Reazioni chimiche

Cos'è una reazione chimica? Secondo la IUPAC è:

Un processo che porta alla inter conversione tra specie chimiche

In pratica si ha una reazione chimica quando cambiano le specie chimiche con cui si ha a che fare e questa è la fondamentale differenza tra trasformazione fisica e trasformazione chimica. Come è possibile riconoscere una trasformazione chimica da una fisica? Solitamente è possibile riconoscere le reazioni chimiche da alcuni indizi, ad esempio, produzione di gas, cambiamenti di colore, variazioni di temperatura, formazione di precipitati.

Esempi

Se si mette a bollire dell'acqua questa evapora. Si faccia attenzione al fatto che, nonostante si abbia formazione di gas, non si tratta di una trasformazione chimica, bensì di una trasformazione fisica che non comporta un cambiamento delle specie chimiche in gioco. Semplicemente l'acqua passa dallo stato liquido a quello gassoso. Dunque i passaggi di stato sono tutti trasformazioni fisiche.

Se si mescolano insieme bicarbonato di sodio e succo di limone o aceto, si ha una formazione di gas (anidride carbonica) a discapito delle sostanze di partenza. Dunque, c'è un vero e proprio cambiamento di specie chimiche.

Come scrivere una reazione chimica

Grazie all'introduzione delle formule chimiche e del concetto di mole è possibile scrivere una reazione chimica in maniera tale da avere una completa descrizione della composizione e delle quantità di reagenti e prodotti. Una reazione chimica viene scritta nel seguente modo:

• Si scrivono le formule chimiche delle specie che reagiscono tra di loro nella reazione in esame, dette reagenti, e fra ognuno di essi si scrive un più, come se si stesse effettuando una somma matematica;
• Prima della formula di ogni reagente si scrive un numero (intero) che indica la proporzione tra le quantità numeriche di ciascun reagente. Tali numeri vengono detti coefficienti stechiometrici. Si ricordi che, essendo il numero di entità elementari presenti in un campione direttamente proporzionale alla massa molare della sostanza in esame con costante di proporzionalità pari alla costante di Avogadro, posso considerare i coefficienti stechiometrici espressi in moli. Se un coefficiente stechiometrico è pari a 1 viene tralasciato;
• A destra dei reagenti si inserisce una freccia di reazione, un simbolo che indica la direzione verso cui evolve la reazione. Le frecce di reazione danno informazioni sulla reazione e verranno trattate più avanti in questa stessa lezione;
• A destra della freccia di reazione si scrivono le formule chimiche delle specie risultanti dalla reazione chimica, dette prodotti di reazione, sotto forma di somma e accompagnati dai rispettivi coefficienti stechiometrici.
• Dopo la formula chimica di ogni specie si indica a pedice se la specie è solida _(s), liquida _(l), gassosa _(g) o in soluzione acquosa _(aq).

In numerose reazioni, inoltre, il decorso della reazione è accompagnato da fenomeni lampanti: la formazione di un gas (visibile di solito sotto forma di bollicine) o la formazione di un precipitato (un solido che si deposita sul fondo del recipiente). Questi due fenomeni vengono simboleggiati rispettivamente con una freccia verticale che punta in alto ($\uparrow$) e con una freccia verticale che punta in basso ($\downarrow$).

La reazione così scritta prende il nome di equazione chimica per i motivi che verranno adesso esposti.

Dalla reazione tra una molecola di idrossido di sodio (NaOH) e una molecola di acido cloridrico (HCl) si ottengono una molecola di cloruro di sodio e una molecola di acqua:

$NaOH_{(aq)}+HCl_{(aq)}\rightarrow NaCl_{(aq)}+H_{2}O_{(l)}$

Si noti che lo stesso ragionamento può essere fatto sostituendo molecole con moli. Si noti, inoltre, che la reazione avviene in soluzione acquosa.

Si consideri la reazione di decomposizione della nitroglicerina:

$4\ C_{3}H_{5}N_{3}O_{9(l)}\rightarrow 12\ CO_{2(g)}\uparrow +10\ H_{2}O_{(g)}\uparrow +6\ N_{2(g)}\uparrow +O_{2(g)}\uparrow$

Da 4 molecole di nitroglicerina si ottengono 12 molecole di anidride carbonica, 10 molecole di acqua, 6 molecole di azoto e 1 molecola di ossigeno.

Lo sapevi? La nitroglicerina fu scoperta e sintetizzata nel 1847 da Ascanio Sobrero, chimico e medico italiano. La nitroglicerina fu successivamente studiata da Alfred Nobel che la utilizzò per produrre la dinamite. Ascanio Sobrero ne studiò gli utilizzi in campo medico come vasodilatatore sanguigno.

Si notino alcune proprietà della scrittura di un'equazione chimica.

• Dal principio di conservazione della massa (Legge di Lavoisier) segue che la quantità di un singolo elemento a sinistra della freccia di reazione dev'essere uguale alla quantità dello stesso elemento a destra della freccia di reazione.
• Dal principio di conservazione della carica segue che se in una reazione sono presenti degli ioni, allora la somma delle cariche presenti a sinistra della freccia di reazione dev'essere uguale alla somma delle cariche a destra della freccia di reazione. Per la stessa ragione, vale un analogo discorso se all'interno di una reazione sono presenti dei radicali.

Si consideri la reazione di ionizzazione dell'acido cloridrico in acqua:

$HCl_{(aq)}\rightarrow H_{(aq)}^{+}+Cl_{(aq)}^{-}$

La molecola HCl non presenta alcuna carica netta quindi la somma delle cariche a sinistra della reazione è 0. Lo ione idrone presenta una carica positiva e lo ione cloruro presenta una carica negativa. La somma delle cariche a destra della reazione è dunque +1 + (-1) = 0.

Si consideri la reazione di scissione omolitica del cloro:

$Cl_{2(g)}\rightarrow 2Cl\cdot _{(g)}$

Osservando la tavola periodica, vediamo che il cloro appartiene al gruppo VII, dunque nel guscio più esterno contiene 7 elettroni. Nella molecola di cloro questi formano tutti delle coppie, sia di legame che di non legame. Quando avviene la scissione omolitica i due elettroni impegnati nel legame chimico tornano, per così dire, ciascuno al "legittimo proprietario" e vengono indicati con un puntino. Dunque a sinistra della reazione tutti gli elettroni sono appaiati. A destra della reazione abbiamo due radicali, ciascuno con un elettrone libero, dunque, si ha conservazione della carica (rappresentata dagli elettroni).

Si consideri la reazione (decomposizione dell'acqua regia):

$3\ HCl_{(aq)}+HNO_{3(aq)}\rightarrow NOCl_{(g)}\uparrow +Cl_{2(g)}\uparrow +2\ H_{2}O_{(l)}$

Si può facilmente verificare che la legge di conservazione della massa è rispettata.

Lo sapevi? L'acqua regia fu scoperta nell'VIII secolo d.C. dall'alchimista Jabir ibn Hayyan. L'acqua regia deve il suo nome alla sua capacità di sciogliere metalli nobili come l'oro, chiamato dagli alchimistia appunto "il re dei metalli", il platino e il palladio.

Classificazione delle reazioni chimiche

In una reazione chimica i numeri di ossidazione delle specie in gioco possono variare o rimanere invariate. Nel primo caso si parlerà di reazioni di ossidoriduzione che verranno ampiamente trattate nella successiva lezione. Oltre a questa classificazione, le reazioni possono essere raggruppate in quattro categorie: sintesi, decomposizione, scambio semplice e doppio scambio.

Reazioni di sintesi

Le reazioni di sintesi portano la trasformazione di due o più reagenti in un unico prodotto.

$A+B\rightarrow C$

La reazione di sintesi dell'acqua a partire dagli elementi: $2\ H_{2(g)}+O_{2(g)}\rightarrow 2\ H_{2}O_{(l)}$

Lo sapevi? Quali applicazioni pratiche trova la sintesi dell'acqua? La risposta a questa domanda sarà data nella parte riguardante le pile.

Reazioni di decomposizione

Si ha una reazione di decomposizione quando una solo reagente porta alla produzione di più prodotti. Si tratta nella maggior parte dei casi di reazioni a decorso violento, ovvero di reazioni che portano a esplosioni o simili.

$A\rightarrow B+C$

La reazione di decomposizione della nitroglicerina: $4\ C_{3}H_{5}N_{3}O_{9(l)}\rightarrow 12\ CO_{2(g)}\uparrow +10\ H_{2}O_{(g)}\uparrow +6\ N_{2(g)}\uparrow +O_{2(g)}\uparrow$

Lo sapevi? Nella reazione di decomposizione della nitroglicerina si ha un'esplosione. Perché? La spiegazione sarà data nella lezione riguardante le leggi dei gas.

Reazioni di scambio semplice o di sostituzione

Sono reazioni in cui si ha il passaggio di un elemento (solitamente sotto forma di ione) da una molecola ad un'altra (anche ad un altro singolo elemento).

$AB+C\rightarrow A+CB$

Un tipico esempio in chimica inorganica sono lo scambio di ioni ossido (O^2-) tra metalli: $FeO_{(s)}+Mg_{(s)}\rightarrow Fe_{(s)}+MgO_{(s)}$

Lo sapevi? Questa reazione ha applicazioni pratiche importantissime. Verranno esposte nella lezione riguardante la corrosione elettrochimica dei metalli.

Un tipico esempio in chimica organica sono le reazioni di sostituzione nucleofila, come la seguente: $CH_{3}I_{(aq)}+OH_{(aq)}^{-}\rightarrow CH_{3}OH_{(aq)}+I_{(aq)}^{-}$

Reazioni di doppio scambio o di metatesi

Sono reazioni in cui si ha lo scambio di ioni tra due molecole. In chimica organica lo scambio avviene tra gruppi funzionali o 'pezzi' di molecole e viene preferita la dicitura "reazioni di metatesi". $AB+CD\rightarrow AD+CB$

Numerosi sono gli esempi in chimica inorganica. A titolo di esempio: $Na_{2}SO_{4(aq)}+BaCl_{2(aq)}\rightarrow 2NaCl_{(aq)}+BaSO_{4(s)}\downarrow$

Lo sapevi? Questa reazione viene applicata in chimica analitica per la ricerca dei solfati.

Un tipico esempio in chimica organica è la reazione di metatesi olefinica che permette di ottenere numerosi composti di interesse industriale.

Lo sapevi? Yves Chauvin, Robert Grubbs e Richard Schrock vinsero il premio Nobel nel 2005 per lo sviluppo di catalizzatori per le reazioni di metatesi olefinica.

Le frecce di reazione

Le frecce di reazione poste nell'equazione chimica tra i reagenti e i prodotti danno informazioni di tipo qualitativo sulla reazione. Il discorso verrà trattato più specificamente nella parte sull'equilibrio chimico. Per il momento saranno date solo alcune spiegazioni.

La freccia singola parte dai reagenti e punta ai prodotti, dunque è sempre diretta verso destra. Essa indica che tutti i reagenti si trasformano in prodotti, ovvero che, nelle condizioni di reazione, non è possibile che i prodotti si trasformino di nuovo in reagenti.

Si consideri la reazione di combustione del metano. Il metano brucia in presenza di ossigeno portando alla produzione di acqua e anidride carbonica e saremmo parecchio sorpresi se l'acqua e l'anidride carbonica si combinassero per formare di nuovo metano e ossigeno. Dunque la freccia di reazione è una freccia singola.

$CH_{4(g)}+2\ O_{2(g)}\rightarrow CO_{2(g)}+2\ H_{2}O_{(l)}$

Lo sapevi? Sui fondali oceanici sono presenti grandi quantità di metano sotto forma di clatrati. Si tratta in pratica di molecole simili al ghiaccio che al loro interno contengono molecole di metano.

Quando in una reazione viene posta una doppia freccia tra reagenti e prodotti, vuol dire che la reazione è possibile in entrambi i sensi. Questo comporta che non tutti i reagenti si trasformeranno in prodotti.

Si consideri la reazione di sintesi dell'ammoniaca a partire dai suoi elementi costitutivi, azoto e idrogeno. Tale reazione è stata oggetto di interesse per gran parte del 19° secolo, a causa della crescente domanda di ammoniaca per scopi industriali e agricoli e fu studiata dai chimici Fritz Haber e Carl Bosch. La difficoltà incontrata nel progettare un metodo efficiente ed economico di produzione dell'ammoniaca è legato al fatto che, nelle condizioni di reazione, una volta formatasi, l'ammoniaca può dare una reazione di decomposizione negli elementi di origine. Nello scrivere la reazione di sintesi dell'ammoniaca sarà dunque necessario usare una doppia freccia.

$N_{2(g)}+3\ H_{2(g)}\leftrightharpoons 2\ NH_{3(g)}$

Lo sapevi? Fritz Haber ricevette il premio Nobel per la Chimica nel 1918 per il suo processo di sintesi dell'ammoniaca.

Nel caso di reazioni in cui c'è tutti i reagenti non si trasformano in prodotti ma comunque una delle due reazioni prevale sull'altra si usa una doppia freccia in cui la freccia che punta nella direzione della reazione sfavorita viene scritta più piccola dell'altra. Solitamente, si usa disegnare più piccola la freccia che punta verso i reagenti per indicare che la reazione diretta è favorita, mentre si disegna più piccola la freccia che punta verso i prodotti per indicare che la reazione diretta è sfavorita.

Esempio

Come si potrà vedere nel corso di chimica organica, le aldeidi e i chetoni possono trasformarsi nel relativo alcol enolico e viceversa, dunque nessuna delle due reazioni è mai completa. Comunque, si riscontra che la forma aldolica o chetonica è sempre favorita alla forma enolica per cui nello scrivere la reazione che avviene tra la forma chetonica o aldolica e quella enolica si usa una doppia freccia che evidenzia il verso favorito dalla reazione.

Soprattutto in chimica organica si usa scrivere sopra e/o sotto alla freccia di reazione le condizioni in cui avviene la reazione: temperatura, pressione, reagenti, etc...

Le due strutture di risonanza possibili per l'ozono.

La freccia a due punte viene usata per indicare due o più formule di risonanza di una specie chimica.