Le reazioni chimiche
Si prenda una semplice reazione chimica
2H2 + O2 ® 2H2O
Scriverla in questo modo significa che:
• idrogeno ed ossigeno reagiscono tra di loro per dare acqua
come unico prodotto.
• due molecole (o moli) di H2 reagiscono con una molecola
(o mole) di O2 e che, da esse, si ottengono due molecole
(o moli) di H2O. Questo rapporto è sempre rispettato: se si
mescolano una mole di O2 con tre moli di H2, solo due moli
di H2 reagiscono, mentre la terza si ritrova inalterata alla
fine della reazione insieme a due moli di acqua.
Le reazioni chimiche
Come
conseguenza,
un’equazione
chimica
è
scritta
correttamente se:
a. sono indicati tutti i reagenti e tutti i prodotti;
b. le specie chimiche necessarie a far sì che una reazione
avvenga, ma che non subiscono trasformazioni (solventi,
catalizzatori) vengono scritte sopra la freccia;
CH2=CH2 + H2
Ni
CH3–CH3
c. i rapporti quantitativi tra i reagenti e i prodotti sono
esattamente indicati per mezzo di opportuni fattori detti
coefficienti
stechiometrici
che
devono
normalmente numeri interi i più piccoli possibile.
essere
Le reazioni chimiche
Storicamente, la prima base per lo studio quantitativo delle
reazioni chimiche fu la “legge della conservazione della
massa”, espressa nel 1789 da Lavoisier:
«la massa totale dei reagenti è uguale alla massa totale dei
prodotti»
Oggi però sappiamo che questa legge non è valida in senso
assoluto; le reazioni chimiche sono infatti accompagnate da
variazioni di energia che comportano una variazione di
massa, in accordo con la legge di Einstein.
Relazione Massa-Energia (reazioni chimiche)
c2 ´ Dm = DE
c = 3,00 ´ 108 m s–1
C + O2 ® CO2
100 kg di C forniscono 3,28 ´ 106 kJ di energia, per cui Dm =
3,64 ´ 10–8 kg
100,000000000 …. –
0,000000036 …. =
99,999999964 ….
(massa reagenti)
(variazione)
(massa prodotti)
Dm non misurabile Þ
legge conservazione massa praticamente valida
Le reazioni chimiche
La minima variazione di massa che accompagna una reazione
chimica è dovuta alla variazione di massa di ogni singolo
atomo che modifica i propri legami durante la reazione senza
comportare distruzione o creazione di atomi. Alla legge di
conservazione della massa si può pertanto sostituire la legge
della “conservazione del numero di atomi di ciascuna
specie atomica”, che è valida in senso assoluto. Il
bilanciamento delle equazioni chimiche deve perciò essere
fatto in modo tale che per ciascuna specie atomica che
compare in un’equazione, il numero totale di atomi a sinistra
della freccia sia uguale al numero totale di atomi a destra
della freccia. Anche le cariche devono essere uguali.
Relazione Massa-Energia (reazioni nucleari)
c2 ´ Dm = DE
c = 3,00 ´ 108 m s–1
235U
100 kg di
235U
+n®
142Ba
+
91Kr
+3n
forniscono 8,34 ´ 1012 kJ di energia per cui Dm
= 9,27 ´ 10–2 kg
100,000 …. –
0,093 …. =
99,907 ….
(massa reagenti)
(variazione)
(massa prodotti)
Dm misurabile Þ
legge conservazione massa sperimentalmente NON valida
Le reazioni chimiche
Le reazioni chimiche possono essere raggruppate in diverse
categorie, a seconda dei reagenti e prodotti coinvolti. Alcune
classi (non esaustive) possono essere:
• reazioni di ossido-riduzione (tra i reagenti vengono scambiati
degli elettroni);
• reazioni acido-base (tra i reagenti vengono scambiati H+);
• reazioni di salificazione (reazioni tra idrossidi e acidi,
possibile sottoinsieme della categoria precedente);
• reazioni di precipitazione (produce un composto insolubile nel
solvente
(tipicamente
acqua),
chiamato
precipitato.
reagenti sono solitamente composti ionici solubili.
I
Bilanciamento di Reazioni
TiF4 + H2SO4 ® SO3 + HF + TiO2
Determinazione dei coefficienti stechiometrici
•
Si agisce unicamente sui coefficienti stechiometrici: cambiare
specie significa cambiare reazione;
•
si bilanciano per primi gli atomi di un elemento che compare in
un solo reagente e prodotto;
•
determinati i primi coefficienti si procede di conseguenza con gli
altri per i quali il numero di atomi sia già definito da una parte
della freccia;
•
se si cambia un coefficiente già determinato bisogna moltiplicare
tutti i coefficienti già stabiliti per lo stesso fattore;
•
i coefficienti uguali ad 1 vengono omessi per semplicità;
•
la somma algebrica delle cariche dei reagenti deve essere uguale
a quella dei prodotti.
Bilanciamento di Reazioni
1 TiF4 + 2 H2SO4 → 2 SO3 + 4 HF + 1 TiO2
Ti:
F:
H:
S:
O:
→
→
→
→
→
Le reazioni chimiche
Data una reazione chimica del tipo: aA
+
bB
®
cC
+ dD
Per sapere la relazione tra reagenti consumati e prodotti che si
formano, dobbiamo scrivere uno schema relativo al bilancio
materiale composto di tre righe:
1. nella prima riga scriviamo le condizioni iniziali, cioè la quantità
di reagenti e prodotti esistenti prima che la reazione abbia
luogo. NON è detto che vi sia una relazione tra essi;
2. nella seconda riga si riporta le quantità dei reagenti che si
consumano e le quantità di prodotti che si formano. La
relazione tra queste quantità è strettamente legata ai
coefficienti stechiometrici a, b, c, d;
3.
la terza riga è infine la somma algebrica delle prime due.
Le reazioni chimiche
Come
già
detto,
se
si
conoscono
le
condizioni
iniziali
(generalmente come numero di moli; se soluzione anche come
molarità purché riferita allo stesso volume), queste vanno poste
nella prima riga delle matrice.
Per quanto riguarda la seconda riga, l’approccio cambia a
seconda che le reazioni terminino con l’esaurimento di almeno
uno dei reagenti (reazioni quantitative) oppure no (reazioni
all’equilibrio, che tratteremo più avanti). Nel primo caso occorre
individuare il cosiddetto reagente limitante (o in difetto) che è
quello che si consuma completamente nel corso della reazione.
Per questo reagente nella seconda riga occorre mettere lo stesso
numero messo nella prima ma con il segno (-).
Relazioni quantitative nelle reazioni
Se il numero di moli di A che si consumano è noto (perché, p.e., è il
reagente in difetto), le moli di reagenti che si consumano e di
prodotti che si formano possono essere calcolate dalla seguente
formula (proporzione)
massa di A
n = m/MM
massa di B
n(A)
V(sol), M
(A soluto)
n=VxM
n(B)
moli di A
n = V/22,41
V a TPS (A gas)
V, P e T(A gas)
n = PV/RT
=
n(A)
n(B)
V(sol), M
(B soluto)
moli di B
moli consumate o prodotte
Vale per la seconda riga
della matrice!
V a TPS (B gas)
V, P e T(B gas)
Individuazione del reagente limitante
Caso 1
inizio
variazione
fine
aA + bB ®
prodotti
2H2 + O2 ®
2H2O
8 mol
-8 mol
0 mol
4 mol
–4 mol
0 mol
𝑛!"
8
2
ν!
=
= 2= 2= =
𝑛#"
4
1
ν#
0 mol
+8 mol
8 mol
𝑛!" ν!
=
𝑛#" ν#
I due reagenti stanno tra loro esattamente nel rapporto
stechiometrico ed entrambi si consumano completamente
Individuazione del reagente limitante
Caso 2
inizio
variazione
fine
aA + bB ®
prodotti
2H2 + O2 ®
2H2O
13 mol
-8 mol
5 mol
4 mol
–4 mol
0 mol
𝑛!"
13
2
ν!
=
= 3,25 > 2 = =
𝑛#"
4
1
ν#
0 mol
+8 mol
8 mol
𝑛!"
ν!
>
𝑛#"
ν#
A è in eccesso e B è in difetto; B è l’agente limitante e
scompare completamente, di A ne rimane una parte
Individuazione del reagente limitante
Caso 3
inizio
variazione
fine
aA + bB ®
prodotti
2H2 + O2 ®
2H2O
6 mol
-6 mol
0 mol
4 mol
–3 mol
1 mol
𝑛!"
6
2
ν!
=
= 1,50 < 2 = =
𝑛#"
4
1
ν#
0 mol
+6 mol
6 mol
𝑛!"
ν!
<
𝑛#"
ν#
B è in eccesso e A è in difetto; A è l’agente limitante e
scompare completamente, di B ne rimane una parte.
Individuazione del reagente limitante
Se l’individuazione del reagente limitante non è fatta
correttamente, il risultato che si ottiene è quello di porre
uguale a 0 il numero di moli finali del reagente in eccesso e
di avere un numero calcolato di moli finali del reagente in
difetto negativo, un risultato ovviamente non possibile: il
numero di moli iniziali e finali (i numeri che compongono la
prima e la terza riga dello schema) deve infatti essere
sempre maggiore o uguale a 0.
Individuazione del reagente limitante
Un altro modo per determinare il reagente limitante,
sicuramente più comodo quando si hanno più di due
reagenti, è quello di determinare il numero di moli di un
prodotto che si formerebbero a partire dalle moli iniziali
dei vari reagenti; il reagente per il quale il numero di moli
di prodotto risulta minore è il reagente in difetto.
Reazioni di ossido-riduzione
Sono reazioni chimiche nelle quali uno o più elementi
cambiano il loro numero di ossidazione.
Poiché in una reazione chimica non si possono creare o
distruggere elettroni (né gli elettroni sono generalmente
stabili in soluzione), gli elettroni persi nell’ossidazione
devono essere uguali al numero di elettroni acquistati nella
riduzione
Reazioni di ossido-riduzione
ossidazione: perdita di e– e aumento del n.o.
riduzione:
acquisto di e– e diminuzione del n.o.
ossidante:
il reagente che contiene l’elemento che si
riduce
riducente:
il reagente che contiene l’elemento che si
ossida
+2
CO
­
riducente
+6
+
+4
SO3
­
ossidante
coppie redox:
→
+4
CO2
­
+
ossidante
CO2/CO
SO2
­
riducente
SO3/SO2
Reazioni di ossido-riduzione
Poiché la maggior parte delle ossidoriduzioni sono reazioni
complesse (e talvolta senza l’indicazione della posizione di
alcune specie, come H2O), può essere difficile bilanciarle
con il metodo indicato precedentemente. Per il loro
bilanciamento risulta più semplice bilanciare innanzitutto gli
elettroni trasferiti, cioè scegliere i coefficienti del riducente
e dell’ossidante in modo tale che il numero totale di
elettroni ceduti dal primo sia uguale al numero totale di
elettroni acquistati dal secondo.
Reazioni di ossido-riduzione
Approccio più generale; per le soluzioni però è meglio quello
mostrato successivamente
Ad esempio, dovendo bilanciare la reazione
a H2S + b HNO3 ® c H2SO4 + d NO2 + e H2O
1. Scrivere
le
due
semireazioni
(incomplete!)
con
il
bilanciamento degli elettroni (tenendo conto della
differenza tra il n.o. dell’elemento nei prodotti e nei
reagenti
S(-2) ® S(+6) + 8e- (semirezione di ossidazione);
N(+5) + 1e- ® N(+4) (semireazione di riduzione).
Reazioni di ossido-riduzione
a H2S + b HNO3 ® c H2SO4 + d NO2 + e H2O
2. Bilanciare il numero complessivo di elettroni
1´
S(-2) ® S(+6) + 8e-
8´
N(+5) + 1e- ® N(+4)
1S(-2) + 8N(+5) + 8e- ® 1S(+6) + 8N(+4) + 8eDa questo schema si ricavano i coefficienti a (= 1), b(= 8), c
(= 1) e d(= 8)
H2S + 8 HNO3 ® H2SO4 + 8 NO2 + e H2O
3. Considerando che ci sono 10 atomi di H tra i reagenti e 2
tra i prodotti, si ricava e (= 4)
Reazioni di ossido-riduzione
in soluzione acquosa – forma ionica
1) determinare i numeri di ossidazione degli elementi ed individuare le
specie che si ossidano e che si riducono, come già visto;
2) per ogni semireazione, usando l’intera specie chimica, bilanciare la
massa degli elementi che variano il loro numero di ossidazione;
3) calcolare per ogni semireazione il numero di elettroni scambiati
riferiti al reale numero di atomi che si ossidano o si riducono;
4) Bilanciare le cariche usando H+ per soluzioni acide o neutre, OH- per
soluzioni basiche.
5) Bilanciare in ogni semireazione H e O con H2O (tra reagenti o
prodotti)
6) Moltiplicare le due semireazioni con opportuni coefficienti in modo
da bilanciare gli elettroni scambiati.
Equivalenti nelle reazioni chimiche
equivalente: quantità di sostanza definita in modo tale che
1 eq di un reagente si combina con 1 eq di ogni altro
reagente
REAZIONI REDOX
riducente: l’equivalente è la frazione di mole che cede 1
mol di elettroni
ossidante: l’equivalente è la frazione di mole che acquista
1 mol di elettroni
PE = PM / n°elettroni scambiati
Equivalenti nelle reazioni chimiche
equivalente: quantità di sostanza definita in modo tale che 1
eq di un reagente si combina con 1 eq di ogni altro reagente
REAZIONI ACIDO-BASE
acido: l’equivalente è la frazione di mole che cede 1 mol di
H+
base: l’equivalente è la frazione di mole che acquista 1 mol
di H+ (cede 1 mol di OH–)
PE = PM / n°protoni scambiati
Equivalenti