Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche

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1 i g t c unità g1 obiettivo x + Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche 1 L equazione chimica Saper rappresentare una trasformazione chimica mediante un equazione che utilizza simboli e formule Fig. 1 Un esempio di formazione di solido insolubile: la precipitazione del cromato d argento. Quando abbiamo studiato le trasformazioni chimiche, cioè le trasformazioni che avvengono con variazione della composizione della materia, ci siamo limitati soltanto a descrivere i fenomeni che le accompagnano e tra questi lo sviluppo di gas, la formazione di un solido insolubile, il cambiamento di colore, l emissione 1 molecola di H2O o l assorbimento di energia sotto forma di luce e/o calore. Il cambiamento nella composizione della materia che, come sappiamo, è costituita da atomi e molecole, consiste nella rottura di legami tra gli atomi e nella formazione di nuovi legami. In una trasformazione chimica, quindi, gli atomi presenti nei reagenti si riaggregano in maniera diversa per dar luogo alla formazione dei prodotti. Ora che siamo in grado di classificare le sostanze e di rappresentare le loro molecole con le formule, possiamo dare una rappresentazione formale delle reazioni. Utilizzando i simboli per gli atomi e le formule per le molecole, possiamo rappresentare una reazione chimica mediante un equazione, chiamata appunto equazione chimica, ponendo a sinistra i simboli o le formule dei reagenti, mentre a destra, separati da una freccia, vengono posti i simboli o le formule dei prodotti. La combustione del carbonio, per esempio, può essere così schematizzata: carbonio si combina con ossigeno per dare biossido di carbonio Accanto a ogni simbolo o formula, inoltre, vengono inserite abbreviazioni fra parentesi per specificare lo stato fisico dei reagenti e dei prodotti: (s) (l) (g) (aq) indica lo stato solido; indica lo stato liquido; indica lo stato gassoso; indica la soluzione acquosa.

2 218 modulo g Le reazioni chimiche Quando il prodotto ottenuto è un gas, accanto alla sua formula si inserisce una freccia rivolta verso l alto, per indicare che il prodotto gassoso ottenuto si allontana dal sistema. Quando, invece, il prodotto ottenuto è un solido insolubile nel mezzo in cui avviene la reazione, si usa una freccia rivolta verso il basso, per indicare la formazione di una sostanza insolubile che precipita. L equazione che descrive la combustione del carbonio può essere quindi così completata: C (s) STOP test di controllo Completa le frasi inserendo le parole mancanti. 1. Una reazione chimica può essere rappresentata da una..... che pone a sinistra i..... e a destra, separati da una....., i Una trasformazione chimica è un processo che comporta rottura di legami negli atomi dei..... e formazione di nuovi..... negli atomi dei Stabilisci se le seguenti affermazioni sono vere(v) o false(f). 3. Una reazione chimica può essere accompagnata da emissione di luce. 4. Per la reazione: H 2(g) H 2 O (l), H 2 O è un reagente. 5. In una equazione chimica l abbreviazione (aq) posta a pedice tra parentesi indica lo stato fisico della sostanza. 6. Il simbolo di una freccia verso l alto posto accanto alla formula di un prodotto indica la formazione di un gas. 2 obiettivo Saper bilanciare un equazione attraverso l uso dei coefficienti stechiometrici Il bilanciamento di un equazione chimica Una trasformazione chimica, come già sai, deve sempre rispettare la legge della conservazione della massa. Gli atomi presenti nei reagenti, infatti, si ritrovano anche nei prodotti, sebbene combinati in maniera diversa. Pertanto possiamo dire che la legge di conservazione della massa diventa anche la legge di conservazione degli atomi. Ogni equazione chimica deve essere, il che avviene quando il numero di atomi di ciascun elemento che si trova a sinistra della freccia è uguale al numero di atomi di ciascun elemento presente a destra della freccia. Allora, per bilanciare l equazione, davanti alla formula di ciascuna sostanza si pongono opportuni coefficienti, denominati coefficienti stechiometrici. È importante notare che ogni coefficiente moltiplica anche gli indici posti a pedice dei simboli degli elementi presenti nella formula. Così, per esempio, se scriviamo 3H 2 O, il 3 posto davanti alla formula H 2 O porta a 6 (3 2) gli atomi di idrogeno e a 3 (3 1) gli atomi di ossigeno.

3 unità g1 Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche 219 Prendiamo in considerazione, per esempio, la reazione che avviene tra l idrogeno e il cloro, per dare acido cloridrico. Poiché sappiamo che sia l idrogeno che il cloro sono molecole biatomiche, esse dovranno essere rappresentate dalle formule H 2 e Cl 2 rispettivamente. In tal modo però l equazione: H 2(g) + Cl 2(g) HCl (g) non risulta. Per bilanciarla, basterà porre il coefficiente 2 davanti alla formula HCl: H 2(g) + Cl 2(g) 2HCl (g) In questo modo l equazione risulta e ci indica che 1 molecola biatomica di idrogeno, H 2, reagisce con 1 molecola biatomica di cloro, Cl 2 per dare 2 molecole di acido cloridrico HCl. Proviamo ora a bilanciare un equazione che presenta qualche difficoltà in più, come quella dell alluminio metallico, Al, che, riscaldato in presenza di ossigeno, O 2, forma l ossido di alluminio, un solido bianco la cui formula è Al 2. La semplice equazione è: Al (s) Al 2 (g) non risulta in quanto a sinistra compaiono 2 atomi di ossigeno, mentre a destra ne compaiono 3; inoltre a sinistra compare un solo atomo di alluminio, mentre a destra sono 2. Per ottenere il bilanciamento dell ossigeno possiamo prendere in considerazione il minimo comune multiplo tra i coefficienti 2 e 3, pari a 6. Poniamo quindi il coefficiente 3 davanti a O 2 per avere 6 atomi di ossigeno nei reagenti e il coefficiente 2 davanti ad Al 2 per avere 6 atomi di ossigeno nei prodotti. In tal modo però l equazione: Al (s) + 3O 2(g) 2Al 2 (g) risulta rispetto all ossigeno, ma non rispetto all alluminio, in quanto a sinistra troviamo un solo atomo di questo elemento, mentre a destra ne troviamo 4.

4 220 modulo g Le reazioni chimiche Dobbiamo allora porre il coefficiente 4 davanti ad Al per ottenere anche il suo bilanciamento: 4Al (s) + 3O 2(g) 2Al 2 (g) Come vedi, non è possibile trovare un criterio generale per bilanciare un equazione chimica; negli esempi appena riportati, infatti, avrai notato che i coefficienti sono stati scelti di volta in volta per ripetuti tentativi, fino a raggiungere il bilanciamento voluto. Negli esempi svolti troverai comunque alcuni criteri generali da utilizzare come linee guida per eseguire il bilanciamento delle equazioni. Segui l esempio 1. Bilancia la seguente equazione chimica relativa alla reazione tra azoto e idrogeno per ottenere ammoniaca: N 2(g) + H 2(g) NH 3(g) Nell equazione compaiono 2 atomi di idrogeno a sinistra e 3 a destra. Poiché il minimo comune multiplo tra 2 e 3 è 6, questo sarà il numero più piccolo di atomi di idrogeno che possiamo avere come reagenti e come prodotti. Per il bilanciamento, pertanto, occorrono 3 molecole di idrogeno e 2 di ammoniaca: N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) 2. Prova a bilanciare l equazione chimica relativa alla combustione del metano, una sostanza contenente carbonio e idrogeno, che combinandosi con l ossigeno produce anidride carbonica e acqua. Scrivi l equazione usando le relative formule chimiche: + H 2 Dal momento che l ossigeno compare in due prodotti differenti, effettueremo il suo bilanciamento per ultimo. Iniziamo, pertanto, col bilanciare prima il carbonio, poi l idrogeno e per ultimo l ossigeno. Nel nostro caso, però, il carbonio risulta già bilanciato, mentre per bilanciare gli idrogeni, presenti in numero di 4 a sinistra e 2 a destra dell equazione, occorrerà porre il coefficiente 2 davanti ad H 2 O. + 2H 2 Verifica se la reazione è correttamente controllando se il numero di atomi di ciascun elemento presente nei reagenti corrisponde al numero degli atomi presenti nei prodotti, costruendo un apposita tabella. N 2 2 H 6 6 Bilancia le seguenti reazioni: a. Ca + O 2 CaO b. Fe + O 2 Come puoi osservare, a destra dell equazione vi sono 4 atomi di ossigeno, mentre a sinistra soltanto 2, per cui occorre porre il coefficiente 2 davanti a O 2 : + 2O 2(g) + 2H 2 Verifica infine il corretto bilanciamento dell equazione contando gli atomi di ciascun elemento presenti nei reagenti e nei prodotti. C 1 1 H 4 4 O 4 4 Bilancia le equazioni relative alle reazioni di combustione di: a. etano, C 2 H 6 b. propano, C 3 H 8

5 unità g1 Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche Scrivi e bilancia la reazione tra solfato ferrico e nitrato di bario per dare nitrato ferrico e solfato di bario, che si ottiene come precipitato solido insolubile. Scrivi l equazione utilizzando le formule chimiche di tutte le specie coinvolte: + Ba(N Fe(N In questa equazione compaiono gruppi poliatomici: il solfato, SO 4, e il nitrato, N, che vanno considerati come unità da bilanciare globalmente. Per bilanciare l equazione prova per tentativi, alternativamente da sinistra a destra e viceversa, a porre gli opportuni coefficienti davanti a ciascuna specie iniziando da un qualunque elemento scelto come elemento chiave. Se scegli il ferro come elemento chiave, dovrai porre il coefficiente 2 davanti a Fe(N ) 3. + Ba(N 2Fe(N Il coefficiente 2 che hai posto davanti a Fe(N ) 3 raddoppia anche il numero di gruppi N (2 3 = 6), per cui occorrerà bilanciarli a loro volta, ponendo il coefficiente 3 davanti a Ba(N ) 2 + 3Ba(N 2Fe(N Quest ultimo coefficiente ha sbilanciato gli atomi di bario a destra dell equazione, per cui occorrerà porre, questa volta a destra, il coefficiente 3 davanti a BaSO 4 + 3Ba(N 2Fe(N + 3BaSO 4(s) Verifica se la reazione è correttamente contando gli atomi di ciascun elemento presente nei reagenti e nei prodotti, costruendo l apposita tabella. 2 S Ba 3 3 N 6 6 Scrivi e bilancia le equazioni relative alle seguenti reazioni: a. cloruro di sodio che reagisce con il nitrato d argento per dare nitrato di sodio e cloruro di argento che precipita sotto forma di solido insolubile; b. cloruro di calcio che reagisce con fosfato di sodio per dare cloruro di sodio e fosfato di calcio insolubile. STOP test di controllo Completa le frasi inserendo le parole mancanti. 1. In una reazione il numero degli atomi di ogni elemento presente nei..... deve essere..... al numero degli atomi dello stesso elemento presente nei Un equazione chimica rispetta la legge di..... degli atomi. 3. In un equazione chimica, i numeri davanti alla formula di ciascuna sostanza sono detti Stabilisci se le seguenti affermazioni sono vere(v) o false(f). 4. I coefficienti stechiometrici sono i numeri che precedono i simboli e le formule nelle reazioni bilanciate. 5. La reazione: 2 Al (s) + 3 Cl 2(g) 2 AlCl 3(s) è. 6. La reazione: Mg (s) + H 2 O (l) Mg(OH) 2(s) + H 2(g) è. 7. La reazione: N NO 2(g) è.