unità g1 Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche

i g t c
unità g1
obiettivo
x÷
–+
Aspetti formali
e ponderali delle
reazioni chimiche
1 L’equazione chimica
Saper rappresentare una
trasformazione chimica
mediante un’equazione che
utilizza simboli e formule
Fig. 1 Un esempio di
formazione di solido insolubile:
la precipitazione del cromato
d’argento.
Quando abbiamo studiato le trasformazioni chimiche, cioè le trasformazioni che
avvengono con variazione della composizione della materia, ci siamo limitati soltanto a descrivere i fenomeni che le accompagnano e tra questi lo sviluppo
di gas, la formazione di un solido insolubile, il cambiamento di colore, l’emissione
1 molecola
di H2O
o l’assorbimento
di energia sotto forma di luce e/o calore.
Il cambiamento nella composizione della materia che,
come sappiamo, è costituita da atomi e molecole, consiste nella rottura di legami tra gli atomi e nella formazione di nuovi legami. In una trasformazione
chimica, quindi, gli atomi presenti nei reagenti si riaggregano in maniera diversa per dar luogo alla formazione dei prodotti.
Ora che siamo in grado di classificare le sostanze e di
rappresentare le loro molecole con le formule, possiamo
dare una rappresentazione formale delle reazioni.
Utilizzando i simboli per gli atomi e le formule per le molecole, possiamo rappresentare una reazione chimica mediante un’equazione, chiamata appunto equazione chimica, ponendo a sinistra i simboli o le formule dei reagenti, mentre a
destra, separati da una freccia, vengono posti i simboli o le formule dei prodotti.
La combustione del carbonio, per esempio, può essere così schematizzata:
carbonio
si combina con
ossigeno
per dare
biossido
di carbonio
Accanto a ogni simbolo o formula, inoltre, vengono inserite abbreviazioni fra
parentesi per specificare lo stato fisico dei reagenti e dei prodotti:
(s)
(l)
(g)
(aq)
indica lo stato solido;
indica lo stato liquido;
indica lo stato gassoso;
indica la soluzione acquosa.
218
modulo
g
i g t c
Le reazioni chimiche
x÷
–+
Quando il prodotto ottenuto è un gas, accanto alla sua formula si inserisce una
freccia rivolta verso l’alto ↑, per indicare che il prodotto gassoso ottenuto si
allontana dal sistema.
Quando, invece, il prodotto ottenuto è un solido insolubile nel mezzo in cui
avviene la reazione, si usa una freccia rivolta verso il basso ↓, per indicare la formazione di una sostanza insolubile che “precipita”.
L’equazione che descrive la combustione del carbonio può essere quindi così
completata:
C(s) + O2(g) –––––
> CO2(g) ↑
Clicca qui per eseguire
il test interattivo
STOP test di controllo
Completa le frasi inserendo le parole mancanti.
1. Una reazione chimica può essere rappresentata da una
……..............................…..
che
pone a sinistra i …….................….. e a destra, separati da una ……................................…..,
i …….....................…...
2. Una trasformazione chimica è un processo che comporta rottura di legami negli
atomi dei
…….................…..
e formazione di nuovi
…….........................…..
negli atomi
dei …….........................…...
Stabilisci se le seguenti affermazioni sono vere(V) o false(F).
3. Una reazione chimica può essere accompagnata da emissione di luce.
V F
4. Per la reazione: H2(g) + O2(g) –––––
> H2O(l), H2O è un reagente.
V F
5. In una equazione chimica l’abbreviazione (aq) posta a pedice
tra parentesi indica lo stato fisico della sostanza.
6. Il simbolo di una freccia verso l’alto posto accanto alla formula
di un prodotto indica la formazione di un gas.
obiettivo
V F
V F
2 Il bilanciamento
Saper bilanciare
un’equazione attraverso l’uso
dei coefficienti stechiometrici
di un’equazione chimica
Una trasformazione chimica, come già sai, deve sempre rispettare la legge della
conservazione della massa. Gli atomi presenti nei reagenti, infatti, si ritrovano
anche nei prodotti, sebbene combinati in maniera diversa.
Pertanto possiamo dire che la legge di conservazione della massa diventa anche la
legge di conservazione degli atomi.
Ogni equazione chimica deve essere bilanciata, il che avviene quando il numero
di atomi di ciascun elemento che si trova a sinistra della freccia è uguale al numero di atomi di ciascun elemento presente a destra della freccia. Allora, per bilanciare l’equazione, davanti alla formula di ciascuna sostanza si pongono opportuni
coefficienti, denominati coefficienti stechiometrici.
È importante notare che ogni coefficiente moltiplica anche gli indici posti a pedice
dei simboli degli elementi presenti nella formula. Così, per esempio, se scriviamo
3H2O, il 3 posto davanti alla formula H2O porta a 6 (3 · 2) gli atomi di idrogeno e
a 3 (3 · 1) gli atomi di ossigeno.
i g t c
x÷
–+
unità g1 Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche
Prendiamo in considerazione, per esempio, la reazione che avviene tra l’idrogeno
e il cloro, per dare acido cloridrico.
Poiché sappiamo che sia l’idrogeno che il cloro sono molecole biatomiche, esse
dovranno essere rappresentate dalle formule H2 e Cl2 rispettivamente.
In tal modo però l’equazione:
H2(g) + Cl2(g)
+
–––––
>
HCl(g)
non bilanciata
–––––
>
non risulta bilanciata.
Per bilanciarla, basterà porre il coefficiente 2 davanti alla formula HCl:
H2(g) + Cl2(g)
+
–––––
>
2HCl(g)
bilanciata
–––––
>
In questo modo l’equazione risulta bilanciata e ci indica che “1 molecola biatomica di idrogeno, H2, reagisce con 1 molecola biatomica di cloro, Cl2 per dare
2 molecole di acido cloridrico HCl”.
Proviamo ora a bilanciare un’equazione che presenta qualche difficoltà in più,
come quella dell’alluminio metallico, Al, che, riscaldato in presenza di ossigeno,
O2, forma l’ossido di alluminio, un solido bianco la cui formula è Al2O3. La semplice equazione è:
Al(s) + O2(g)
+
–––––
>
Al2O3(g)
non bilanciata
–––––
>
non risulta bilanciata in quanto a sinistra compaiono 2 atomi di ossigeno, mentre
a destra ne compaiono 3; inoltre a sinistra compare un solo atomo di alluminio,
mentre a destra sono 2.
Per ottenere il bilanciamento dell’ossigeno possiamo prendere in considerazione il
minimo comune multiplo tra i coefficienti 2 e 3, pari a 6. Poniamo quindi il coefficiente 3 davanti a O2 per avere 6 atomi di ossigeno nei reagenti e il coefficiente 2
davanti ad Al2O3 per avere 6 atomi di ossigeno nei prodotti.
In tal modo però l’equazione:
Al(s) + 3O2(g)
+
–––––
>
2Al2O3(g) non bilanciata
–––––
>
risulta bilanciata rispetto all’ossigeno, ma non rispetto all’alluminio, in quanto a
sinistra troviamo un solo atomo di questo elemento, mentre a destra ne troviamo 4.
219
220
modulo
g
i g t c
Le reazioni chimiche
x÷
–+
Dobbiamo allora porre il coefficiente 4 davanti ad Al per ottenere anche il suo
bilanciamento:
4Al(s) + 3O2(g)
Clicca qui per accedere
alla scheda
Alcuni criteri per
bilanciare un’equazione
chimica
–––––
>
+
2Al2O3(g)
bilanciata
–––––
>
Come vedi, non è possibile trovare un criterio generale per bilanciare un’equazione
chimica; negli esempi appena riportati, infatti, avrai notato che i coefficienti sono
stati scelti di volta in volta per ripetuti tentativi, fino a raggiungere il bilanciamento
voluto. Negli esempi svolti troverai comunque alcuni criteri generali da utilizzare
come linee guida per eseguire il bilanciamento delle equazioni.
Segui l’esempio
1.Bilancia la seguente equazione chimica relativa
alla reazione tra azoto e idrogeno per ottenere
ammoniaca:
N2(g) + H2(g) –––––
> NH3(g)
– Nell’equazione compaiono 2 atomi di
idrogeno a sinistra e 3 a destra. Poiché
il minimo comune multiplo tra 2 e 3 è 6,
questo sarà il numero più piccolo di atomi di
idrogeno che possiamo avere come reagenti
e come prodotti.
– Per il bilanciamento, pertanto, occorrono
3 molecole di idrogeno e 2 di ammoniaca:
N2(g) + 3H2(g) –––––
> 2NH3(g)
– Verifica se la reazione è correttamente
bilanciata controllando se il numero di atomi
di ciascun elemento presente nei reagenti
corrisponde al numero degli atomi presenti
nei prodotti, costruendo un’apposita tabella.
Elemento
Atomi nei reagenti
Atomi nei prodotti
N
H
2
6
2
6
Applica
Bilancia le seguenti reazioni:
a. Ca + O2 –––––
> CaO
b. Fe + O2 –––––
> Fe2O3
2.Prova a bilanciare l’equazione chimica relativa alla
combustione del metano, una sostanza contenente carbonio e idrogeno, che combinandosi con l’ossigeno produce anidride carbonica e acqua.
–Come puoi osservare, a destra dell’equazione
–Scrivi l’equazione non bilanciata usando le
CH4(g) + 2O2(g) –––––
> CO2(g) + 2H2O(g)
relative formule chimiche:
CH4(g) + O2(g) –––––
> CO2(g) + H2O(g)
non bilanciata
vi sono 4 atomi di ossigeno, mentre a sinistra
soltanto 2, per cui occorre porre
il coefficiente 2 davanti a O2:
bilanciata
–Verifica infine il corretto bilanciamento
dell’equazione contando gli atomi di ciascun
elemento presenti nei reagenti e nei prodotti.
–Dal momento che l’ossigeno compare in
due prodotti differenti, effettueremo il
suo bilanciamento per ultimo. Iniziamo,
pertanto, col bilanciare prima il carbonio,
poi l’idrogeno e per ultimo l’ossigeno.
Nel nostro caso, però, il carbonio risulta
già bilanciato, mentre per bilanciare gli
idrogeni, presenti in numero di 4 a sinistra e
2 a destra dell’equazione, occorrerà porre il
coefficiente 2 davanti ad H2O.
CH4(g) + O2(g) –––––
> CO2(g) + 2H2O(g)
non bilanciata
Elemento
Atomi nei reagenti
Atomi nei prodotti
C
H
O
1
4
4
1
4
4
Applica
Bilancia le equazioni relative alle reazioni di combustione di:
a. etano, C2H6
b. propano, C3H8
i g t c
x÷
–+
unità g1 Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche
3.Scrivi e bilancia la reazione tra solfato ferrico e
nitrato di bario per dare nitrato ferrico e solfato
di bario, che si ottiene come precipitato solido
insolubile.
–Scrivi l’equazione non bilanciata utilizzando
Fe2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) ––––
>
––––
> 2Fe(NO3)3(aq) + BaSO4(s)↓
non bilanciata
–Quest’ultimo coefficiente ha sbilanciato gli
atomi di bario a destra dell’equazione, per
cui occorrerà porre, questa volta a destra, il
coefficiente 3 davanti a BaSO4
le formule chimiche di tutte le specie
coinvolte:
Fe2(SO4)3(aq) + Ba(NO3)2(aq) ––––
>
Fe2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) ––––
>
––––
> Fe(NO3)3(aq) + BaSO4(s)↓
––––
> 2Fe(NO3)3(aq) + 3BaSO4(s)↓
non bilanciata
–In questa equazione compaiono gruppi
poliatomici: il solfato, SO4, e il nitrato,
NO3, che vanno considerati come unità da
bilanciare globalmente.
bilanciata
–Verifica se la reazione è correttamente
bilanciata contando gli atomi di ciascun
elemento presente nei reagenti e nei
prodotti, costruendo l’apposita tabella.
–Per bilanciare l’equazione prova per
tentativi, alternativamente da sinistra a
destra e viceversa, a porre gli opportuni
coefficienti davanti a ciascuna specie
iniziando da un qualunque elemento scelto
come “elemento chiave”.
–Se scegli il ferro come “elemento chiave”,
dovrai porre il coefficiente 2 davanti a
Fe(NO3)3.
Fe2(SO4)3(aq) + Ba(NO3)2(aq) ––––
>
––––
> 2Fe(NO3)3(aq) + BaSO4(s)↓
non bilanciata
–Il coefficiente 2 che hai posto davanti a
Fe(NO3)3 raddoppia anche il numero di gruppi
NO3 (2 · 3 = 6), per cui occorrerà bilanciarli
a loro volta, ponendo il coefficiente 3
davanti a Ba(NO3)2
Elemento
Atomi nei reagenti
Atomi nei prodotti
Fe
S
O
Ba
N
2
3
30
3
6
2
3
30
3
6
Applica
Scrivi e bilancia le equazioni relative
alle seguenti reazioni:
a.cloruro di sodio che reagisce con il nitrato
d’argento per dare nitrato di sodio e cloruro
di argento che precipita sotto forma di solido
insolubile;
b.cloruro di calcio che reagisce con fosfato
di sodio per dare cloruro di sodio e fosfato
di calcio insolubile.
Clicca qui per eseguire
il test interattivo
STOP test di controllo
Completa le frasi inserendo le parole
mancanti.
Stabilisci se le seguenti affermazioni sono
vere(V) o false(F).
1. In una reazione bilanciata il numero degli atomi di
4. I coefficienti stechiometrici sono i numeri
ogni elemento presente nei
……....................................…..
deve essere .................................….. al numero degli atomi
dello stesso elemento presente nei …….......................…...
2. Un’equazione chimica bilanciata rispetta la legge di
……......................................…..
degli atomi.
3. In un’equazione chimica, i numeri davanti alla formula
di ciascuna sostanza sono detti ……........................…......
che precedono i simboli e le formule
nelle reazioni bilanciate.
5. La reazione:
2 Al(s) + 3 Cl2(g) ––––
> 2 AlCl3(s) è bilanciata.
6. La reazione:
Mg(s) + H2O(l) ––––
> Mg(OH)2(s) + H2(g)
è bilanciata.
7. La reazione:
NO(g) + O2(g) ––––
> NO2(g) è bilanciata.
V F
V F
V F
V F
221