REAZIONI CHIMICHE 2A+B î 3C + D reagenti Equazione chimica prodotti • Coefficienti stechiometrici: sono di norma i numeri interi più piccoli possibili • Indicare lo stato di aggregazione delle sostanze Na2CO3(s)+ 2 HCl(aq)d2 NaCl(aq)+ CO2(g)↑ + H2O(l) (s)=solido (l)=liquido (g)= gas (aq)= sol.acquosa Inoltre, in sol. acquosa: (s)oe (g)m Una reazione completamente spostata in un verso è detta quantitativa. Bilanciamento dell’equazione chimica Legge di Lavoisier della conservazione della massa p Bilancio di massa:m(reagenti) = m(prodotti) Bilancio di carica: q(reagenti) = q(prodotti) Le molecole vanno scritte in maniera corretta NO 2H+OdH2O SI’ 2H2+O2d2 H2O Reazioni in soluzione acquosa In una soluzione possono essere presenti sia molecole che ioni. Gli ioni possono originarsi da: 1)composti con reticolo ionico (sali, idrossidi..) NaCl, K2SO4, NaOH, Ca(OH)2 2)composti a struttura molecolare Esempi 1NaCl(aq) dNa+(aq) + Cl- (aq) (più corretto) H 2O ⎯→ Na+(aq) + Cl-(aq) (più breve) NaCl ⎯⎯ 2HCl(aq) + H2O(l) d Cl-(aq) + H3O+(aq) HCl + H2O d H3O+(aq) + Cl-(aq) • I composti a struttura ionica sono elettroliti forti. • Quelli a struttura molecolare sono più spesso o non elettroliti od elettroliti deboli. Classificazione delle reazioni chimiche Omogenee G H2(g) + Cl2(g) l 2HCl(g) HNO2(aq) + H2O(l) î H3O+(aq) + NO2-(aq) AQ Eterogenee MgCO3(s) î MgO(s) + CO2(g) 3 fasi AgNO3(aq) + NaCl(aq)î AgCl(s)↓ + NaNO3(aq) 2 fasi Reazioni 1. Redox: variazione del numero di ossidazione 2. Non redox: precipitazione, complessazione, acido-base (classificaz. di massima) Precipitazione BaCl2(aq) + Na2SO4(aq)d BaSO4(s)↓ + 2NaCl(aq) Ovvero BaCl2(aq) d Ba2+(aq) + 2 Cl-(aq) Na2SO4(aq)d 2Na+(aq)+SO42-(aq) Tutti i sali possibili sono solubili eccetto BaSO4, allora: Ba2+(aq) + SO42-(aq) d BaSO4(s) ↓ La reazione in forma ionica riporta gli ioni che reagiscono veramente: gli altri sono ioni spettatori. Na2SO4(aq) + 2 KNO3(aq) \ K2SO4(aq) + 2NaNO3(aq) Non è una reazione chimica! Complessazione 6 KCN(aq)+ FeCl2(aq) d K4[Fe(CN)6](aq)+2KCl(aq) 6 K+(aq)+6 CN(aq)+ Fe2+(aq)+2Cl-(aq) o 4K+(aq) + [Fe(CN)6]4-(aq)+2KCl(aq) +2K+ + 2Cl6 CN(aq)+ Fe2+(aq) d [Fe(CN)6]4-(aq) ~sale doppio K+ + Mg2+ + 3 Cl- KMgCl3 diverso da Ä sale complesso K+ + [MgCl3]- ione complesso ACIDI E BASI Teoria di Arrhenius(1884) Acido: cede protoni (H+) in soluzione acquosa Base: cede ioni idrossido (OH-) in soluzione acquosa Teoria di Bronsted-Lowry (1923) Acido: donatore di protoni Base: accettore di protoni 1. Senza accettore non c’è donatore 2. Prescinde dalla presenza di acqua Coppia coniugata Acido 1 î H + + Base1 Base 2 + H + î Acido 2 Acido 1+ Base 2 î Acido 2 + Base1 Reazione acido-base: è una competizione per i protoni fra due basi. La base coniugata di un acido forte (es. HCl) è debole(es.Cl-) La base coniugata di un acido debole (es. H2O) è forte (es.OH-) ESEMPI DI COPPIE CONIUGATE Acido1 Base 2 Acido 2 + î H2O + OH H3O î H3O+ HCl + H2O î NH4+ H2O + NH3 H2O + CO32- î HCO3H2O + HCO3- î (H2CO3) î HSH2O + S2î H2S H2O + HSHS-, HCO3- + + + + + + + Base 1 H2O ClOHOHOHOHOH- sono detti anfoliti H3O+ + Al(OH)3(H2O)3l[Al(OH)2(H2O)4]+ + H2O Al(OH)3(H2O)3 + OH- îH2O +[Al(OH)4(H2O)2]H3N+-CHR-COO- + OH- îH2O + H2N-CHR-COOH3N+-CHR-COO- + H3O+- î H3N+-CHR-COOH + H2O Aminoacidi Acido aminoacetico R H2N-C-COO H H H2N-C-COOH H [Al(OH)3(H2O)3] , comportamento anfotero H3N+-CHR-COO- Teoria di Lewis (1932) Acido: specie chimica in grado di accettare una “coppia solitaria” (elettrofilo) Base: specie chimica in grado di fornire una (o più) “coppie solitarie” (nucleofilo) base acido m H2O + Men+l[Me(H2O)m]n+ ione complesso base acido H2O + HCl l H3O+ +Cl“H2O è un agente nucleofilo più forte di Cl-“ Neutralizzazione - Si ottiene neutralizzazione quando sono presenti quantità stechiometricamente equivalenti di acido e di base - La soluzione risultante sarà rigorosamente neutra (pH 7) solo se l’acido e la base sono di egual forza. HCl(aq)+NaOH(aq) d NaCl(aq)+H2O(l) forma completa Ma HCl(aq) + H2O(l)d H3O+(aq) + Cl-(aq) NaOH(aq)d Na+(aq) +OH-(aq) Quindi H3O+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) +OH-(aq) o 2 H2O (l) + Cl-(aq) + Na+(aq) da cui: H3O+(aq) +OH-(aq)d2 H2O (l) forma ionica Altro esempio HI(aq) +KOH(aq)d KI(aq) + H2O(l) p H3O+(aq) + OH-(aq)d H2O (l) + H2O (l) A1 B2 B1 A2 Altro esempio CH3COONa(aq) + HCl(aq) îCH3COOH(aq) + NaCl(aq) CH3COONa(aq) dCH3COO-(aq) + Na+(aq) HCl(aq) + H2O(l)d H3O+(aq) + Cl-(aq) CH3COO-(aq) + Na+(aq) + H3O+(aq) + Cl-(aq) o CH3COO-(aq) + Na+(aq) + H3O+(aq) + Cl-(aq) Ma CH3COOH è un acido debole, perciò poco dissociato: CH3COO-(aq) + H3O+(aq) ì CH3COOH(aq) +H2O(l) Si dice infatti: “un acido forte sposta un acido debole da un suo sale” HNO2(aq) + KOH(aq) î KNO2(aq) + H2O(l) HNO2(aq) + K+ + OH-(aq) î K+ +NO2-(aq) + H2O(l) HNO2(aq) + OH-(aq) î NO2-(aq) + H2O(l) A1 B2 B B1 B A2 Di seguito si riportano alcune reazioni acido-base che avvengono con sviluppo di gas: NH4+(aq) + OH-(aq) dNH3(g)m + H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+(aq) dCO2(g)m + 2 H2O(l) CO32-(aq) + 2 H3O+(aq) d CO2(g)m + 3 H2O(l) S2-(aq) + 2 H3O+(aq) dH2S (g)m + 3 H2O(l) HSO3-(aq) + H3O+(aq) dSO2(g)m + 2H2O(l) SO32-(aq) + 2 H3O+(aq) dSO2(g)m + 3H2O(l) (Si possono trovare descritte come categoria a parte, ma la produzione di gas non identifica il fenomeno dal punto di vista chimico) Ossidi anfoteri SnO SnO(s) + 2HCl(aq)î SnCl2(aq) + H2O(l) comportam.basico SnO(s) + 2 NaOH(aq)î Na2SnO2(aq) + H2O(l) comp.acido ZnO ZnO(s) + 2H3O+(aq)î Zn2+(aq) + 3H2O(l) ZnO(s) + 2 OH-(aq) + 2 H2O(l)î [Zn(OH)4]2-(aq) Cromo CrO ossido basico Cr2O3 ossido anfotero CrO3 ossido acido Cr2O3(s) + 6H3O+(aq)î2 Cr3+(aq) + 9H2O(l) Cr2O3(s)+ 2 OH-(aq) î 2 CrO2-(aq) + H2O(l) Manganese MnO ossido basico MnO2 ossido anfotero MnO3 ossido acido Mn2O7 ossido acido MnO2(s) + 4 H3O+(aq)î Mn4+(aq) + 6H2O(l) MnO2(s) + 2 OH-(aq) î MnO3(aq) + H2O(l) Se un elemento dà luogo a più ossidi basici, le proprietà basiche sono più marcate nell’ossido con il più basso n.o. Se un elemento dà luogo a più ossidi acidi, le proprietà basiche sono più marcate nell’ossido con il più alto n.o. Al2O3 Al2O3(s) + 6 H3O+(aq)+ 3 H2O(l) î 2 [Al (H2O)6]3+ Al2O3(s) + 2 OH-(aq)+ 3 H2O(l) î 2 [Al (OH)4]Al2O3(s) + 6 HCl(aq) î 2AlCl3 + 3H2O Al2O3(s) + 2 NaOH(aq) î 2 NaAlO2(aq) + H2O(l) REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE (REDOX) Avviene un trasferimento di elettroni da uno ad un altro atomo delle specie in reazione. Primo concetto di ossidazione: combinazione con ossigeno: C + O2 d CO2 H2 + ½ O2dH2O 2 Fe + 3/2 O2 dFe2O3 Tuttavia un elemento può essere ossidato da una specie diversa dall’ossigeno C + 2 F2 dCF4 H2 + F2 d2 HF 2 Fe + 3 F2 d 2 FeF3 2 Na + Cl2 d2 NaCl Il processo può essere scisso in due fasi: a)ossidazione di Na metallico NadNa+ + e1-Aumenta il numero d’ossidazione 2-Perdita di elettroni rimozione di un elettrone da un atomo Na (Na+) e suo trasferimento ad un atomo di cloro (dCl-) b)riduzione di Cl2: ½ Cl2 + e- dCl1-Diminuisce il numero d’ossidazione 2-Acquisto di elettroni Esempio di redox (da bilanciare!) H2S(aq) + HNO3(aq)d S(s) + H2O(l) + NO(g) S -2d0 2m un atomo il cui n.o. aumenta si ossida N +5d+2 3o un atomo il cui n.o. diminuisce si riduce H2S è un agente riducente HNO3 è un agente ossidante Le reazioni redox in soluzione acquosa sono reazioni che avvengono con scambio di elettroni Il rapporto quantitativo con cui reagiscono ossidante e riducente deve essere tale che: Numero di elettroni Numero di elettroni acquistati dall’ossidante = ceduti dal riducente Bilanciamento di una reazione redox (già impostata) 1. Si determinano ossidante e riducente. 2. Se esistono più possibilità si scelgono il miglior ossidante (E°>) ed il miglior riducente (E°<). (riguardo a questo punto vedere oltre) 3. Si calcola la diminuzione del n.o per l’ossidante, l’aumento del n.o per il riducente. 4. Si attribuiscono alle due specie i coefficienti in modo che il saldo elettronico sia nullo. 5. Si prosegue poi il bilancio come per le altre reazioni chimiche Forma ionica 1. Completare i bilanci di massa e di carica. 2. I coefficienti delle specie che si ossidano e riducono normalmente non cambiano, a meno che queste non partecipano ad altre reazioni. 3. Per bilanciare le cariche si introducono dal lato opportuno ioni H3O+ se la reazione avviene in soluzione acida, ioni OH- se avviene in soluzione basica. 4. Il bilancio di massa termina di solito col controllo degli ioni ossigeno. Forma completa 1. Si scrivono tutti i prodotti che si formano in seguito alla reazione in forma ionica. 2. Le molecole si scrivono per esteso, gli ioni si uniscono con gli ioni di partenza di segno opposto. Occorre infine abbinare gli ioni spettatori ai ”corrispondenti” controioni. USO DI SEMIREAZIONI NEL BILANCIO STECHIOMETRICO Usare la tabella dei potenziali standard in soluzione acquosa a 25°C. E°= potenziale standard di riduzione Una reazione è possibile se E°oxid>E° rid Ogni coppia agisce da ossidante nei confronti delle coppie che la precedono nella tabella (E° < algebricamente), e da riducente verso quelle che la seguono. Questo punto è da tenere presente per scrivere quelle reazioni in cui sono possibili più ossidanti e più riducenti. Esempio Fe3+(aq) + Co2+(aq) dFe2+(aq) + Co3+(aq)?? E°Fe3+/Fe2+ = + 0.77 V ⇒ Eoxid< E°rid E°Co3+/Co2+ = + 1.82 V Reazione non possibile Sarà possibile la reazione opposta: Fe2+(aq) + Co3+(aq) dFe3+(aq) + Co2+(aq) Si deve verificare infatti la condizione: E°oxid (coppia ossidante)> E°rid (coppia riducente) Es. KMnO4 + NaBr + H2SO4d? 1)MnO4- + 8 H3O+ + 5e-îMn2+ + 12 H2O E°=1.51V E°=1.065V 2)Br2 + 2e- î2BrE°1>E°2⇒la reazione avviene 2 MnO4- + 8 H3O+ + 5e-î Mn2+ + 12 H2O 5 Br2 + 2e- î 2Br2MnO4- + 16 H3O+ +10 Br - î5Br2 î2 Mn2+ + 24 H2O Ricapitolazione dell’uso di semireazioni 1. Indicare gli ioni e le specie molecolari presenti in soluzione. 2. Individuare le coppie redox (miglior ossidante vs. miglior riducente). 3. Copiare le coppie redox nel verso corretto. 4. La reazione è possibile se E°ox>E°red , ed è inoltre spostata verso destra se E°ox -E°red>0.3V. 5. Si bilanciano gli elettroni, moltiplicando opportunamente le semireazioni, e si somma membro a membro. Reazioni di dismutazione Esempi Cu2SO4(aq)dCu(s) + CuSO4(aq) 2 H2O2(aq) d2 H2O(l) + O2(g) A m + d B n + dC p + E°(A/B) m>n>p E°(B/C) Se E°(B/C) > E°(A/B) si ha dismutazione 2B î C + A Perché? E°(B/C)> E°(A/B) ⇒ B può ossidare B ad A, riducendosi a C. Riprendiamo ora gli esempi, giustificandoli. E°=0.15 E°=0.52 2+______ +_______ Cu dCu dCu0 dismuta Cu2SO4(aq)dCu(s) + CuSO4(aq) E°=0.77 E°=-0.44 Fe3+______dFe2+______dFe0 non dismuta ⇒reaz. opposta Fe + 2 Fe3+ d3 Fe2+ E°=0.68 E°=1.77 O2_______dH2O2______dH2O dismuta H2O2 + 2 H3O+ + 2e- î4 H2O H2O2 + 2 H2O îO2 +2 H3O+ + 2e_______________________________________ E°=1.77 V E°=0.68 V 2 H2O2 î 2H2O + O2 E°= 1.63 ______ HClO E°= 1.36 dCl2________dCl- E°= 0.40 ambiente acido NO E°= 1.36 ClO-_______dCl2_________dCl- ambiente basico SI’