Le Reazioni Chimiche

In Chimica le Trasformazioni Chimiche hanno un’importanza fondamentale e quindi è d’obbligo il loro studio.
Una Reazione Chimica comporta sempre un cambiamento della natura delle sostanze di partenza che si trasformano sempre in altre, completamente diverse.

In una reazione chimica c’è sempre una situazione iniziale (sostanze reagenti o Reagenti) e una situazione finale (Prodotti): alla fine della reazione i Reagenti si sono trasformati in tutto o in parte nei Prodotti. Quanto detto, può essere rappresentato schematicamente così:

Reagenti ===> Prodotti

Tutte le reazioni possono essere ricondotte a questo schema fondamentale. Naturalmente per rappresentare Reagenti e prodotti si usano le loro Formule chimiche. Facciamo un primo esempio, considerando la formazione dell’acqua, la cui formula chimica è H2O; la reazione a parole si scrive:

Idrogeno + Ossigeno ===> Acqua

Dal linguaggio naturale umano bisogna passare al linguaggio della chimica che si avvale di Simboli chimici e di formule chimiche per indicare Reagenti e Prodotti.
A questo proposito, dal momento che Ossigeno e Idrogeno sono Elementi chimici appartenenti alla categoria dei Non Metalli, hanno formula chimica NON Coincidente con il Simbolo; quindi mentre i simboli sono rispettivamente O e H, le formule sono invece, come già visto, O2 e H2.
Passando quindi alle formule chimiche, ricordando che quella dell’acqua è H₂O, si ha:

H₂ + O₂ ===> H₂O

La reazione è scritta correttamente perché sono riportate le formule esatte di tutte le sostanze chimiche coinvolte; però non è bilanciata.
Che cosa significa che non è bilanciata?

Bilanciare una reazione significa fare in modo che essa rispetti

la Legge di Conservazione della Massa di Lavoisier

secondo questa legge, infatti

Una Reazione Chimica avviene con Conservazione della massa totale;
questo significa che la massa totale è la stessa sia nei Reagenti che nei Prodotti.
In una Reazione Chimica si conserva la massa di ogni singolo elemento,
assieme al suo numero di atomi.

Attrezzatura usata da Lavoisier per lo studio della reazione
2Hg + O₂ ==> 2HgO

Questo significa che tutti gli Elementi chimici presenti nei reagenti si ritrovano in quantità invariata nei prodotti; quindi la massa si conserva in totale e per ogni elemento chimico. Tornando alla reazione di formazione dell’acqua, cosa c’è scritto esattamente? Davanti alle formule di Ossigeno, Idrogeno e Acqua c’è scritto, anche se sottinteso, 1 (uno) perché la formula si riferisce ad una sola molecola… è come se ci fosse scritto:

1 · H₂ + 1 · O₂ ==> 1 · H₂ O

C’è un 1 che moltiplica e quindi è indicato, per il momento, che stiamo facendo reagire una molecola di Ossigeno, una molecola di Idrogeno, per ottenere una molecola di Acqua. Tutto ciò soddisfa la Legge di Lavoisier sulla Conservazione della Massa? Evidentemente no… basta osservare che nei Reagenti ci sono 2 atomi di Idrogeno (sotto forma di molecola H2) e lo stesso dicasi per l’Ossigeno (sotto forma di molecola O2); mentre nei prodotti, sotto forma di molecola d’acqua H2O, ci sono 2 atomi di Idrogeno, ma solo 1 atomo di Ossigeno. Questo equivale a dire, lasciata così la reazione, che passando dai Reagenti ai Prodotti, scompare un atomo di Ossigeno; cioè la massa di ossigeno… si dimezza! Per fare in modo che la reazione verifichi la Legge di Lavoisier, occorre procedere al suo Bilanciamento

Bilanciare una reazione

significa

Moltiplicare le formule di reagenti e prodotti

per degli opportuni

Coefficienti numerici

in maniera tale che

risulti verificata la Legge di Lavoisier

In questo caso basta osservare che, dal momento che nella formula dell’acqua c’è un solo ossigeno, bisogna moltiplicare per 2, così gli atomi di Ossigeno diventano due perché raddoppiano le molecole di acqua.

1 · H₂ + 1 · O₂ ---> 2 · H₂O
cioè
H₂ + O₂ ---> 2 H₂O

Così gli atomi di Ossigeno sono in numero uguale nei Reagenti e nei Prodotti e pari a 2. Però la reazione è sbilanciata, ora, rispetto agli atomi di Idrogeno perché nei Prodotti essi sono 4 (2x2), mentre nei Reagenti sono solo 2. Occorre allora moltiplicare la molecola di Idrogeno nei Reagenti per 2:

2 H₂ + O₂ <===> 2H₂O

Così gli atomi di Idrogeno diventano 4 sia all’inizio che alla fine della reazione che risulta quindi bilanciata.
Questo modo di procedere, per bilanciare una reazione chimica, è generale; si procede per bilanciamenti successivi, fino a quando tutta la reazione risulta essere bilanciata.
Ricapitolando abbiamo allora che per scrivere una reazione completa si procede nel modo seguente:

1) si scrive la reazione a parole
2) si scrive la reazione con le formule chimiche
3) si bilancia la reazione.

Vediamo un altro esempio, considerando la reazione tra azoto (N₂) e idrogeno (H₂) per ottenere ammoniaca (NH₃):

1) primo passo:

scrivere la reazione a parole:

azoto + idrogeno <===> ammoniaca

2) secondo passo:

scrivere la reazione in formule:

N₂ + H₂ <===> NH₃

3) terzo passo:

bilanciare la reazione, se non è bilanciata:

facile vedere che neanche questa lo è; osserviamo che gli idrogeni sono 2 (H₂) nei reagenti e 3 nei prodotti;

2 e 3 fanno pensare al loro m.c.m. (minimo comune multiplo) che è 6: una ragionevole conclusione è che gli atomi di idrogeno diventino 6 nei reagenti e anche 6 nei prodotti; per ottenere questo occorre moltiplicare x3 l’idrogeno nei reagenti e x2 l’ammoniaca (NH3, così da ottenere 2x3 = 6 H) nei prodotti. In tal modo si ha:

N₂ + 3H₂ <===> 2NH₃

ed è facile vedere che la reazione è tutta bilanciata.

Consideriamo ancora un esempio: la reazione tra fosforo (P₄) e ossigeno (O₂) per ottenere anidride fosforica (P₂O₅)

1) primo passo:

scrivere la reazione a parole:

fosforo + ossigeno <===> anidride fosforica

2) secondo passo: scrivere la reazione in formule:

P₄ + O₂ <===> P₂O₅

3) terzo passo: bilanciare, se non è bilanciata:

facile vedere che neanche questa lo è; osserviamo che gli ossigeni sono 2 (O₂) nei reagenti e 5 nei prodotti;

Qui 2 e 5 fanno pensare al loro m.c.m. (minimo comune multiplo) che è 10: una ragionevole conclusione è che gli atomi di idrogeno diventino 10 nei reagenti e anche 10 nei prodotti; per ottenere questo occorre moltiplicare x5 l’ossigeno nei reagenti e x2 l’anidride (P₂O₅, così da ottenere 2x5 = 10 O) nei prodotti. In tal modo si ha:

P₄ + 5O₂ <===> 2P₂O₅

Risultando così bilanciato anche il fosforo.

Cominciamo allora a studiare le reazioni che portano alla formazione di composti, partendo dai singoli elementi chimici. Queste reazioni si chiamano REAZIONI DI SINTESI:

Una Reazione di Sintesi è una reazione che consente di ottenere un composto partendo dai singoli elementi che lo costituiscono.

Ci occupiamo anzitutto delle Reazioni di Sintesi che conducono alla formazione di Composti Binari, cioè composti costituiti da solo DUE elementi chimici. A questo punto però occorre definire ed approfondire un concetto molto importante per poter scrivere correttamente ed agevolmente le formule chimiche dei composti binari; il concetto di

VALENZA CHIMICA

Cos’è la Valenza chimica di un elemento?

In generale possiamo dire che gli elementi si combinano tra di loro in rapporti espressi da numeri interi e piccoli (Teoria Atomica di Dalton) quindi la valenza chimica di un elemento è un valore numerico da attribuire ad ogni elemento che renda conto correttamente di questi rapporti di combinazione.

Originariamente la Valenza chimica era espressa, per ogni elemento, da un numero romano senza segno (I, II, III, IV, ecc.) il cui significato era ovviamente che se ad un elemento competeva una valenza maggiore questo stava a significare che, al momento di combinarsi con un elemento di valenza minore, doveva impegnare meno atomi di quanti ne dovesse impegnare quello a valenza minore, proprio perché i suoi “valevano ognuno di più”.
Noi adotteremo una convenzione leggermente diversa, nel senso che attribuiremo ad ogni elemento un valore positivo o negativo di valenza chimica che al momento di combinarsi si dovranno annullare o pareggiare per somma di atomi di valenza opposta.

Così se sappiamo che l’alluminio ha valenza +3 (questo si indica con il simbolo Al⁺³), mentre il cloro ha valenza -1 (Cl^-1), al momento di stabilire e ricavarci la formula del Cloruro di Alluminio, lo potremo fare pareggiando le valenze positive di alluminio con quelle negative di cloro, prendendo un numero adeguato di atomi dell’uno e dell’altro, vale a dire:

Una volta pareggiate le valenze, si contano gli atomi che sono stati necessari e si mettono insieme a costituire la formula del composto (in questo caso è stato utilizzato 1 atomo di Alluminio e 3 atomi di Cloro, ottenendo quindi AlCl₃).
Si può compilare una tabella delle valenze, tenendo presente che i Metalli hanno sempre Valenza positiva (+);i non-Metalli invece hanno valenza negativa quando reagiscono con i Metalli, mentre possono avere sia Valenza positiva o negativa quando reagiscono tra loro (i non-Metalli), con il criterio che quello con più spiccate caratteristiche non metalliche ha valenza negativa, obbligando l’altro non-Metallo ad assumere valenza positiva.

Abbiamo quindi la seguente Tabella di Valenze dei Metalli:

Fe⁺³	Ferro Ferrico	Li⁺¹	Litio
Fe⁺²	Ferro Ferroso	Cs⁺¹	Cesio
Na⁺¹	Sodio	Mg⁺²	Magnesio
K⁺¹	Potassio	Al⁺³	Alluminio
Cu⁺²	Rame Rameico	Ba⁺²	Bario
Cu⁺¹	Rame Rameoso	Ni⁺²	Nichel
Hg₊₂	Mercurio Mercurico	Cd⁺²	Cadmio
Hg⁺¹	Mercurio Mercuroso	Pb⁺²	Piombo
Au⁺³	Oro Aurico	Sn⁺²	Stagno Stagnoso
Au⁺¹	Oro Auroso	Sn⁺⁴	Stagno Tannico
Ag⁺¹	Argento	Pt⁺²	Platino

A proposito della Valenza chimica di alcuni metalli, occorre osservare che sono possibili 2 valori diversi di valenza chimica; il caso più conosciuto è quello del Ferro, ma si hanno anche altri casi, come per esempio per il Rame Cu, il Mercurio Hg, l’Oro Au, lo Stagno Sn.
Nel caso del Ferro abbiamo che esso può assumere valenza +2 e +3 (Fe⁺²/Fe⁺³) ed è facile rendersi conto che sorge un problema di nomenclatura perché occorre distinguere tra i due tipi di Ferro. Allora vale la regola che per il metallo con valenza minore (Fe⁺²) si usa la desinenza –oso e quindi per Fe⁺² si parla di Ferro Ferroso, mentre per il Ferro a valenza maggiore (Fe⁺³) si parla di Ferro Ferrico.

La tabella precedente rende conto dei diversi possibili casi di metalli con valenza doppia.

COMPOSTI BINARI

I metalli, con la relativa valenza, possono dare luogo ai composti binari, definibili in base al seguente schema di classificazione:

Combinandosi naturalmente con non metalli per i quali si ha la seguente tabella di Valenze:

Tabella dei non Metalli di uso frequente e relativa valenza (nei Composti binari)
Cl^-	Cloruro	F^-	Fluoruro
Br^-	Bromuro	I^-	Ioduro
S^-2	Solfuro	H^-1	Idruro salino
O^-2	Ossido	O^-2	Anidride
H⁺¹	Idracidi

Allora risulta che un

Non Metallo (Cl₂, Br₂, I₂, F₂, S₈)

grazie alla sua

Valenza chimica (Cl^-, Br^-, I^-, F^-, S^-2)

può legarsi all’Idrogeno (H₂) per formare il corrispondente

Idracido (un Acido Binario)

Composti Binari: GLI IDRACIDI

Gli idracidi sono composti molecolari ottenuti facendo reagire alcuni nonMetalli con idrogeno; sono definiti anche acidi binari

I non metalli che danno idracidi sono pochissimi, in particolare considereremo

Cl₂ , F₂ , I₂ , Br₂ , S₈

Questi non metalli assumono tutti valenza -1, tranne lo zolfo che assume valenza -2. L’idrogeno che reagisce con loro assume invece valenza +1.

Si ha dunque

Acido Cloridrico (H₂ + Cl₂ ---> 2HCl)

Acido Bromidrico (H₂ + Br₂ ---> 2HBr)

Acido Iodidrico (H₂ + I₂ ---> 2HI)

Acido Fluoridrico (H₂ + F₂ ---> 2HF)

Acido Solfidrico (8H₂ + S₈ ---> 8H₂S)

Infatti facendo ad esempio lo schema di pareggiamento delle valenze per l’acido solfidrico, risulta:

Composti Binari: I SALI BINARI

In maniera analoga risulta che un

Metallo

grazie alla sua

Valenza chimica

può legarsi a Cl₂ , Br₂ , I₂, F₂ , S₈ per formare

Sali binari

denominati rispettivamente

Cloruri (se il metallo si lega al Cloro, che dà lo ione Cl^-)

Bromuri (se il metallo si lega al Bromo, che dà lo ione Br^-)

Ioduri (se il metallo si lega allo Iodio, che dà lo ione I^-)

Fluoruri (se il metallo si lega al Fluoro, che dà lo ione F^-)

Solfuri (se il metallo si lega allo Zolfo, che dà lo ione S^-2)

Quindi un Sale Binario si può formare per Reazione diretta tra

Metallo + Non Metallo (Cl₂ , Br₂ , I₂ , F₂ , S₈)

Si ha dunque il seguente schema:

Questo non è l’unico modo in cui i Sali binari si possono formare, cioè mediante la reazione diretta tra metallo e non metallo.
Un sale binario si può formare anche facendo reagire

Metallo + Idracido (HCl, HBr, HI, HF, H₂S)

Quindi si può anche avere il seguente schema:

E’ facile capire che sono possibili parecchie combinazioni, con formazione di altrettanti sali binari diversi, dal momento che i metalli sono più di 70 in natura.
Vediamo alcuni esempi di formazione di Sali binari.

Supponiamo a questo proposito di fare reagire Ferro e Cloro, ed ammettiamo che il ferro reagisca con la valenza +3, la maggiore (si tratta quindi del Ferro Ferrino) si ha allora la reazione

Ferro + Cloro ---> Cloruro Ferrico

Si passa alle formule chimiche:

Fe + Cl₂ --->

E però occorre ricavarsi la formula del cloruro pareggiando le valenze tra Ferro Ferrico e Cloro:

Da cui si ricava la formula

FeCl₃

Ottenendo quindi la reazione

Fe + Cl₂ ---> FeCl₃

Che bilanciata, diventa

2Fe + 3Cl₂ ---> 2FeCl₃

Secondo esempio.
Supponiamo di far reagire Alluminio e Zolfo; si ha allora la reazione

Alluminio + Zolfo ---> Solfuro di Alluminio

Si passa alle formule chimiche:

Al + S₈ --->

Con l’avvertenza che l’alluminio ha valenza +3 e lo zolfo nei solfuri ha valenza -2; pertanto si ha:

Ottenendosi la formula

Al₂S₃ (solfuro di Alluminio)

E quindi la reazione bilanciata:

16Al + 3S₈ ---> 8Al₂S₃

Composti Binari: GLI IDRURI

I metalli possono reagire anche con Idrogeno H₂ per dare un gruppo di composti binari denominati IDRURI SALINI o semplicemente IDRURI: il metallo partecipa con Valenza positiva (ovviamente variabile da metallo a metallo) mentre l’Idrogeno si lega con Valenza -1. Procediamo con ordine scrivendo prima la reazione a parole, poi con le formule chimiche ed infine bilanciandola.

Supponiamo allora nel primo esempio di fare reagire Calcio e Idrogeno; si ha:

Calcio + Idrogeno ---> Idruro di Calcio

Ca + H2 --->

Ricavare allora la formula dell’idruro di calcio, pareggiando le valenze:

E quindi, reazione che risulta anche bilanciata:

Ca + H₂ ---> CaH₂

Come secondo esempio si faccia reagire Oro Aurico (Au⁺³) e Idrogeno; si ha:

Oro + Idrogeno ---> Idruro Aurico

Au + H2 --->

Ricavare allora la formula dell’idruro aurico, pareggiando le valenze:

Si ha la formula: AuH₃
ottenendo infine:

2Au + 3H₂ ---> 2AuH₃

Composti Binari: GLI OSSIDI

Tutti i metalli, reagendo con l’ossigeno, formano ossidi.
Fondamentale per scrivere la formula corretta di un ossido è la conoscenza della valenza del metallo che lo forma; se un metallo ha due stati di valenza diversi, si usano per distingure le desinenze

-oso per la valenza minore
-ico per la valenza maggiore

più comuni metalli con valenza doppia (quindi -oso/-ico) sono riportati nella tabella qui sotto:

Tabella dei Cationi di uso frequente aventi valenza doppia
Fe²⁺/Fe³⁺	Ferro ferroso/Ferro ferrico	Au⁺/Au³⁺	Oro auroso/Oro aurico
Hg⁺/Hg²⁺	Mercurio mercuroso/Mercurio mercurico	Cu⁺/Cu²⁺	Rame rameoso/Rame rameico
Sn²⁺/Sn⁴⁺	Stagno stannoso/stagno stannico

La maggior parte dei cationi metallici ha una sola valenza; quelli di uso più comune sono riportati nella seguente tabella:

Tabella dei Cationi monovalenti di uso frequente

Na⁺ (Sodio), K⁺ (Potassio), Li⁺ (Litio), Cs⁺ (Cesio), Rb⁺ (Rubidio), Ag⁺ (Argento)

Tabella dei Cationi bivalenti di uso frequente

Ca⁺² (Calcio), Mg⁺² (Magnesio), Be⁺² (Berillio), Ba⁺² (Bario), Sr⁺² (Stronzio), Ni⁺² (Nichel) Zn⁺² (Zinco), Cd⁺² (Cadmio), Pt⁺² (Platino)

L’alluminio è Al³⁺ (trivalente)

I Metalli, reagendo con O₂, danno gli Ossidi Basici o semplicemente Ossidi. Dunque:

Gli OSSIDI sono composti binari di tipo ionico che si ottengono facendo reagire un metallo con ossigeno.

Primo Esempio:

Reazione scritta a parole: (primo passo)

Alluminio + Ossigeno ---> Ossido di Allumino

Reazione scritta con le formule chimiche: (secondo passo)

Scriviamo prima i reagenti, che sono Alluminio e Ossigeno

Al + O₂ --->

Ricaviamoci la formula del prodotto, cioè dell’ossido di Al, pareggiando le valenze tra Al³⁺ e O^2- ______________________________________________________________

Gli ioni che formano l’ossido sono sempre un catione metallico (in questo caso il catione trivalente Al+3) e come anione l'ossigeno con due cariche negative:

e quindi si vede che per ogni due cationi servono, per bilanciare le cariche, tre anioni ossigeno.

______________________________________________________________

La reazione allora si scrive:

Al + O₂ ---> Al₂O₃

Ma non è bilanciata.
Il Bilanciamento della Reazione porta alla forma bilanciata:

4 Al + 3 O₂ ---> 2 Al₂O₃ (terzo passo)

Secondo Esempio:

Reazione scritta a parole: (primo passo)

Bario + Ossigeno ---> Ossido di Bario

Reazione scritta con le formule chimiche: (secondo passo)

Scriviamo prima i reagenti, che sono Bario e Ossigeno

Ba + O2 --->

Ricaviamoci la formula del prodotto, cioè dell’ossido di Ba, pareggiando le valenze tra Ba²⁺ e O^2- ______________________________________________________________

Gli ioni che formano l’ossido sono sempre un catione metallico (in questo caso il catione bivalente Ba²⁺) e come anione l'ossigeno con due cariche negative:

e quindi si vede che per ogni catione serve, per bilanciare le cariche, un solo anione ossigeno.

______________________________________________________________

La reazione allora si scrive:

Ba + O₂ ---> BaO

Ma non è bilanciata; il Bilanciamento della Reazione porta alla forma bilanciata:

2 Ba + O₂ ---> 2 BaO (terzo passo)

Terzo Esempio:

Reazione scritta a parole: (primo passo)

Rame + Ossigeno ---> Ossido Rameoso

Reazione scritta con le formule chimiche: (secondo passo)

Scriviamo prima i reagenti, che sono Rame e Ossigeno

Cu + O2 --->

Ricaviamoci la formula del prodotto, cioè dell’ossido rameoso, pareggiando le valenze tra Cu¹⁺ e O^2-

______________________________________________________________

Gli ioni che formano l’ossido sono sempre un catione metallico (in questo caso il catione monovalente Cu¹⁺) e come anione l'ossigeno con due cariche negative:

e quindi si vede che per ogni catione serve, per bilanciare le cariche, un solo anione ossigeno.

______________________________________________________________

La reazione allora si scrive:

Cu + O₂ ---> Cu₂O

Ma non è bilanciata; il Bilanciamento della Reazione porta alla forma bilanciata:

4 Cu + O₂ ---> 2 Cu₂O (terzo passo)

Quarto Esempio:

Reazione scritta a parole: (primo passo)

Mercurio + Ossigeno ---> Ossido Mercurico

Reazione scritta con le formule chimiche: (secondo passo)

Scriviamo prima i reagenti, che sono Mercurio e Ossigeno

Hg + O₂ --->

Ricaviamoci la formula del prodotto, cioè dell’ossido rameoso, pareggiando le valenze tra Hg²⁺ e O^2-

______________________________________________________________

Gli ioni che formano l’ossido sono sempre un catione metallico (in questo caso il catione monovalente Hg²⁺) e come anione l'ossigeno con due cariche negative:

e quindi si vede che per ogni catione serve, per bilanciare le cariche, un solo anione ossigeno.

______________________________________________________________

La reazione allora si scrive:

Hg + O₂ ---> HgO

Ma non è bilanciata; il Bilanciamento della Reazione porta alla forma bilanciata:

2 Hg + O₂ ---> 2 HgO (terzo passo)

Possiamo dunque dire che per

RICAVARE la FORMULA DELL’OSSIDO, pareggiando le valenze dei CATIONI METALLICI (quindi IONI positivi),
occorre come CONTROIONE (ione di segno opposto, negativo) L’OSSIGENO con due valenze negative: O^2-

Si ha il seguente prospetto di formule di ossidi:

Al₂O₃ Ossido di Alluminio	FeO Ossido Ferroso
Na₂O Ossido di Sodio	Fe₂O₃ Ossido Ferrico
K₂O Ossido di Potassio	Cu₂O Ossido Rameoso
Au₂O₃ Ossido Aurico	Au₂O Ossido Auroso
Li₂O Ossido di Litio	CuO Ossido Rameico
Rb₂O Ossido di Rubidio	Hg₂O Ossido Mercuroso
CaO Ossido di Calcio	HgO Ossido Mercurico
BaO Ossido di Bario	MnO Ossido di Manganese
MgO Ossido di Magnesio	ZnO Ossido di Zinco

Realizzato a cura di Francesco Serra (classe 2A ITIS Ferracciu di Tempio Pausania) e prof. Strusi; A.S. 2014/2015