La Materia si Trasforma
Una reazione chimica è un processo durante il quale la materia si trasforma mediante una ridistribuzione degli atomi, che comporta la rottura di legami e la formazione di nuovi legami. Una rappresentazione molecolare di una reazione chimica è riportata a lato. La materia subisce processi di continua trasformazione chimica. Talvolta, le trasformazioni sono evidenti, come nell’immagine riportata in basso, o se ad esempio alla reazione si accompagna sviluppo di gas, o cambiamento di colore, o formazione di precipitati. Altre volte, le trasformazioni avvengono in modo meno vistoso, come ad esempio nella rete complicata di processi che costituisce il nostro metabolismo. Alcune reazioni, inoltre, vengono etichettate in base alle loro principali applicazioni: abbiamo ad esempio reazioni di sintesi, di combustione, di precipitazione, di neutralizzazione, di dissociazione e di ossido-riduzione, anche se talvolta la classificazione non è univoca.
In tutti i casi, possiamo schematizzare una reazione chimica come un processo generico di tipo:
Reagenti —> Prodotti
Va ricordato a questo punto che tutte le reazioni rispettano la legge di conservazione della massa (vedi lezione 1, slide 8), presentata nel primo capitolo.
Rappresentazione molecolare di una reazione chimica: quale?
Una reazione di combustione.
Reazioni Chimiche
Se per indicare una trasformazione chimica utilizziamo le formule chimiche di reagenti e prodotti, otteniamo una equazione chimica, che proprio come ogni equazione deve essere bilanciata. Per esempio, l’immagine a lato illustra la reazione fra un metallo, l’alluminio, e una soluzione acquosa di acido cloridrico, con formazione di idrogeno gassoso e cloruro di alluminio. Questa trasformazione può essere rappresentata attraverso una equazione di reazione:
Al + HCl –> AlCl3 + H2
Per bilanciare la reazione dobbiamo trovare gli opportuni coefficienti, come verrà ribadito nella pagina seguente, per far sì che non solo il tipo, ma anche il numero degli atomi presenti sia uguale in entrambi i lati dell’equazione.
E’ quindi evidente che l’equazione riportata in alto non è bilanciata, in quanto reagenti e prodotti presentano un diverso numero di atomi di idrogeno e di cloro. La reazione bilanciata è:
2 Al + 6 HCl –> 2 AlCl3 + 3 H2
L'alluminio reagisce con una soluzione di HCl.
Reazioni Chimiche come Equazioni
Come ricordato poc’anzi, ogni reazione chimica può essere rappresentata sotto forma di una equazione, che proprio come un’equazione algebrica deve rispettare il principio di conservazione della massa (vedi lezione 1, slide 8).
Per illustrare più in dettaglio questo concetto prendiamo in considerazione la reazione di sintesi dell’acqua, che si ottiene dalla combinazione di idrogeno e ossigeno:
H2 + O2 –> H2O
Perché una equazione chimica sia bilanciata è necessario non solo che tutti gli elementi che figurano tra i reagenti siano presenti anche nei prodotti (e viceversa), ma anche che il numero degli atomi di ciascun elemento sia uguale da entrambi i lati. La reazione di sintesi dell’acqua appena riportata, ad esempio, non è bilanciata in quanto figurano due atomi di ossigeno a sinistra e uno solo a destra. La procedura di bilanciamento consiste unicamente nella identificazione degli opportuni coefficienti da anteporre a reagenti e/o prodotti, senza che questi vengano in alcun modo aggiunti, sottratti o modificati. In questo semplice caso la reazione bilanciata è:
2 H2 + O2 –> 2 H2O
Bilanciamento di Equazioni Chimiche
Esiste una strategia per il bilanciamento delle equazioni chimiche, che si basa su alcuni semplici criteri. Innanzitutto, come già detto, una volta definita la reazione non bisogna mai modificare le formule di reagenti e/o prodotti, né tantomeno aggiungere o sottrarre altre sostanze.
- Se vi sono elementi che compaiono in un solo reagente e in un solo prodotto, questi vanno bilanciati per primi.
- Le sostanze elementari vanno bilanciate per ultime.
- I gruppi poliatomici, quando non si modificano nel corso della reazione, vanno bilanciati come un’unica entità.
- In qualche caso può essere opportuno utilizzare coefficienti frazionari per giungere più rapidamente al bilanciamento, ma successivamente è vantaggioso eliminare le frazioni moltiplicando tutti i coefficienti per uno stesso numero intero (il minimo comune multiplo dei denominatori).
Usando questi criteri, come esercizio si individuino i coefficienti per bilanciare la reazione di ossidazione del propano che porta alla formazione di monossido di carbonio e acqua:
C3H8 + O2 –> CO + H2O
Significato dei Coefficienti
Qual è il significato dei coefficienti? Essi rappresentano i rapporti secondo i quali i reagenti si combinano fra loro, e si ottengono i prodotti. Vengono denominati per questo motivo coefficienti stechiometrici , in quanto la stechiometria riguarda tutti gli aspetti quantitativi inerenti le masse di reagenti e prodotti. Per capire meglio questi concetti partiamo da un’equazione chimica bilanciata, come l’ossidazione del propano con formazione di monossido di carbonio e acqua, vista nella pagina precedente:
2 C3H8 + 7 O2 –> 6 CO + 8 H2O
2 molecole 7 molecole 6 molecole 8 molecole
Come in ogni equazione algebrica, i rapporti fra reagenti e prodotti non cambiano se moltiplichiamo tutti i coefficienti per uno stesso numero. Il numero prescelto è il numero di Avogadro, che ci consente di operare un passaggio dalla scala microscopica, riferita alle molecole, a quella macroscopica, riferita alle moli e quindi alle masse in grammi. Usando questa conversione i rapporti diventano:
2 moli di C3H8 = 88.194 g
7 moli di O2 = 223.99 g
6 moli di CO = 168.06 g
8 moli di H2O = 144.12 g
Cioè 88.194 g di C3H8 reagiscono con 223.99 g di O2 per dare 168.06 g di CO e 144.12 g di H2O
Calcoli Stechiometrici
Reagente Limitante, caso generale
L’esempio mostrato in precedenza indica la strada attraverso la quale, in una determinata reazione, se si dispone di una quantità prefissata di un reagente, si può calcolare la massa di un altro reagente, che si suppone sia disponibile in quantità illimitata. Ma che succede quando abbiamo a disposizione quantità definite di entrambi i reagenti? Il procedimento logico che seguiamo è del tutto analogo a quello di qualsiasi operazione di assemblaggio di più oggetti, indipendentemente dalla chimica. Per illustrarlo nel caso generale prendiamo proprio spunto dall’operazione indicata nelle immagini a lato. Supponiamo di dover spedire degli inviti per una festa ai nostri amici. In ogni busta dovremo sistemare un biglietto. Abbiamo a disposizione 10 buste e 12 cartoncini di invito. Quanti inviti (composti da busta e cartoncino) riusciremo a spedire? Questo calcolo è estremamente semplice, e ciascuno immediatamente riconosce che la risposta è 10, perché le buste sono in difetto. Quando avremo completato 10 inviti, le buste saranno esaurite. Resteranno 2 cartoncini (12-10) perché i cartoncini sono in eccesso. Supponiamo ora che in ogni busta vogliamo sistemare 4 inviti (per tutta la famiglia!). Quanti biglietti riusciremo a spedire?
Reagente limitante e Coefficienti di Reazioni
Con le buste a disposizione riusciremo a confezionare sempre 10 inviti, ma con i cartoncini solo 3 (12/4). In questo caso a limitare il numero di inviti sono i cartoncini, anche se sono in numero maggiore. Cosa è cambiato tra i due casi?
E’ cambiato il prodotto (busta e 4 cartoncini), e di conseguenza sono cambiati i rapporti secondi i quali gli oggetti di partenza (reagenti) si combinano. Nel caso illustrato in precedenza il rapporto era 1:1, in quello attuale 1:4. Quindi quando un processo (o una reazione) richiede l’intervento di diversi componenti per formare un prodotto, dobbiamo tenere conto anche di questo aspetto. In altri termini, il componente (reagente) che limita la quantità di prodotto che si può ottenere non è necessariamente quello che in assoluto è presente in quantità minore, ma quello che è presente in quantità minore rispetto al processo che stiamo considerando. Se il prodotto è una busta contenente 4 biglietti, i biglietti dovranno essere almeno il quadruplo delle buste, altrimenti saranno in difetto.
Per complicarci un po’ la vita, si può ora immaginare di dover anche affrancare gli inviti, avendo a disposizione 5 francobolli, e avendo anche stabilito che bastano due inviti per ogni busta. Riepilogando: con 10 buste, 12 cartoncini e cinque francobolli, quanti inviti affrancati si possono spedire? La risposta nel file allegato, dove vengono presentati alcuni esercizi di chimica basati sulla identificazione del reagente limitante, un concetto di fondamentale importanze per i calcoli stechiometrici.
Le lezioni del Corso
1. La Materia e le sue Trasformazioni
2. Struttura Atomica della Materia
3. Formule e Nomenclatura dei Composti Chimici
4. La Mole
5. Reazioni Chimiche e Stechiometria
16. Velocità delle Reazioni Chimiche
18. Acidi e Basi
20. Titolazione
I materiali di supporto della lezione
Alcune figure utilizzate sono state prese da:
General Chemistry, Principles and Modern Applications, Petrucci, R.H., Harwood, W.S. and Herring, F.G., Pearson Education (http://cwx.prenhall.com/petrucci/)
