Appunti chimica: reazioni chimiche

Considerazioni su reazioni chimiche, equazioni chimiche e calcolo stechiometrico

Una equazione chimica descrive in forma qualitativa e quantitativa una corrispondente reazione chimica. Questo significa che:

• Non ha senso scrivere un’equazione chimica che non corrisponde ad una reazione in grado di avvenire.
• Di norma si traduce in una equazione una reazione chimica, non una trasformazione fisica, quale un passaggio di stato o una dissoluzione.

In realtà, a quanto detto qui sopra al punto ii) troveremo nel corso qualche apparente eccezione. Talvolta, in termodinamica capiterà di scrivere un processo del tipo H₂O(s) → H₂O(l) (fusione) per discuterne gli aspetti energetici. Più in là, parlando di elettroliti poco solubili, scriveremo l’equazione che esprime l’instaurarsi di un equilibrio eterogeneo tra il solido indisciolto (corpo di fondo) e gli ioni solvatati passati in soluzione: es. AgCl(s) ↔ Ag⁺(aq) + Cl^-(aq).

Se, e per quale entità, una reazione può avvenire, è in genere prevedibile solo sulla base di conoscenze teoriche termodinamiche o di esperienze dirette in un laboratorio. Soprattutto all’inizio di un corso introduttivo alla Chimica come il nostro, ciò non è ancora possibile. Quindi, di norma non verrà richiesto, dati alcuni reagenti, di scrivere i prodotti da essi ottenibili, se non per alcuni casi ripetutamente incontrati o che corrispondano a conoscenze generali che non possono essere ignorate.

Ad esempio una sostanza organica bruciata, in condizioni ambiente, con un eccesso di ossigeno (reazione di combustione) produce anidride carbonica e acqua (cioè i due ossidi più stabili in condizioni normali del carbonio e dell’idrogeno); ancora un acido e una base reagiscono tra loro per dare il corrispondente sale ed acqua etc.

Al di là di reazioni come quelle scritte sopra e di poche altre, che diverranno man mano patrimonio comune, quello che verrà richiesto sarà o di tradurre una reazione chimica descritta a parole in un’equazione e/o di bilanciare quantitativamente la stessa, una volta scritta in forma qualitativa.

Esempi

Scrivere l’equazione che descrive il processo di combustione del metano

Qualitativamente tradurremo la reazione nella seguente equazione (non bilanciata):

CH₄(g) + O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(l)

• La formula del metano deve essere nota (della sostanza avremo modo di parlare spesso nel corso); combustione significa reazione con l’ossigeno (che è presente nell’atmosfera sotto forma di molecola biatomica). I prodotti della combustione del metano, come detto, sono anidride carbonica (o diossido di carbonio) e acqua.
• Abbiamo dapprima scritto in forma corretta le formule di reagenti e prodotti e non ci siamo preoccupati di bilanciare l’equazione quantitativamente, cosa che faremo DOPO, in questo caso senza alcuna difficoltà, imponendo il principio di conservazione della massa elemento per elemento: dal numero di atomi di C e di H presenti in una molecola di metano metteremo davanti ad anidride carbonica ed acqua i coefficienti stechiometrici rispettivamente 1 e 2. A questo punto, per bilanciare O, occorrerà porre davanti a O₂ il coefficiente 2:

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)

• Spesso si preferisce, per completezza di informazione, specificare gli stati d’aggregazione di reagenti e prodotti nelle condizioni di reazione.
• L’equazione ha senso e può essere scritta perché si tratta di un processo sicuramente possibile e termodinamicamente favorito (è quella che utilizziamo quotidianamente per scaldare acqua o cuocere vivande nella nostra cucina).
• L’equazione chimica in genere non si cura di considerare gli aspetti cinetici, cioè se la reazione è istantanea e ha luogo semplicemente mescolando i prodotti, oppure se ha bisogno di essere “innescata” per poi procedere spontaneamente (come in questo caso), oppure ancora se decorre lentamente nel tempo.
• Una combustione avviene generalmente all’aria, che è una miscela che contiene vari gas, tra cui principalmente N₂ (poco coinvolto nella reazione).