Reazioni chimiche e stechiometria

Reazioni chimiche e stechiometria

La stechiometria si occupa della determinazione delle quantità delle sostanze che partecipano alle reazioni chimiche.

Le trasformazioni della materia

Trasformazione fisica implica cambiamenti nelle proprietà fisiche (densità, dimensione, forma) o nello stato di aggregazione della materia; non è accompagnata da una variazione della composizione chimica.

Trasformazione chimica implica cambiamenti nella composizione chimica della materia in quanto le sostanze interagiscono tra di loro per formare sostanze con proprietà e composizioni differenti da quelle di partenza.

Reazioni chimiche

Processo in cui delle specie chimiche A e B, dette reagenti, si trasformano, interagendo, in specie diverse C, D, …, dette prodotti.

Reagenti Prodotti

2HNO_3(aq) + 3H₂S_(g) → 3S_(s) + 2NO_(g) + 4H₂O_(aq)

Tale equazione chimica fornisce informazioni sulla natura dei reagenti e dei prodotti; sullo stato di aggregazione delle sostanze che partecipano alla reazione; e sul rapporto fra le specie che partecipano alla reazione, espresso dai coefficienti stechiometrici.

Legge della conservazione della materia

Lavoisier affermò che la materia non può essere né creata né distrutta. La massa totale dei reagenti è uguale alla massa totale dei prodotti.

3Ca(NO₃)_2(aq) + 2Na₃PO_4(aq) → Ca₃(PO₄)_2(s) + 6NaNO_3(aq)

La reazione bilanciata mi dice:

• Rapporti a livello molecolare (rapporti fra molecole o unità formula);
• I reagenti reagiscono nel rapporto 3:2 e danno prodotti nel rapporto 1:6

Rapporto molare

• Da 3 mol di Ca(NO₃)₂ e 2 mol di Na₃PO₄ ottengo 1 mol di Ca₃(PO₄)₂ e 6 mol di NaNO₃
• Da 492.27g di Ca(NO₃)₂ e 327.88g di Na₃PO₄ ottengo 310.18g di Ca₃(PO₄)₂ e 509.97g di NaNO₃
• 820.15g di reagenti = 820.15g di prodotti

Il bilanciamento delle equazioni garantisce che in entrambi i membri sia presente lo stesso numero di atomi di ciascun elemento.

Combustione

Combustione cioè la combinazione di un combustibile con l'ossigeno, è accompagnata da sviluppo di energia. In tutte le reazioni di combustione, alcuni o tutti gli elementi dei reagenti danno luogo ad ossidi (composti che contengono O). Quando il reagente è un idrocarburo (contiene solo C e H), i prodotti della combustione completa sono sempre ed esclusivamente biossido di carbonio e acqua.

Bilanciamento

Trovare i coefficienti stechiometrici in modo che, alla fine, siano rispettati:

• Bilanciamento delle masse: il numero di specie atomiche di ciascun tipo a sx sia pari a quello a dx dell'equazione di reazione.
• Bilanciamento delle cariche: il numero di cariche positive o negative a sx sia pari a quello a dx dell'equazione di reazione.

Bilanciamento a vista

Il bilanciamento di una reazione prevede due tappe fondamentali:

• Si scrive l’equazione non bilanciata;
• Si modificano, se necessario, i coefficienti in modo da ottenere lo stesso numero di atomi di ciascun tipo da entrambi i lati dell’equazione.

Indicazioni

• Bilanciare per primi gli elementi diversi da H e da O che fanno parte di composti;
• Bilanciare nel loro insieme gli ioni poliatomici che appaiono inalterati da entrambi i lati;
• Bilanciare separatamente gli elementi che compaiono come sostanze semplici;

Equilibrio chimico

Le reazioni chimiche sono reversibili e molte reazioni portano a una parziale trasformazione dei reagenti in prodotti. Ad un certo momento la velocità della reazione diretta (sintesi) uguaglierà quella della reazione inversa (decomposizione): quando si ha ciò, si dice che la reazione ha raggiunto l’equilibrio chimico. Poiché sia la reazione diretta che quella inversa continuano ad avvenire (ma ad eguale velocità) questa situazione viene definita come equilibrio dinamico.

“Quando una reazione raggiunge un equilibrio, i reagenti saranno trasformati quasi completamente in prodotti o rimarranno per la maggior parte inalterati?” dipende dalla natura dei composti coinvolti, dalla temperatura e da altri fattori. È utile definire le reazioni che favoriscono i prodotti come le reazioni nelle quali all’equilibrio i reagenti sono trasformati completamente, o quasi, in prodotti. La reazione che favorisce i reagenti, porta alla trasformazione in prodotti soltanto di una piccola parte dei reagenti.

Reazioni chimiche in soluzione acquosa

Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze: una è, generalmente, considerata il solvente, cioè il mezzo in cui è disciolto il soluto. Quando parliamo di reazioni chimiche in soluzione acquosa, vuol dire che il solvente è rappresentato dall’acqua. Tali reazioni verranno classificate in 4 categorie principali: reazioni di precipitazione, acido-base, che sviluppano gas e di ossido-riduzione.

La reazione: 2KMnO_4(aq) +10KCl_(aq) +8H₂SO_4(aq) → 2MnSO_4(aq) +5Cl_2(g) +6K₂SO_4(aq) +8H₂O_(l)

Avviene in acqua; in queste condizioni i reagenti e prodotti possono essere dissociati in ioni. La dissoluzione di un solido ionico richiede la separazione di ciascuno ione da quelli di carica opposta che lo circondano nel solido. L’acqua è un buon solvente per i composti ionici, perché ciascuna molecola d’acqua possiede un’estremità carica positivamente ed una negativamente. Quando un composto ionico si scioglie in acqua, ciascuno ione negativo viene circondato da molecole d’acqua che dirigono verso di esso le estremità positive, e ciascuno ione positivo viene circondato da molecole d’acqua che dirigono verso di esso l’estremità negativa.

Gli ioni circondati da molecole di acqua, ottenuti per dissoluzione di un composto ionico, sono liberi di muoversi nella soluzione. In condizioni normali, il moto è casuale e gli anioni e cationi che derivano dal composto ionico disciolto in acqua sono distribuiti uniformemente nella soluzione. Tuttavia, se nella soluzione sono introdotti due elettrodi (ossia due conduttori di elettricità) e questi vengono collegati ad un generatore di corrente continua, il movimento degli ioni non è più casuale. I cationi positivi si muovono nella soluzione dirigendosi verso l’elettrodo negativo e gli anioni negativi si muovono verso l’elettrodo positivo. I composti le cui soluzioni acquose conducono elettricità sono chiamati elettroliti. Tutti i composti ionici solubili in acqua sono elettroliti.

Elettroliti

A seconda dell’entità della dissociazione, le sostanze possono dividersi in:

• Elettroliti forti (completamente dissociati)
  • Acidi forti (HCl, H₂SO₄, HClO₄, …)
  • Basi forti (NaOH, Ca(OH)₂, …)
  • Sali (NaCl, K₂SO₄)
• Elettroliti deboli (parzialmente dissociati)
  • Acidi deboli (CH₃COOH, H₂S, HCN, …)
  • Basi deboli (NH₃, RNH₂, …)
• Non elettroliti (non dissociati)
  • Composti non ionici (Cl₂O, acqua, sostanze organiche, …)

Equazione in forma ionica

La reazione: 2KMnO_4(aq) +10KCl_(aq) +8H₂SO_4(aq) +5Cl_2(g) +6K₂SO_4(aq) +8H₂O_(l)

Si scrive (equazione in forma ionica):

• 2MnO_4^-(aq) + 10Cl_^-(aq) +...