Numero di Avogadro e Reazioni chimiche

In questo appunto si procede a presentare il principio di Avogadro e la costante di Avogadro. Seguendo verranno posti i concetti fondamentali di base per quanto concerne le reazioni chimiche.

La materia

La chimica è la scienza che si occupa delle proprietà della materia e in particolare delle trasformazioni che la riguardano.

Ma cos’è la materia? La materia è tutto ciò che ci circonda, che possiede una massa e occupa uno spazio: l’acqua, il tavolo, l’aria contenuta in una stanza o in un pallone.
La massa è la quantità di materia posseduta da un corpo ed è misurabile con la bilancia. Il peso invece è una forza. Quando pesiamo un corpo non misuriamo la sua massa ma la forza con la quale esso viene attratto dalla Terra. Anche se entrambe presentano la stessa unità di misura, il peso dipende dall’accelerazione di gravità g. Pertanto mentre un corpo in qualsiasi punto dell’Universo possiede la stessa massa non si può dire lo stesso per il peso. Sulla Luna, l’accelerazione di gravità è minore rispetto a quella che c’è sulla Terra, pertanto anche il peso è minore. Ad esempio, un astronauta sulla Terra pesa 60 Kg, sulla Luna peserà circa 10 Kg, in quanto sulla Luna l’accelerazione di gravità è 1/6 rispetto a quella della Terra (g=9,8 m/s2), ma la sua massa non è cambiata.
La materia è costituita da particelle (atomi, molecole, ioni) tenute insieme da una forza detta forza di coesione che può essere forte o debole a seconda dello stato di aggregazione della materia, che può essere solido, liquido o gassoso.
Attraverso la somministrazione o la sottrazione di energia termica abbiamo cambiamenti dello stato della materia che non comportano però cambiamenti di natura chimica.
La chimica è una scienza sperimentale e richiede la misurazione dei fenomeni osservati utilizzando unità di misura appropriate. Le grandezze sono delle proprietà che si possono misurare prendendo come riferimento una grandezza campione ovvero l’unità di misura.
Possono essere fondamentali o derivate: quelle fondamentali sono indipendenti da altre grandezze, come la lunghezza, la massa, la temperatura; quelle derivate dipendono da altre grandezze come la velocità che si misura come spazio/tempo, cioè dipende sia dallo spazio che dal tempo.
La Conferenza Internazionale dei Pesi e delle Misure, ha stabilito le unità di misura di sette grandezze fondamentali che sono riportate nel Sistema Internazionale (S.I.), da queste è possibile ottenere le unità di misura di tutte le altre grandezze:
Di seguito vengono approfondite solo alcune delle grandezze fondamentali e derivate, quelle maggiormente utilizzate dai chimici.

Principio e Numero di Avogadro

I concetti relativi al numero di Avogadro sono essenziali da comprendere quando si parla di che cosa la materia è costituita.
Sappiamo che una mole di una sostanza solida o liquida ha un volume che cambia da sostanza a sostanza; però nei gas accade che nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, una mole di qualsiasi gas occupa sempre lo stesso volume. Ciò significa che il volume di un gas non dipende dalla natura del gas, ma dal numero di moli presenti. Sappiamo anche che una mole di qualsiasi sostanza contiene lo stesso numero di molecole, da ciò possiamo dire che:
Volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, contengono lo stesso numero di molecole. Tale affermazione è nota come Principio di Avogadro.
Fu infatti Amedeo Avogadro, dopo aver misurato il volume di gas a diverse temperature e a varie pressioni, a giungere alla definizione del principio di Avogadro e del Numero di Avogadro e alla conclusione che:
Una mole di gas alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atmosfera occupa sempre 22,4 litri, qualunque sia la natura del gas.
Oggi con le unità del Sistema Internazionale di Misura si dice che, in condizioni termodinamiche standard, cioè alla pressione di:

e alla temperatura di 273° Kelvin, una mole di gas, qualunque sia la sua natura, ha un volume pari a 0,024 m3.

Esempio calcolo numero di molecole

Il calcolo è semplice. Sappiamo che:
N = Massa di una mole di H/Massa di una molecola di H = N° molecole contenute in una mole di H.
Sostituendo con la massa dell’atomo di H:

Il numero N è il Numero di Avogadro.
Allora si ha una nuova definizione di mole:
Mole è la quantità di sostanza che contiene

particelle.

Reazioni chimiche

In una reazione chimica gli atomi delle sostanze che reagiscono, si ricombinano fra loro formando nuove sostanze e scambiando energia Le sostanze presenti all'inizio della reazione si chiamano reagenti , si trasformano in altre sostanze, con caratteristiche differenti chiamate prodotti.
Dalla legge di Lavoisier sappiamo che in una reazione chimica nulla si crea e nulla si distrugge. Questo principio è chiamato anche « legge di conservazione della massa » ed implica che in una equazione di reazione la massa totale degli atomi presenti nei reagenti deve essere uguale alla massa totale degli atomi presenti nei prodotti di reazione chimiche.
Le reazioni chimiche vengono rappresentate da equazioni chimiche:

Dove A e B sono i reagenti → a sinistra dell’equazione.
Dove C e D sono i prodotti → a destra dell’equazione.
Dove a,b,c,d sono i coefficienti stechiometrici.

I coefficienti stechiometrici bilanciano le reazioni: sono numeri opportunamente introdotti per mantenere, per ciascuna specie, l’uguaglianza tra il numero di atomi dei reagenti e dei prodotti bilanciamento.
Il simbolo → indica che i reagenti si trasformano irreversibilmente nei prodotti.
Se la reazione è reversibile si usa il simbolo.
Per scrivere una equazione di reazione:

• 1. si stabilisce quali sono reagenti e prodotti;
• 2. si scrivono le formule esatte dei reagenti e dei prodotti;
• 3. si bilancia la reazione ponendo davanti alle molecole gli opportuni coefficienti stechiometrici fino al raggiungimento dell’uguaglianza degli atomi in gioco.

I calcoli stechiometrici

In una reazione chimica conoscendo la quantità di una specie è possibile calcolare la quantità di un’altra specie in gioco, seguendo i seguenti passaggi:

• 1. scrivere e bilanciare l’equazione di reazione;
• 2. determinare le masse molari delle sostanze coinvolte;
• 3. trasformare in moli i grammi o i litri delle sostanze di cui si conosce la massa o il volume;
• 4. utilizzare i coefficienti stechiometrici per determinare, tramite una proporzione, le moli delle sostanze richieste;
• 5. trasformare le moli in grammi o in litri.

Reagente limitante e in eccesso

Quando in una reazione le quantità dei reagenti non rispettano il rapporto stechiometrico, si è in presenza di un reagente limitante se in quantità inferiore a quella imposta dalla reazione stechiometrica o di un reagente in eccesso se in quantità superiore rispetto alla quantità prevista dal rapporto stechiometrico.
La quantità di prodotto che si forma dipende dalla quantità di reagente limitante e reagente in eccesso.