomo si trova per il valore sottoscritto (pedice) di quell atomo nella formula della stessa specie Esempio: 2AlBr 3 2 atomi di Al e (2 3) = 6 atomi di Br

12 H 2 (g) + O 2(g) 1mol 1mol 1mol (2,0158g) (31,998 g) (18,015g) H 2 O (l) non bilanciata H 2 (g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) non bilanciata 2 H 2 (g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) bilanciata ( g) (31,998 g) (36,030g) 2mol 1mol 2mol H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O 2 (l) cambia il significato!

13 N 2(g) + H 2(g) NH 3(g) Per conoscere il numero più piccolo di atomi di idrogeno che si può avere come reagenti e come prodotti si calcola il minimo comune multiplo tra 2 e 3 = 6. Per avere 6H a destra e 6H a sinistra: 6:2=3 introduciamo il coefficiente 3 davanti a H 2 6.3=2 introduciamo 2 davanti a NH 3 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Poi si contano gli atomi di ciascuna specie nei reagenti e nei prodotti Reagenti: 2N 6H Prodotti: 2N 6H La reazione è bilanciata per massa e carica

14 Ca(NO 3 ) 2 (aq) + Na 3 PO 4 (aq) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + NaNO 3 (aq) 3Ca(NO 3 ) 2 (aq) + Na 3 PO 4 (aq) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + NaNO 3 (aq) 3Ca(NO 3 ) 2 (aq) + Na 3 PO 4 (aq) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + 6NaNO 3 (aq) 3Ca(NO 3 ) 2 (aq) + 2Na 3 PO 4 (aq) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + 6NaNO 3 (aq) L equazione chimica bilanciata mostra anche i rapporti tra le moli dei reagenti e dei prodotti

15 Riassumendo In una equazione chimica bilanciata il numero di atomi di OGNI SINGOLO ELEMENTO nei reagenti è uguale a quello nei prodotti e la carica totale dei reagenti è uguale a quella dei prodotti. Non ci sono variazioni di massa durante una reazione chimica perché gli atomi non cambiano la loro massa. Il numero di molecole (o di unità formula) totale presenti sia come reagenti che come prodotti non è necessariamente uguale. Anche il numero di moli di reagenti e di prodotti non è necessariamente uguale. Quindi.. GLI ATOMI E LE MASSE SI CONSERVANO, LE MOLECOLE E LE MOLI NO.

16 In soluzione acquosa, risulta conveniente discutere le reazioni dei composti che si ionizzano (dissociano) in termini ionici. Gli acidi in soluzioni acquose si ionizzano in ioni H + (H 3 O + ) e specie cariche negativamente (anioni monoatomici o ossoanioni, o ossoanioni idrogenati). Gli idrossidi sono composti basici. Si ionizzano in OH - e specie cariche positivamente. Gli idrossidi degli elementi del primo gruppo e del II gruppo si ionizzano completamente. Gli altri restano sotto forma molecolare. Gli idruri dei metalli alcalino e alcalino terrosi si dissociano completamente. Tutti i sali solubili si dissociano in ioni; alcuni sali poco solubili possono rimanere indissociati. Tutti gli altri composti restano in soluzione in forma molecolare

17 Reazione in forma ionica Una reazione ionica è un equazione che rappresenta le specie di ciascun composto presenti in soluzione acquosa. Quindi, i composti dissociati/ionizzati sono riportati come ioni mentre i composti indissociati sono riportati in forma molecolare Una reazione ionica netta è un equazione ionica in cui non compaiono le specie che non partecipano alla reazione (che non cambiano). Queste specie (ioni) vengono dette ioni spettatori AgNO 3 (aq) + KCl (aq) KNO 3 (aq) + AgCl (s) I tre sali solubili vanno scritti in forma ionica: Ag + (aq) + NO 3 - (aq) + K + (aq)+ Cl - (aq) K + (aq) + NO 3 - (aq) + AgCl (s) Lo ione potassio e lo ione nitrato non subiscono nessuna trasformazione; sono ioni spettatori

18 Regole per stabilire quali sostanze vanno scritte in forma dissociata (ionica) e quali in forma indissociata (molecolare) 1. Tutti i composti solubili che si dissociano/ionizzano in soluzione acquosa [Sali solubili, acidi forti (HCl), basi forti (NaOH, NaH)], vanno scritti in forma ionica. 2.Acidi deboli (HCN, CH 3 COOH, H 2 S, H 2 CO 3..) e basi (NH 3 ) deboli vanno scritti in forma molecolare. 3. Tutte le sostanze insolubili (solidi, liquidi e gas), sia ioniche che covalenti, vanno scritte come molecole o unità formula come tali (non in forma ionica) 4. Tutte le sostanze covalenti vanno scritte in forma molecolare. 5. Se nell equazione compare l acqua (il solvente) va scritto in forma molecolare.

19 Mg (s) + 2HCl (aq) MgCl 2 (aq) + H 2 (g) Sia HCl che MgCl 2 sono presenti in soluzione acquosa sotto forma di ioni MgCl 2 = Mg 2+ (aq) + 2Cl - (aq) HCl = H + (aq) + Cl - (aq) Mg (s) + 2H + (aq) + 2Cl - (aq) Mg 2+ (aq) + 2Cl - (aq) + H 2 (g) Mg (s) + 2H + (aq) Mg 2+ (aq) + H 2 (g)lareazioneèbilanciatapermassaecarica

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21 CLASSIFICAZIONE DELLE REAZIONI Le reazioni chimiche possono essere: Reazioni di ossido-riduzione (o redox) Reazioni acido-base Reazioni di precipitazione Reazioni di complessamento

22 Ossido di magnesio Mg + O 2 2 MgO Ossigeno Magnesio Magnesio

23 cede elettroni Acquista elettroni Nelle reazioni redox nella maggior parte dei casi due elementi, appartenenti a due differenti reagenti, modificano il proprio n.o. nel passaggio da reagenti a prodotti. L elemento che si ossida cedendo elettroni vede aumentare il proprio n.o. L elemento che si riduce acquistando elettroni vede diminuire il proprio n.o. In alcune reazioni redox dette di dismutazione uno stesso elementosiossidaesiriduce

24 Ossido di magnesio Mg + O 2 2 MgO Ossigeno L ossigenopassada0a-2:sièridotto Ilmagnesiopassada0a+2:sièossidato n.o Magnesio Magnesio Na + H 2 O Na 2 O + H 2 elettroni scambiati 1e ceduto 2 x1e acquistati

25 La reazione redox è una combinazione di una ossidazione e di una riduzione n.o Na + H 2 O Na 2 O + H 2 elettroni scambiati 1e ceduto 2 x1e acquistati IN UNA REAZIONE CHIMICA NON ESISTONO ELETTRONI LIBERI, NE SI CREANO, NE SI DISTRUGGONO

26 Il numero degli elettroni ceduti deve essere uguale a quello degli elettroni acquistati numero di elettroni ceduti dall elemento che si ossida (RIDUCENTE) = numero di elettroni acquisiti dall elemento che si riduce (OSSIDANTE) = E importante ricordare che un dato composto non è sempre e comunque riducente o ossidante, poiché questo ruolo è relativo alla specifica reazione che di volta in volta si considera.

27 Agente ossidante Prodotto di reazione Agente riducente Prodotto di reazione Ione ossido H + o H combinato nell H 2 O M, metalli come Na, K, Fe eal M n+, ioni di metalli come Na +, K +, Fe 2+,Fe 3+ eal 3+ Ossidi di azoto quali NO e NO 2 C, usato per ridurre gli ossidi dei metalli CO e CO 2 Ione dicromato Ione permanganato IoneCr 3+ (in soluzione acida) IoneMn 2+ (in soluzione acida)

28 Barra di zinco Barra Cu Zn Deposito di rame Soluzione di solfato di rame (II) Soluzione di solfato di rame (II)

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30 Il bilancio di una reazione redox si articola in due stadi successivi: 1. bilancio redox 2. bilancio complessivo

31 Bilanciamento di una reazione redox in forma ionica 1) Assegnando i n.o., individuare quali specie variano il loro n.o. 2) Scrivere le due semireazioni relative alla specie ionica che si ossida e alla specie che si riduce 3) Bilanciare la specie ossidata e la specie ridotta 4) Evidenziare il numero di elettroni ceduti nell ossidazione e quelli acquistati nella riduzione. Gli elettroni ceduti (dalla specie che si ossida e il cui n.o. aumenta) vanno segnati fra i prodotti (a destra) quelli acquistati (dalla specie che si riduce e il cui n.o. diminuisce) tra i reagenti (a sinistra). 5) Bilancio di carica. Bilancio in ambiente basico: aggiungere ai prodotti ioni OH - Bilancio in ambiente acido: aggiungere ioni H +. (Bisogna considerare, nel bilanciare le cariche, anche gli elettroni).

32 6) Controllare che le semireazioni siano bilanciate in carica e massa. Se necessario bilanciare l H e l O con H 2 O. 7) Bilancio redox. Moltiplicare le due semireazioni per un opportuno fattore in modo da bilanciare gli elettroni in gioco (elettroni ceduti = elettroni acquistati). 8) Sommare le due semireazioni eliminando le specie uguali (gli elettroni) 9) Se la reazione era in forma non ionica, riscrivere la reazione inserendo le specie ioniche nei composti.

33 Fe(OH) 2 + K 2 CrO 4 + H 2 O Fe(OH) 3 + Cr(OH) 3 + KOH Il ferro si ossida il cromo si riduce Fe 2+ Fe 3+ + e CrO e Cr 3+ Fe 2+ Fe 3+ + e CrO e Cr OH - ambiente basico Fe 2+ Fe 3+ + e X3 CrO e + 4H 2 O Cr OH - x1 3Fe 2+ + CrO e +4H 2 O 3Fe e + Cr 3+ +8OH - 3Fe(OH) 2 + K 2 CrO 4 + 4H 2 O 3Fe(OH) 3 + Cr(OH) 3 + KOH 3Fe(OH) 2 + K 2 CrO 4 + 4H 2 O 3Fe(OH) 3 + Cr(OH) 3 + 2KOH

34 REAZIONI DI DISMUTAZIONE Una reazione di dismutazione (o disproporzionamento) è una reazione in cui alcuni atomi di un reagente vengono ossidati mentre altri atomi dello stesso elemento vengono ridotti. Perché possa avvenire, è necessario che il reagente contenga un elemento capace di assumere almeno tre numeri di ossidazione diversi Per bilanciare una reazione di dismutazione si applicano le stesse regole già descritte per le reazioni di ossido-riduzione Esempio: Br 2 + 3H 2 O HBrO 3 + 5HBr

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