Laboratorio di chimica in casa/Le equazioni di reazione

Le reazioni chimiche vengono descritte da particolari equazioni (dette appunto equazioni di reazione o equazioni chimiche) in cui le molecole di partenza (reagenti) sono scritte a sinistra, mentre quelle prodotte dalla reazione (prodotti) sono scritte a destra. Per convalidare l'equazione viene usata una freccia.

La reazione riportata sopra è quella fra carbonato di sodio ed acido cloridrico. In essa sta scritto che una molecola di carbonato (Na₂CO₃) reagisce con due di acido cloridrico (2 HCl). I prodotti sono due molecole di cloruro di sodio (2 NaCl), una di anidride carbonica (CO₂) ed una di acqua (H₂O). I numeri riportati dietro le molecole si chiamano coefficienti stechiometrici ed indicano, come sarà stato già intuito, il numero di molecole che prendono parte alla reazione.

Per il momento ci limiteremo a capire come mischiare due sostanze data un'equazione di reazione già pronta, verrà spiegato nel capitolo seguente come fare ad intuire i prodotti che si formano e a bilanciare (cioè mettere i giusti rapporti di combinazione) le reazioni.

Dal punto di vista pratico però, quando si mischiano due sostanze, non è possibile contare le molecole contenute in un campione. Si dispone solo della massa (peso)^[1] del campione. Per questo è stata fissata una unità di misura per convertire la massa del campione in un numero preciso di molecole, chiamata mole. Ogni molecola ha un peso diverso, quindi una mole di sostanze diverse avrà pesi diversi relativi ad ogni sostanza, ma il numero di entità molecolari in essa contenute sarà sempre quella fissata per convenzione.

L'"unità di misura" che converte la massa in moli è la massa molare, espressa in g/mol (grammi ogni mole). Essa è stata misurata quella di ogni elemento chimico ed è riportata su ogni tavola periodica. ^[2]

Da esse è possibile ricavare la massa molare di una sostanza le masse atomiche degli elementi chimici che la compongono.^[3]

Na_{2}CO_{3}=2\times Na\ +\ C+\ 3\times O=2\times 22,99+12,01+3\times 16,00=105,99\ {\frac {g}{mol}}

Per convertire i grammi in moli basta dividere i grammi per la per la massa molare del composto (e viceversa).

Prendiamo come esempio 10 grammi di Na₂CO₃. Quante moli sono? Abbiamo detto che per calcolarle bisogna dividere la massa di carbonato per il suo peso formula (ricavato prima):

10\;g:\ 105,99\;{\frac {g}{mol}}\ =\ 0,0943485\;mol

Convertire dunque la massa in moli significa trovare quante molecole ci sono nel campione, ed è il primo passo da fare per iniziare qualsiasi calcolo chimico (chiamato calcolo stechiometrico).
A questo punto potremo chiederci: se usassimo quella quantità di carbonato per innescare la reazione proposta prima, quanti grammi di HCl dovremmo usare? Ora che conosciamo le moli di Na₂CO₃ sappiamo che dobbiamo usarne il doppio di quelle di HCl, stando ai coefficienti stechiometrici della reazione Na₂CO₃ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂O + CO₂.

0,0943485\;mol\times 2=\ 0,1886970\;mol

Ed ora che abbiamo le moli di acido possiamo scoprire quanto pesano moltiplicandole per la massa molare dell'HCl, così da trovare i grammi da utilizzare per la reazione.

HCl=H+Cl=1,00+35,46=36,46\;{\frac {g}{mol}}

0,1886970\;mol\times 36,46\;{\frac {g}{mol}}\ =\ 6,8798926\;g

In questo modo, combinando HCl e Na₂CO₃ otterremo i prodotti desiderati senza sprecare uno dei due reagenti (abbassando anche la purezza dei prodotti). Con lo stesso metodo si possono prevedere anche le masse dei prodotti che si otterranno:

NaCl=Na+Cl=22,99+35,46=58,45\;{\frac {g}{mol}}

$NaCl=0,0943485\;mol\times 2\times 58,45\;{\frac {g}{mol}}=11,0293424\;g$ ^[4]

$H_{2}O=2\times H+O=2\times 1,00+16,00=18,00\;{\frac {g}{mol}}$
$H_{2}O=0,0943485\;mol\times 18,00\;{\frac {g}{mol}}=1,6982734\;g$

$CO_{2}=C+2\times O=12,01+2\times 16,00=44,01\;{\frac {g}{mol}}$

CO_{2}=0,0943485\;mol\times 44,01\;{\frac {g}{mol}}=4,1522785\;g

Va infine fatta una considerazione importante sui coefficienti stechiometrici: essi indicano il rapporto fra i diversi reagenti, come in un'equazione matematica, e come tali possono essere scritti in modi diversi, purché rimangano nello stesso rapporto:^[5]

2\ HCl+Na_{2}CO_{3}\longrightarrow 2\ NaCl+CO_{2}+H_{2}O

è come scrivere

HCl+{\frac {1}{2}}\ Na_{2}CO_{3}\longrightarrow NaCl+{\frac {1}{2}}\ CO_{2}+{\frac {1}{2}}\ H_{2}O\

Anche se l'esempio riportato a destra sembra scritto in maniera più complicata, capiterà spesso di incontrare coefficienti frazionali nelle equazioni di reazione, così come capiterà spessissimo di non lavorare su intere moli di reagente ma su porzioni di esse. L'importante è che ogni volta le moli usate siano in proporzione come scritto nel rapporto stechiometrico (nell'esempio, l'equazione a destra usa la metà delle moli di HCl usate nella prima, e di conseguenza ne usa la metà di quelle di carbonato e produce la metà dei prodotti).

Tabella di riepilogo

Note

↑ Nel linguaggio scientifico peso e massa sono due concetti differenti: la massa esprime la quantità di materia, in multipli e sottomultipli del grammo; il peso invece è la forza con cui due corpi si attraggono per gravità, magnetismo ecc. e si misura in Newton. Per non avere confusione in testa basta tenere a mente che il peso che stiamo pesando su una bilancia in chimica viene chiamato massa e non peso, ma solo perché le bilance sono regolate per ricavare tale quantità subendo la forza attrattiva della Terra. Se si andasse su un altro pianeta, la Luna per esempio, il peso misurato dalla bilancia sarebbe diverso; indicherebbe una massa diversa perché la forza peso con cui la Luna ed il campione si attraggono reciprocamente è diversa. Ma la quantità di materia (massa) sarebbe sempre quella.
↑ Come detto nel capitolo La struttura degli atomi ogni elemento può avere più isotopi, cioè atomi con nuclei aventi un numero diverso di neutroni, e quindi peso diverso! Le masse atomiche riportate sulla tavola periodica sono quindi masse relative all'abbondanza degli isotopi che compongono l'elemento. Per esempio il silicio possiede tre isotopi stabili, ²⁸Si (14 n), ²⁹Si (15 n) e ³⁰Si (16 n). Quindi la massa di una mole di silicio sarà composta dal peso di ogni isotopo in percentuali diverse (tale massa comunque è uguale per qualsiasi campione, dato che l'abbondanza di ogni isotopo è equamente distribuita su tutto il pianeta).
↑ Tali valori sono riportati anche su Wikipedia, nella tabella posta a destra in ogni pagina sui composti chimici (infobox composto chimico) e si consiglia di riportarli anche sui contenitori delle sostanze di cui si dispone in laboratorio.
↑ Nell'equazione, il × 2 è il rapporto stechiometrico dell' NaCl: Na₂CO₃ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂O + CO₂.
↑ Se scriviamo l'equazione di reazione come un'equazione matematica si può notare che i termini si sono semplicemente scambiati di posto, raggruppandosi diversamente, come quando si applica la proprietà commutativa.

$(2Na+C+3O)+2\!\times \!(H+Cl)=2\!\times \!(Na+Cl)+(2H+O)+(C+2O)$

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Alcuni tipi di reazione chimica

[1] Nel linguaggio scientifico peso e massa sono due concetti differenti: la massa esprime la quantità di materia, in multipli e sottomultipli del grammo; il peso invece è la forza con cui due corpi si attraggono per gravità, magnetismo ecc. e si misura in Newton. Per non avere confusione in testa basta tenere a mente che il peso che stiamo pesando su una bilancia in chimica viene chiamato massa e non peso, ma solo perché le bilance sono regolate per ricavare tale quantità subendo la forza attrattiva della Terra. Se si andasse su un altro pianeta, la Luna per esempio, il peso misurato dalla bilancia sarebbe diverso; indicherebbe una massa diversa perché la forza peso con cui la Luna ed il campione si attraggono reciprocamente è diversa. Ma la quantità di materia (massa) sarebbe sempre quella.

[2] Come detto nel capitolo La struttura degli atomi ogni elemento può avere più isotopi, cioè atomi con nuclei aventi un numero diverso di neutroni, e quindi peso diverso! Le masse atomiche riportate sulla tavola periodica sono quindi masse relative all'abbondanza degli isotopi che compongono l'elemento. Per esempio il silicio possiede tre isotopi stabili, ²⁸Si (14 n), ²⁹Si (15 n) e ³⁰Si (16 n). Quindi la massa di una mole di silicio sarà composta dal peso di ogni isotopo in percentuali diverse (tale massa comunque è uguale per qualsiasi campione, dato che l'abbondanza di ogni isotopo è equamente distribuita su tutto il pianeta).

[3] Tali valori sono riportati anche su Wikipedia, nella tabella posta a destra in ogni pagina sui composti chimici (infobox composto chimico) e si consiglia di riportarli anche sui contenitori delle sostanze di cui si dispone in laboratorio.

[4] Nell'equazione, il × 2 è il rapporto stechiometrico dell' NaCl: Na₂CO₃ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂O + CO₂.

[5] Se scriviamo l'equazione di reazione come un'equazione matematica si può notare che i termini si sono semplicemente scambiati di posto, raggruppandosi diversamente, come quando si applica la proprietà commutativa.

$(2Na+C+3O)+2\!\times \!(H+Cl)=2\!\times \!(Na+Cl)+(2H+O)+(C+2O)$

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