Reazioni chimiche – Definizione

Affrontiamo lo studio delle reazioni chimiche: cosa sono, da cosa sono composte e quali informazioni racchiudono.

Esercizi svolti su bilanciamento redox (Prima Parte – Seconda Parte) e redox in forma ionica a questo link.

Esercizi con soluzione (Eserciziario) su bilanciamento redox a questo link e bilanciamento redox in forma ionica a questo link.

 

Cosa sono le reazioni chimiche

Una reazione chimica, rappresentata da un’equazione chimica, mostra la trasformazione delle sostanze durante un processo chimico. A destra di tale equazione compaiono i reagenti, ossia le specie chimiche che si combinano (stadio iniziale), a sinistra compaiono i prodotti di reazione (stadio finale). Il segno di uguale è sostituito da una freccia per indicare la direzione in cui avviene la reazione chimica: tale freccia può essere diretta in una (destra o sinistra) o entrambe le direzioni. Nel primo caso la reazione si dice irreversibile perchè è ‘spostata’ nella direzione che mostra la freccia, nel secondo caso si dice reversibile.

 

Reazioni chimiche reversibili

Definizione Reazione chimica reversibile. Una reazione chimica è reversibile se l’equilibrio chimico non è completamente spostato nè dalla parte dei reagenti nè da quella dei prodotti.

Esempio reazione chimica reversibile:

3H_{2 (g)} + N_{2 (g)} 2NH_{3 (g)}

in cui l’idrogeno e l’azoto si combinano e formano ammoniaca (NH₃) e, sotto particolari condizioni di temperatura e pressione, l’ammoniaca si dissocia in idrogeno e azoto. Si ha, in definitiva, una situazione di equilibrio chimico e la reazione non risulta spostata nè verso destra nè verso sinistra. Il pedice _(g) indica lo stato fisico della sostanza (solido (s), liquido (l), gassoso (g) e acquoso (aq)) e viene talvolta omesso.

 

Reazioni chimiche irreversibili

Esempio reazione chimica irreversibile:

C _(g) + O_{2 (g)} → CO_{2 (g)}

il carbonio (C) e l’ossigeno (O₂) sono i reagenti (stadio iniziale), l’anidride carbonica (CO₂) è il prodotto (stadio finale). La freccia è diretta verso destra: tale reazione è ‘spostata’ verso i prodotti. Il carbonio e l’ossigeno tenderanno ad unirsi e formare anidride carbonica, ma l’anidride carbonica non si dissocierà in carbonio e ossigeno. Questa reazione è chiamata reazione di combustione e consiste in una rapida ossidazione di un combustibile, che in questo caso è il carbonio, ad opera di un comburente, ossia una specie chimica che si comporta da agente ossidante (tende a strappare elettroni), quale è l’ossigeno. I prodotti di reazione della combustione variano a seconda del combustibile coinvolto nel processo, supponendo fissato l’ossigeno come comburente: nel caso del carbonio viene prodotta anidride carbonica. Le reazioni chimiche di combustione sono un perfetto esempio di reazioni irreversibili.

 

Il bilanciamento delle reazioni chimiche

L’equazione chimica è, in fin dei conti, un’equazione algebrica: il numero di atomi di ogni elemento a sinistra deve essere uguale al numero di atomi dello stesso elemento a destra dell’equazione. Dal punto di vista chimico significa che la massa totale prima e dopo la reazione si conserva, come affermato dalla Legge di conservazione della massa (« Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma »). Per capire come si può ottenere tale conservazione di massa è necessario definire il coefficiente stechiometrico:

Definizione Coefficiente stechiometrico. Il coefficiente stechiometrico è un numero intero che esprime i rapporti molari di una sostanza in una reazione chimica.

Questo numero è anteposto ad ogni specie chimica (atomo, molecola, ione, complesso) coinvolta nella reazione e ne permette il bilanciamento. Rifacciamoci all’esempio precedente:

aC _(g) + bO_{2 (g)} → cCO_{2 (g)}                  (1)

In questa reazione il coefficiente stechiometrico ‘a’ del carbonio, ‘b’ dell’ossigeno molecolare e ‘c’ dell’anidride carbonica è pari a 1. Risulta:

1C _(g) + 1O_{2 (g)} → 1CO_{2 (g)}           (1bis)

Nella (1bis) una mole di carbonio reagisce con una mole di ossigeno molecolare per formare una mole di anidride carbonica. Il fatto che i conti con le moli non tornino (1 mole + 1 mole ≠ 1 mole) non vuol dire che l’esempio sia errato: è la massa che si conserva, non il numero di moli. Infatti, il numero di atomi di carbonio a sinistra e a destra della freccia è lo stesso (1 atomo), così come il numero di atomi d’ossigeno (2 atomi). L’uguaglianza si è ottenuta mediante la determinazione corretta dei coefficienti stechiometrici, che in questo caso sono tutti uguali a 1. La reazione è bilanciata perchè le masse di reagenti e prodotti sono le stesse. Possiamo fare una verifica, ad esempio, calcolando i grammi di carbonio e di ossigeno molecolare e quelli di CO₂ usando la definizione di mole. Risulta:

C (g) = 1 mol x 12 g/mol = 12g

O (g) = 1 mol x 16 g/mol x 2 = 32 g

Reagenti (g) = 12 + 32 = 44 g

CO₂ (g) = 1 mol x 44 g/mol = 44 g

per cui

Reagenti (g) = Prodotti (g)

in pieno accordo con la Legge di conservazione della massa.

 

Come si calcolano i coefficienti stechiometrici?

È possibile effettuare un bilanciamento “intuitivo” per reazioni semplici come la (1) facendo i conti a mente, ma in tutti gli altri casi abbiamo bisogno di un metodo opportuno che risolva l’equazione. Il procedimento logico che ci permette di trovare matematicamente i coefficienti stechiometrici, che sono le incognite delle equazioni chimiche, è descritto nella sezione Esercizi svolti e può cambiare a seconda del tipo di reazione.

 

Tipi di reazioni chimiche: reazioni di ossidoriduzione (redox) e reazioni acido-base

Hanno carattere didattico le reazioni chimiche di ossidoriduzione e acido-base (redox ioniche). I modi di risoluzione delle prime e delle seconde sono assai simili e in quanto a caratteristiche diciamo:

Reazioni redox (Link 1 – Link 2): sono reazioni in cui c’è uno scambio di elettroni tra una specie chimica e un’altra. Almeno una coppia di atomi, quindi, cambia il proprio numero di ossidazione: se un atomo (tra i reagenti) cede un elettrone, ci sarà un atomo (tra i prodotti) che lo acquista. Si dice che la specie che cede elettroni si ossida, la specie che li acquista si riduce (altresì viene detta ossidante la specie chimica che può ridursi acquistando elettroni e riducente la specie che può ossidarsi cedendoli). Grazie alla variazione dei numeri di ossidazione delle specie ossidanti e riducenti è possibile calcolare i coefficienti stechiometrici che bilanciano la reazione chimica.

Reazioni acido-base: sono reazioni in cui avviene il trasferimento di un protone (H⁺) da una specie (l’acido), ad un’ altra (la base). Spesso per bilanciare queste equazioni è necessario aggiungere H⁺ e H₂O se l’ambiente di reazione è acido e OH^– e H₂O se l’ambiente è basico (è specificato dal problema). Metterle tra i reagenti o tra i prodotti non cambia l’esercizio nè induce in errore: la posizione esatta è determinata matematicamente. Ovviamente, se queste specie sono già presenti nell’equazione è inutile aggiungerne altre. Per reazioni acido-base è sempre necessario il bilanciamento delle cariche: gli elettroni sono particelle massive, se la massa si conserva anche la carica deve conservarsi!