Le reazioni chimiche e la stechiometria

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Le reazioni chimiche
e la stechiometria
In questo capitolo
■ conosceremo
le convenzioni utilizzate per descrivere le reazioni chimiche dal punto di
vista qualitativo e quantitativo.
■ impareremo ad utilizzare il concetto di mole per calcolare le masse delle sostanze che prendono parte ad una reazione chimica.
■ distingueremo le reazioni in esotermiche ed endotermiche.
5.1
Che cosa è una reazione chimica?
Abbiamo imparato che i fenomeni fisici non determinano un cambiamento nella
composizione della materia. Nelle trasformazioni e nelle rezioni chimiche avviene
invece un cambiamento intimo della materia.
Le reazioni chimiche
trasformano
la composizione
della materia
Una reazione chimica è la trasformazione di una o più sostanze in altre
sostanze, diverse da quelle iniziali.
Le sostanze iniziali, che subiscono la trasformazione, sono chiamate reagenti;
le sostanze finali vengono chiamate prodotti.
Una reazione si può manifestare attraverso diversi fenomeni osservabili, come il
cambiamento di colore di una soluzione, la formazione di una sostanza solida, lo sviluppo di un gas sotto forma di bollicine, ecc. ■ FIGURA 5.1.
■ FIGURA 5.1
Effetti di
due reazioni
chimiche
Reazione
ad effetto
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Mescolando due soluzioni acquose incolori, una di nitrato di piombo, Pb(NO3)2, l’altra di ioduro di potassio, KI, si
provoca la formazione di ioduro di piombo, PbI2, sostanza solida di colore giallo.
■ T1 – La materia e le sue proprietà
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Le domande della chimica
Basta una
compressa di
bicarbonato di
sodio e acido
citrico sciolta in
un bicchiere di
acqua calda per
ottenere un
antiacido ad
azione rapida.
Che tipo di reazione
chimica avviene nel
bicchiere?
Come si può
rappresentare?
Quale composizione
hanno le bollicine che
si liberano dalla
soluzione?
Versando sulla polvere di marmo, carbonato di calcio (CaCO3), una soluzione di acido cloridrico HCl, si provoca la
decomposizione del carbonato di calcio e la formazione di bollicine di anidride carbonica, CO2.
Foto
QUIZ
Le reazioni chimiche sono responsabili
di molti fenomeni, ad esempio la formazione di ruggine o la combustione della
benzina nei motori delle automobili.
Anche il metabolismo degli esseri viventi
si basa su lunghe catene di reazioni chimiche più o meno complesse. Si fonda su
reazioni chimiche anche la produzione industriale delle innumerevoli sostanze che
fanno parte della nostra vita quotidiana.
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Gli oggetti in argento sono molto decorativi ma richiedono periodiche cure
perché non perdano la loro lucentezza.
Se dimentichiamo di pulirla, l’argenteria
si ricopre di una patina nerastra: quale
fenomeno è avvenuto sulla superficie
degli oggetti?
Per scrivere una reazione chimica, o
meglio, per rappresentarla con simboli
convenzionali, è importante sapere che
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in una reazione chimica, gli atomi dei reagenti si ricombinano tra di loro e danno origine a sostanze finali diverse, i prodotti. Secondo la teoria atomica, gli atomi mantengono la propria identità e il proprio numero nel corso della reazione.
Come esempio di reazione chimica consideriamo la combustione del metano, il
gas che ogni giorno brucia nei fornelli della cucina. La reazione si scrive:
CH4 + O2 ——→ CO2 + H2O
e si legge nel modo seguente: il metano reagisce con l’ossigeno e i prodotti della reazione sono anidride carbonica e acqua. Questo modo di rappresentare la reazione
è chiamato equazione della reazione. Le reazioni sono scritte indicando a sinistra
della freccia i reagenti e a destra della freccia i prodotti.
Il bilanciamento delle reazioni
5.2
Riprendiamo in esame la reazione di combustione del metano:
Le reazioni
chimiche devono
essere bilanciate
+
CH4
O2
——→
CO2
+
H2O
H
H
C
H
O
O
O
C
O
O
H
H
H
Se contiamo gli atomi prima e dopo la reazione, notiamo che:
■ gli atomi di H sono 4 nei reagenti e 2 nei prodotti
■ gli atomi di O sono 2 nei reagenti e 3 nei prodotti
■ l’atomo di carbonio è 1 nei reagenti e 1 nei prodotti
Questi dati contraddicono sia la legge della conservazione della massa di Lavoisier sia la teoria atomica di Dalton: si dice che la reazione non è bilanciata. Che cosa
significa questa espressione?
Per avere informazioni di tipo quantitativo da una reazione, l’equazione di reazione deve essere bilanciata, cioè scritta in modo che, per ciascun elemento, il numero di atomi nei reagenti sia uguale a quello nei prodotti.
Come si bilancia
una reazione?
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Bilanciare una reazione significa individuare adeguati coefficienti numerici da
scrivere davanti alle formule, per avere lo stesso numero di atomi di ogni elemento
nei reagenti e nei prodotti.
Per bilanciare una reazione è utile seguire alcuni criteri :
■ gli elementi vanno bilanciati uno per volta
■ il numero di atomi presenti nei reagenti deve essere confrontato con il numero di
atomi presenti nei prodotti.
Occorre inoltre ricordare che un coefficiente posto davanti ad una formula moltiplica tutti gli atomi contenuti nella formula.
Per il bilanciamento della reazione di combustione del metano, e in generale per
■ T1 – La materia e le sue proprietà
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tutte le reazioni di combustione dei composti di carbonio e idrogeno, conviene partire dal carbonio.
Nella reazione presa come esempio è presente 1 atomo di carbonio sia nei reagenti sia nei prodotti, quindi il carbonio è già bilanciato:
CH4 + O2 ——→ CO2 + H2O
Come si bilanciano
le reazioni
chimiche
Passiamo all’idrogeno; gli atomi di H sono in numero doppio nei reagenti rispetto
ai prodotti, quindi occorre moltiplicare per 2 la molecola dell’acqua:
CH4 + O2 ——→ CO2 + 2 H2O
Rimane da bilanciare l’ossigeno; nei prodotti c’è un numero doppio di atomi di
O rispetto ai reagenti, quindi occorre moltiplicare per 2 la molecola di O2:
CH4 + 2 O2 ——→ CO2 + 2 H2O
In seguito a queste operazioni la reazione risulta bilanciata.
L’equazione bilanciata si legge: “Quando una molecola di metano reagisce con due
molecole di ossigeno, si formano una molecola di anidride carbonica e due molecole
d’acqua”.
Se una sostanza interviene nella reazione con una sola molecola, il coefficiente 1
non viene scritto. I coefficienti interi scritti prima di ogni formula sono chiamati coefficienti di reazione o coefficienti stechiometrici e rappresentano il rapporto con
cui le molecole delle varie sostanze partecipano alla reazione.
esercizi con la bussola
Bilancia la reazione tra lo ioduro di potassio, KI, ed il nitrato di piombo, Pb(NO3)2; la reazione dà
come prodotti ioduro di piombo, PbI2 e nitrato di potassio, KNO3:
La bussola
Pb(NO3)2 + KI ——→ PbI2 + KNO3
Bilancia la reazione prendendo in considerazione elemento per elemento:
■ gli atomi di piombo, Pb, sono già bilanciati: 1 atomo tra i reagenti e 1 tra i prodotti;
■ gli atomi di azoto, N, sono 2 tra i reagenti e 1 tra i prodotti; si possono uguagliare le due quantità
anteponendo il coefficiente 2 alla formula del nitrato di potassio KNO3:
Pb(NO3)2 + KI ——→ PbI2 + 2 KNO3
■
■
con il bilanciamento dell’azoto si è bilanciato anche l’ossigeno: 6 atomi tra i reagenti e 6 tra i prodotti;
gli atomi di potassio, K, sono 2 tra i prodotti e 1 solo tra i reagenti; è sufficiente anteporre il coefficiente 2 alla formula dello ioduro di potassio, KI:
Pb(NO3)2 + 2 KI ——→ PbI2 + 2 KNO3
■ Capitolo 5 – Le reazioni chimiche e la stechiometria
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