Le reazioni chimiche sono le trasformazioni di due o più vecchie sostanze in nuove sostanze, o come si dice tecnicamente di reagenti che si trasformano in prodotti.

Quando due reagenti come l’idrogeno e l’ossigeno si incontrano, si trasformano in nuovo prodotto: l’acqua. 

Tipi di reazioni chimiche

Esistono quattro tipi di reazioni chimiche:

reazione di sintesi : ossigeno e idrogeno danno l’acqua, oppure ossigeno e carbonio danno l’anidride carbonica,

reazione di decomposizione:  il carbonato di calcio riscaldato si trasforma in ossido di calcio e anidride carbonica,

reazione di scambio: il sodio e l’acido cloridrico si trasformano in cloruro di sodio e idrogeno

reazione di doppio scambio:  il cloruro di calcio insieme al fosfato di sodio diventa fosfato di calcio e cloruro di sodio.

Il bilanciamento delle reazioni chimiche

Le reazioni chimiche vanno sempre bilanciate, cioè a tot reagenti corrispondono tot prodotti. Per questo bisogna rispettate un ordine di bilanciamento:

prima si bilanciano i metalli e non metalli,  idrogeno ed ossigeno esclusi,

poi si bilanciano gli ioni poliatomici,  come i solfati e i nitrati, 

infine si bilanciano gli atomi di idrogeno ed ossigeno.

L’uso della mole e la stechiometria

Il passaggio dalla formula chimica con atomi e molecole alla materia espressa in grammi o kg abbisogna del concetto di Mole.

Con il concetto di Mole possiamo prevedere quanti grammi di sostanze dobbiamo utilizzare per ottenere un certo quantitativo di prodotto finale.

L’insieme di questi calcoli aprono alla stechiometria.

2H2+O2=H2O
moli2+1=1 mole
massa atomica1,00816
massa molecolare2,016+16=18,016
calcoli stechiometrici per la produzione dell’acqua a partire da idrogeno ed ossigeno

Reagente limitante ed eccedente

Se uno dei due reagenti è in quantità insufficiente rispetto a quello previsto dalla stechiometria, questo è un reagente limitante,  mentre l’altro è un reagente in eccesso.

Esempio di reazione chimica dell’acqua

Es ho 6 grammi di H2 e 32 grammi di O2, quanta acqua produco ? Qual’è l’elemento limitante e quello in eccesso?

Trasformo in moli: 6/2= 3 moli di H2 e 32/16= 2 moli di O2, 3 + 32 = 35 grammi.

giacchè il rapporto H/O della molecola acqua è 2 a 1:

L’H: 3 moli di idrogeno / 2 rapporto H/O = 1,5 moli di O2.

L’idrogeno è utilizzato totalmente, quindi è il limitante; mentre di O2 se ne avanza mezza mole, quindi è l’eccedente.

Vengono prodotte 1,5 moli di acqua, 1,5 x (2+16) = 27 grammi di acqua.

Inoltre sono avanzati 8 grammi di O2.

27 prodotti + 8 avanzati o eccedenti = 35 grammi reagenti di partenza.

Esempio di reazione chimica dell’ossido di calcio

L’ossido di Calcio è composto da Ca e O, determiniamo la formula chimica.

L’ossigeno è più elettronegativo del calcio: 3,44 >> 1.

Il calcio appartiene al secondo gruppo per cui cede due elettroni,  infatti il calcio ha numero di ossidazione + 2.

Gli elettroni dal calcio si sposteranno sull’ossigeno,  che infatti ha numero di ossidazione – 2.

Invertendo i numeri di ossidazione otteniamo Ca2O2,  semplificando otteniamo CaO:  l’ossido di calcio.

Problema dell’ossido di calcio

Se abbiamo a disposizione 10 g di O2  e  20 g di calcio,  quanto ossido di calcio otterremo?

La reazione chimica sarà: O2 + 2Ca = 2CaO

Il peso molare del calcio è 40, il peso molare di O2 è 32, Il peso molare dell’ossido di calcio è 72 grammi.

Rapporto molare dell’ossido di calcio: Ca/O2 = 40/32 = 1,25

Nella reazione entrano tutti i 10 grammi di calcio e 12,5 grammi di O2 (10×1,25), per formare 22,5 grammi di CaO.

Il reagente limitante è il calcio, il reagente eccedente è l’ossigeno.  Vengono prodotti 22,5 g di CaO,  corrispondenti a 0,3125 moli. Si sono avanzati 7,5 g di ossigeno molecolare.

Esempio di reazione chimica con la legge universale dei gas

Lo Zn e l’acido cloridrico reagiscono, liberando 1000 litri di H2.

Zn + 2HCl  > ZnCl2 + H2

Calcola quanto zinco è necessario in questa reazione ?

Quante moli di idrogeno sono contenute in un recipiente di 1.000 litri a 25°C a 1 atm ?

L’idrogeno molecolare H2 è un gas, perciò dobbiamo usare l’Equazione di stato dei gas, che considera pressione e temperatura:

sappiamo che una mole di gas a 0°C a 1 atm è contenuta in 22,4 litri,

se la temperatura fosse di 0°C e la pressione di 1 atm basterebbe dividere 1000/ 22,4 =  44.64285714 moli, ma sappiamo che la temperatura è più alta, quindi le moli sono meno del numero calcolato,

perciò trasformo tutti in gradi kelvin e trovo il rapporto tra la temperatura dell’esperimento e la temperatura a 0°C: 298,15/273,15 = 109,15

ora posso dividere il volume a 0°C con il rapporto della temperatura calcolato

44,64/ 109,15 = 40,9 moli

Il problema ci chiede quanto zinco è necessario, sappiamo che il rapporto moli di Zn e moli di H2 è 1 a 1, quindi ci vogliono anche 40,9 moli di Zinco x 65,37 grammi = 2.673,6 grammi di Zn.

Resa di una reazione chimica

Normalmente nelle reazioni chimiche  non tutti i reagenti si trasformano in prodotto.

La quantità trasformata in prodotto sulla quantità dei reagenti, è la resa chimica.

Tornando all’esempio precedente dell’ossido di calcio, la resa è stata del 75%, perchè si sono ottenuti 22,5 g di ossido di calcio partendo da 30 grammi di reagenti.