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 un 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: O2 +H2 = H2O,
Reazione di decomposizione: il carbonato di calcio riscaldato si trasforma in ossido di calcio e anidride carbonica: CaCO3 + calore = CaO + CO2.
Reazione di scambio: il sodio e l’acido cloridrico si trasformano in cloruro di sodio e idrogeno: Na+ + HCl = NaCl + H.
Reazione di doppio scambio: il cloruro di calcio insieme al fosfato di sodio diventa fosfato di calcio e cloruro di sodio: CaCl2 + Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + NaCl.
Se si fanno i conti si vede che queste reazioni non sono bilanciate.
Il bilanciamento delle reazioni chimiche
Le reazioni chimiche vanno sempre bilanciate, cioè a tot reagenti corrispondono tot prodotti. Per questo bisogna rispettare l’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.
Calcoli stechiometrici per la produzione dell’acqua a partire da idrogeno ed ossigeno:
| 2H2 | + | O2 | = | 2 H2O | |
| massa atomica | 1,008 | 16 | |||
| masse molecolari | 2 | 32 | 34 | ||
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| masse dei reagenti e dei prodotti | 4 | 32 | 36 | ||
| massa di una mole prodotta | 18 |
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.
Es. 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?
Prima calcolo il peso di ogni mole: H2 pesa 2 grammi, O2 pesa 32 grammi, H2O pesa 18,016
| 2H2 | + | O2 | = | H2O | |
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| grammi a disposizione | 6 | + | 32 | ||
| masse molecolari | 2 | + | 32 | ||
| moli presenti | 3 | + | 1 | 2 | |
| moli eccedenti (presenti-reazione) | 1 | 0 |
2 moli d’acqua x massa molare dell’acqua = 2 x 18 gr = 36 grammi d’acqua prodotta
1 mole di H2 eccedente = 1 x 2 = 2 grammi di idrogeno eccedente
Resa di una reazione chimica
Nelle reazioni chimiche spesso non tutti i reagenti si trasformano in prodotto, come nel caso sopra dove sono avanzati 2 grammi di idrogeno. La quantità trasformata in prodotto sulla quantità dei reagenti, è la resa chimica.
Nel caso sopra ho 36 grammi di prodotto e 38 grammi di reagenti, la resa chimica è del 94,7% (36/38).
Es. 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.
La reazione chimica sarà: 2Ca + O2 = 2CaO
| Ca | + | O2 | = | H2O | |
| massa atomica | 20 | 16 | |||
| masse molecolari | 20 | + | 32 | = | 52 |
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| massa di una molecola prodotta | 26 |
Problema dell’ossido di calcio
Abbiamo a disposizione i seguenti reagenti: 20 g di Ca e 10 g di O2
quanto ossido di calcio otterremo?
| Ca | + | O2 | = | CaO | |
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| masse molecolari | 40 | 32 | |||
| masse molecolari di reazione | 80 | + | 32 | 112 gr/m | |
| grammi a disposizione | 20 | + | 10 | ||
| moli di prodotto producibili | 0,25 | 0,312 | |||
| moli prodotte (si prende il limitante) | 0,25 |
Ossido di calcio prodotto 0,25 moli x 112 gr = 28 grammi
Ossigeno eccedente 0,312 – 0,25 = 0,062 x 36 = 2 grammi
La resa chimica è del 93,3% (28/30).
Es. con la legge universale dei gas
Calcola quanto zinco è necessario nella reazione con l’ac.cloridrico ?
Lo Zn è + 2 e il Cl -1.
La reazione chimica: Zn + 2HCl > ZnCl2 + H2
La reazione avviene a 25°C a 1 atm, Zn e HCl reagiscono, liberando 1000 litri di H2.
Il primo passo è calcolare le moli di idrogeno contenute in 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 tutto in gradi kelvin e trovo il rapporto tra la temperatura dell’esperimento e la temperatura a 0°C: 298,15/273,15 = 1,0915
ora posso dividere il volume a 0°C con il rapporto della temperatura appena calcolato
44,64/ 1,0915 = 40,9 moli di H2 in un recipiente di 1.000 litri a 25°C a 1 atm
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
40,9 moli di Zinco x 65,37 grammi/mole = 2.673,6 grammi di Zn.
Un secondo aspetto da considerare è l’aspetto energetico delle reazioni: Calore di reazione e sistemi.