Appunti completi di Chimica - Parte 2

P X

All’equilibrio termico:

Quindi l’entalpia, nella è il calore sviluppato o assorbito a pressione costante per

definizione di Hess,

qualunque trasformazione chimica è lo stesso indipendentemente dal cammino seguito nel compiere la

trasformazione stessa.

Di conseguenza:

A T = 298.15 K:

Per cui:

Sono funzione di stato:

Dove : =( )+( )

∆ ∆ ∆

Dove: =( )+( )

∆ ∆ ∆

Esercizi d’esame

La legge di Kirchhoff ∆HR

La legge di Kirchhoff esprime come varia il di reazione al variare della temperatura a cui essa

avviene.

Il calore specifico a pressione costante è dato da:

Se ∆T è molto grande il rapporto ∆H/∆T non è più lineare poiché per facilità si utilizzerà:

Differenziando rispetto a T avremo:

(QUESTA DIMOSTRAZIONE NON LA CHIEDE ALL’ESAME)

13 – Reazioni

Le reazioni chimiche: generalità

La chimica si interessa delle trasformazioni della materia, che tramite il linguaggio chimico vengono

rappresentate dalle reazioni o equazioni chimiche. Queste ultime sono un modo convenzionale di

comunicare che prevede delle sostanze di partenza (reagenti) e di arrivo (prodotti) descritte con le regole di

nomenclatura viste precedentemente. I reagenti sono separati dei prodotti dal segno quando essi si

trasformano completamente; e dal simbolo quando tra reagenti e prodotti si instaura un equilibrio.

La reattività chimica dipende anche dallo stato fisico della materia che deve essere specificato e quindi le

formule dei reagenti e dei prodotti indicano spesso se le sostanze si trovano allo stato liquido, gassoso o

solido. Per esempio, il simbolo Na(s) indica che il sodio si trova allo stato solido, analogamente il simbolo

H O(l) che l'acqua è allo stato liquido e HCl(g) che il cloruro di idrogeno è allo stato gassoso.

2

Molte reazioni avvengono in presenza d'acqua (soluzioni acquose), tale circostanza è abbastanza comune e

per indicare che le sostanze si trovano nello stato acquoso (che non è uno stato di aggregazione) si pone a

pedice della formula o al suo fianco il simbolo (aq). Quindi HCl(aq) indica che il cloruro di idrogeno si trova

nello stato acquoso e si può anche dire che HCl è in soluzione acquosa.

Le sostanze in cui è presente un legame ionico o covalente polare, poste a contatto con altre sostanze polari

come l'acqua o gli alcoli che fungono da solvente, si ionizzano in maniera totale o parziale. Esse vengono

chiamate elettroliti forti o deboli a seconda che si ionizzano completamente o parzialmente ed in

quest’ultimo caso sono presenti in acqua sia sotto forma molecolare che ionica. Un esempio di elettrolita

(aq)+ (aq)-

e Cl .

forte è il cloruro di sodio NaCl che in acqua si trova sotto forma di ioni Na

Le sostanze invece, che in presenza di solventi polari o non polari restano sotto forma molecolare sono dette

non elettroliti. Un esempio di queste ultime è il glucosio C H O che in acqua è presente sotto forma

6 12 6

H O (aq).

molecolare e per indicare ciò si scrive C

6 12 6

Generalmente i pedici in questi casi specifici vengono omessi sottintendendo la presenza dell'acqua, mentre

i simboli (l), (s) e (g) si usano solo se esiste ambiguità.

Le trasformazioni della materia rappresentate dalle reazioni chimiche rispettano la legge di Lavoisier o della

conservazione della massa che può essere espressa anche nei due modi seguenti:

• “Gli atomi di un elemento presente tra i reagenti devono essere in numero uguale a quelli presenti tra i

prodotti”;

• Nel caso in cui la reazione coinvolga degli ioni: “La carica elettrica dei reagenti deve essere mantenuta

nei prodotti”.

Da queste osservazioni deriva la necessità di eseguire un operazione detta bilanciamento che consiste nel

porre dinanzi le formule dei reagenti e dei prodotti dei numeri chiamati coefficienti stechiometrici. Questi

indicano quante moli (molecole, atomi o ioni) di una data sostanza sono necessarie (se si tratta di un

reagente) o sono formate (se si tratta di un prodotto).

In una reazione i coefficienti stechiometrici indicano quindi i rapporti di reazione tra prodotti e reagenti e

sono sempre i numeri interi più piccoli possibili tra quelli rappresentanti una stessa serie di rapporti.

Molte proprietà delle sostanze sono legate alla struttura elettronica degli atomi che le costituiscono ed una

modifica più o meno profonda di quest'ultima dà luogo alla formazione di nuovi composti cioè alla

trasformazione della materia. Le reazioni chimiche in cui si ha una modifica della struttura elettronica delle

specie che vi partecipano, dovuta al verificarsi di fenomeni di ossidazione e di riduzione sono dette reazioni

redox mentre quelle in cui non vi è nessuna (o una leggera) modifica della struttura elettronica, sono le

cosiddette reazioni acido-base, quelle di doppio scambio o quelle di precipitazione.

Tutte queste tipologie di reazione devono essere bilanciate per poter essere utilizzate da un punto di vista

quantitativo. Quando è coinvolto un numero limitato di sostanze il bilanciamento si fa per tentativi, mentre

per reazioni più complesse di tipo redox, è necessario servirsi di un metodo basato sulla variazione dei n.o.

dei reagenti e dei prodotti.

Numero di ossidazione

In passato, la capacità di un certo elemento di reagire formando composti veniva generalmente chiamata

“valenza”, determinata considerando il numero di legami che esso poteva formare con atomi di idrogeno.

O si diceva che avesse valenza 2 mentre all’idrogeno si attribuiva valenza 1.

Per esempio, l'ossigeno nell’ H

2

Il concetto di valenza non si usa più e al suo posto è subentrato il concetto di numero di ossidazione (n.o.)

che è legato alla struttura elettronica della specie considerata. Il numero di ossidazione di ogni elemento è

positivo quando quest'ultimo ha ceduto elettroni, è negativo quando ha acquistato elettroni mentre è 0 se

non ha né acquistato né ceduto elettroni. Il n.o. corrisponde ad una reale cessione o acquisto di elettroni solo

per quegli elementi che formano composti in cui sono presenti legami ionici, in cui cioè sono presenti ioni.

Nei composti in cui sono presenti legami covalenti è utile la convenzione di attribuire il doppietto elettronico

costituente il legame all'elemento più elettronegativo. Ogni doppietto assegnato contribuisce con -1 al

numero di ossidazione dell'elemento, ogni doppietto ceduto con +1. Il n.o. non corrisponde in questi casi agli

elettroni realmente ceduti o acquistati, ma esso è solo un numero formale.

Da questa convenzione e dalla definizione di numero di ossidazione si possono ricavare delle regole che

permettono di calcolare il n.o. degli elementi nei vari composti. Le più importanti sono:

• Il n.o. dei vari elementi allo stato elementare metallico o molecolare è uguale a 0. Quindi Na, Ca, Ag, Al

ecc. o il Cl in Cl , il P in P , l’O in O e O ecc. hanno tutti n.o. uguale a 0.

2 4 2 3

• Il n.o. del F, tranne in F , dove è uguale a 0, è sempre pari a -1.

2

• Il n.o. degli elementi dei gruppi I A e II A è sempre uguale rispettivamente a +1 e +2, tranne quando si

trovano allo stato elementare metallico.

• , è uguale a +1 quando l’H è legato ad elementi più

Il n.o. dell’H, oltre ad essere uguale a 0 in H

2

elettronegativi, come ad esempio in HCl ed in H O, mentre è uguale a -1 quando l’elemento a cui l’H è

2 .

legato risulta meno elettronegativo, come in NaH o in CaH

2

• Il n.o. dell’O, oltre che essere uguale a 0 in O e O , è sempre uguale a -2 in tutti gli ossidi e derivati come

2 3

ad esempio Li O, BaO, LiOH, ecc., a -1 nei perossidi come ad esempio H O , BaO , ecc. e a -1/2 nei

2 2 2 2

superossidi, come per esempio KO , NaO , ecc. Infine, è uguale a +2 in OF poiché F è l’unico elemento

2 2 2

che ha elettronegatività superiore all’ossigeno.

• La somma dei n.o. degli elementi che costituiscono un composto neutro è zero, mentre per uno ione è

uguale alla sua carica.

• In una reazione chimica, la somma dei n.o. di tutti i partecipanti deve essere necessariamente zero.

Quest'ultima regola permette di bilanciare le reazioni dette di ossido-riduzione in cui avvengono processi di

acquisto e di cessione di elettroni. Il fenomeno che riguarda l'acquisto di uno o più elettroni si chiama

riduzione e comporta una diminuzione del n.o. della specie che si riduce. Il fenomeno invece che comporta

la cessione di uno o più elettroni si chiama ossidazione e ha come conseguenza un aumento del n.o. della

specie che si ossida. La riduzione e l’ossidazione sono fenomeni che avvengono nello stesso tempo ed il

numero degli elettroni acquistati è uguale a quello degli elettroni ceduti.

Nomenclatura

Quando si ha a che fare con un composto è necessario dargli un nome e rappresentarne la composizione

atomica (formula). Da diversi anni, un organismo internazionale, la IUPAC suggerisce di utilizzare delle regole

tramite le quali una certa formula ed un certo nome risultino comprensibili in tutto il mondo. La

Nomenclatura tradizionale utilizza diversi suffissi e prefissi per descrivere le caratteristiche chimiche delle

diverse molecole; a differenza della Nomenclatura IUPAC, che invece descrive la molecola sulla base della

sua composizione in atomi, ovvero rispecchia la formula bruta, evidenziando il numero di atomi o di

raggruppamenti di atomi presenti in una molecola. Questo avviene tramite opportuni prefissi moltiplicativi,

come ad esempio: 1-mono, 2-di, 3-tri, 4-tetra, 5-penta, 6-esa, 7- epta, 8-octa, ecc.

I composti più semplici chiamati binari, sono formati da due elementi che possono essere metallici e non

metallici. Per convenzione, l’elemento con elettronegatività minore (n.o. positivo) viene scritto per primo

mentre l’elemento più elettronegativo per secondo. Il simbolo di ciascun elemento chimico è seguito da un

numero a pedice, detto indice, che indica quanti atomi dell’elemento sono presenti nel composto. Gli indici

sono posti in modo tale che, sommando i rispettivi numeri di ossidazione, la molecola risulti neutra.

Secondo la nomenclatura IUPAC vengono suddivisi in gruppi di molecole che contengono l’ossigeno (ossidi),

e molecole che non lo contengono. Per descrivere le molecole contenenti l’ossigeno, la parola ossido è

seguita dalla preposizione e dal nome dell’altro elemento: Ossido + di +

di elemento ossidato

Vengono utilizzati i prefissi numerici di origine greca (mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, esa-, epta-) per

identificare il numero degli atomi di ogni elemento presente nella molecola.

Per le molecole