unità g1 Aspetti formalie ponderali delle reazioni chimiche

Quando abbiamo studiato le trasformazioni chimiche, cioè le trasformazioni che avvengono con variazione della composizione della materia, ci siamo limi-tati 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 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, con-siste nella rottura di legami tra gli atomi e nella for-mazione di nuovi legami. In una trasformazione chimica, quindi, gli atomi presenti nei reagenti si riag-gregano in maniera diversa per dar luogo alla forma-zione 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 rappre-sentare una reazione chimica mediante un’equazione, chiamata appunto equa-zione 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:

obiettivoL’equazione chimica1

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.

C

1 molecola di H2O

CO2O2

carbonio si combina con ossigeno per dare biossidodi carbonio

Accanto a ogni simbolo o formula, inoltre, vengono inserite abbreviazioni fra parentesi per specificare lo stato fisico dei reagenti e dei prodotti:

(s) indica lo stato solido; (l) indica lo stato liquido; (g) indica lo stato gassoso; (aq) indica la soluzione acquosa.

modulo g Le reazioni chimiche218

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 for-mazione 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) ↑

Saper bilanciare un’equazione attraverso l’uso dei coefficienti stechiometrici

obiettivo

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 nume-ro di atomi di ciascun elemento presente a destra della freccia. Allora, per bilan-ciare 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.

Il bilanciamento di un’equazione chimica

2

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. V F

6. Il simbolo di una freccia verso l’alto posto accanto alla formula di un prodotto indica la formazione di un gas. V F

STOP test di controllo

Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche 219g1unità

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 biato-mica 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 sem-plice 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 coef-ficiente 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.

+ –––––>

modulo g Le reazioni chimiche220

Dobbiamo allora porre il coefficiente 4 davanti ad Al per ottenere anche il suo bilanciamento:

4Al(s) + 3O2(g) –––––> 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.

ApplicaBilancia le seguenti reazioni:a. Ca + O2 –––––> CaOb. Fe + O2 –––––> Fe2O3

N 2 2H 6 6

Elemento Atomi nei reagenti Atomi nei prodotti

2. Prova a bilanciare l’equazione chimica relativa alla combustione del metano, una sostanza contenen-te carbonio e idrogeno, che combinandosi con l’os-sigeno produce anidride carbonica e acqua.

– Scrivi l’equazione non bilanciata usando le relative formule chimiche:

CH4(g) + O2(g) –––––> CO2(g) + H2O(g)

non bilanciata

– 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

– Come puoi osservare, a destra dell’equazione vi sono 4 atomi di ossigeno, mentre a sinistra soltanto 2, per cui occorre porre il coefficiente 2 davanti a O2:

CH4(g) + 2O2(g) –––––> CO2(g) + 2H2O(g)

bilanciata

– Verifica infine il corretto bilanciamento dell’equazione contando gli atomi di ciascun elemento presenti nei reagenti e nei prodotti.

ApplicaBilancia le equazioni relative alle reazioni di com-bustione di:

a. etano, C2H6b. propano, C3H8

C 1 1H 4 4O 4 4

Elemento Atomi nei reagenti Atomi nei prodotti

Aspetti formali e ponderali delle reazioni chimiche 221g1unità

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 le formule chimiche di tutte le specie coinvolte:

Fe2(SO4)3(aq) + Ba(NO3)2(aq) ––––>

––––> Fe(NO3)3(aq) + BaSO4(s)↓

non bilanciata

– In questa equazione compaiono gruppi poliatomici: il solfato, SO4, e il nitrato, NO3, che vanno considerati come unità da bilanciare globalmente.

– 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

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

Fe2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) ––––>

––––> 2Fe(NO3)3(aq) + 3BaSO4(s)↓

bilanciata

– Verifica se la reazione è correttamente bilanciata contando gli atomi di ciascun elemento presente nei reagenti e nei prodotti, costruendo l’apposita tabella.

ApplicaScrivi 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.

Fe 2 2S 3 3O 30 30Ba 3 3N 6 6

Elemento Atomi nei reagenti Atomi nei prodotti

STOP test di controllo

Completa le frasi inserendo le parole mancanti.

1. In una reazione bilanciata il numero degli atomi di

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 ……........................…......

Stabilisci se le seguenti affermazioni sono vere(V) o false(F).

4. I coefficienti stechiometrici sono i numeri che precedono i simboli e le formule nelle reazioni bilanciate. V F

5. La reazione: 2 Al(s) + 3 Cl2(g) ––––> 2 AlCl3(s) è bilanciata. V F

6. La reazione: Mg(s) + H2O(l) ––––> Mg(OH)2(s) + H2(g) è bilanciata. V F

7. La reazione: NO(g) + O2(g) ––––> NO2(g) è bilanciata. V F