Unità B1
Rappresentare
le
reazioni
Conversioni
Unità 6 Il percorso delle idee
Rappresentare le reazioni
Le equazioni chimiche: come scrivere
le reazioni
Le reazioni chimiche sono la base di tutte le trasformazioni della
materia e per rappresentarle è necessario utilizzare una scrittura
appropriata. In particolare, si deve mettere in evidenza come le
sostanze che si trasformano siano formate da particelle.
Per rendere chiare queste informazioni, si utilizza l’equazione
chimica, nella quale compaiono i simboli degli elementi o le
formule dei composti che partecipano alle reazioni.
Le equazioni chimiche
Rappresentare le reazioni
L’equazione chimica, però, fornisce solo una descrizione
qualitativa della reazione.
In altre parole, ci dice che cosa avviene, ma, così come l’abbiamo
scritta:
H2 + Cl2
HCl
non rispetta la legge di Lavoisier: gli atomi di idrogeno, per
esempio, sono due a sinistra e uno a destra e lo stesso accade per
il cloro.
Perché l’equazione possa rappresentare correttamente la reazione
chimica, è necessario fare in modo che sia rispettato anche
l’aspetto quantitativo della trasformazione: deve essere, come si
dice, bilanciata.
Le equazioni chimiche
Rappresentare le reazioni
Ecco una rappresentazione schematica di alcuni esempi che
possono chiarire il significato dei più importanti simboli utilizzati
nella scrittura delle equazioni chimiche.
Le equazioni chimiche
Rappresentare le reazioni
Per il bilanciamento di una reazione si procede per gradi,
attenendosi alle regole seguenti.
1. Scrivere le formule dei reagenti a sinistra e quelle dei prodotti
a destra, separandoli con una freccia; se vi sono più reagenti o
più prodotti, separare le rispettive formule con un segno “+”.
2. Contare quanti atomi di ogni elemento vi sono da entrambe le
parti dell’equazione.
Gruppi di atomi che compaiano inalterati prima e dopo la
freccia vengono considerati come blocco unico.
3. Iniziare il bilanciamento a partire dall’elemento presente nel
minor numero di composti (in genere non conviene partire da
idrogeno e ossigeno) usando i necessari coefficienti
stechiometrici.
Le equazioni chimiche
Rappresentare le reazioni
Il coefficiente stechiometrico è un numero intero che si pone davanti
alle formule di ogni composto nelle reazioni chimiche (se vale 1 viene
sottinteso). Il bilanciamento deve essere ottenuto variando solo i
coefficienti e non gli indici di una formula, poiché ciò significherebbe
rappresentare sostanze diverse.
4. Si procede bilanciando uno alla volta tutti gli altri elementi (o gruppi)
cambiando, se necessario, soltanto i coefficienti stechiometrici.
5. Bilanciati tutti gli elementi, i coefficienti utilizzati deveono avere il
valore minimo possibile; per esempio: se tutti i coefficienti sono
divisibili per 2 si deve semplificare.
Le equazioni chimiche
Rappresentare le reazioni
Vediamo un altro esempio.
Le equazioni chimiche
Rappresentare le reazioni
Ancora un esempio.
Le equazioni chimiche
Rappresentare le reazioni
Massa atomica e massa molecolare
Il concetto di massa atomica relativa che già conosciamo è
quello che tuttora viene utilizzato, anche se l’unità di misura di
riferimento è stata cambiata più volte.
Dalton introdusse come massa di
riferimento quella dell’atomo di idrogeno,
ma successivamente Berzelius preferì
ricorrere a 1/16 della massa dell’ossigeno.
Questo perché il metodo utilizzato per la
definizione della massa atomica di un
elemento si basava sulla determinazione
della quantità di esso che reagisce con
l’ossigeno.
È stata poi introdotta una modifica, per cui
attualmente si fa riferimento al 12C (si
legge “ci dodici”), che è un particolare
atomo di carbonio.
Unità di massa atomica
Rappresentare le reazioni
Quando nelle nostre tavole troviamo che la massa atomica
relativa dell’azoto è 14,0067, ciò sta a significare che la massa di
un atomo di azoto è 14,0067 volte 1/12 della massa di 12C.
La massa assoluta dell’azoto (massaN) ha lo stesso valore
numerico, ma è espressa in u.
La differenza tra massa atomica relativa e massa atomica
assoluta sta infatti proprio nelle dimensioni: la prima è
adimensionale (14,0067 per l’azoto) in quanto è un rapporto,
mentre la seconda è espressa in u (14,0067 u per l’azoto).
La massa atomica relativa di tutti gli elementi, che d’ora in poi
chiameremo per semplicità massa atomica (MA), è riportata nella
slide seguente.
Unità di massa atomica
Rappresentare le reazioni
Unità di massa atomica
Rappresentare le reazioni
La massa relativa si utilizza non solo per gli elementi, ma anche
per i composti.
In questo caso, è chiamata massa molecolare (MM).
Unità di massa atomica
Rappresentare le reazioni
La mole: l’unità del chimico
Il bilanciamento delle reazioni è stato ottenuto descrivendo che
cosa avviene a livello di atomi. L’equazione:
indica che quattro atomi di ossigeno reagiscono con tre molecole
di ossigeno per darne due di ossido di alluminio.
Nella realtà quotidiana, però, abbiamo sempre a che fare con
quantità che sono molto grandi rispetto alla scala atomica.
In effetti, sarebbe impensabile ragionare in termini di atomi o di
molecole anche quando si devono considerare piccole quantità di
sostanza come, per esempio, il sale che usiamo per insaporire gli
alimenti.
È più pratico, invece, trovare il modo di contare le particelle
che partecipano a una reazione indicandole attraverso la loro
massa globale.
La mole
Rappresentare le reazioni
Il problema è meno complesso di
quello che si può pensare.
Quando si confrontano le masse
di un ugual numero di atomi di
due elementi, il loro rapporto
rimane costante
indipendentemente da quanti
siano gli atomi considerati
ed è anche uguale a quello
esistente tra le loro masse
relative.
La mole
Rappresentare le reazioni
Vale però anche la considerazione inversa: in quantità di
elementi che stanno tra di loro come le loro masse relative, è
presente lo stesso numero di atomi.
Tale considerazione può essere estesa a tutte le sostanze pure,
elementi o composti che siano. In particolare possiamo dare la
definizione seguente.
Questo significa che 16,00 g di ossigeno contengono lo
stesso numero di particelle (atomi) che ci sono in 32,06 g
di zolfo.
La mole
Rappresentare le reazioni
Questo significa anche che 16,00 g di ossigeno contengono lo
stesso numero di particelle (molecole) che ci sono in 18,02 g
di H2O o in 44,01 g di CO2.
Le quantità scelte si ricordano facilmente perché si ottengono
esprimendo in grammi le masse atomiche o molecolari relative.
Il numero di particelle contenuto in ciascuna di queste masse è
l’unità di misura della quantità di sostanza, la mole, che è
divenuta l’unità utilizzata dai chimici.
La mole
Rappresentare le reazioni
Una mole di
qualunque
sostanza pura
contiene un
numero di
particelle pari a
6,022 · 1023.
La mole
Rappresentare le reazioni
La mole
Rappresentare le reazioni
La massa molare di una sostanza permette di calcolare il numero
di moli contenute in una determinata massa di quella sostanza:
Alcuni composti sono formati da gruppi di atomi elettricamente
carichi, gli ioni, che si attraggono.
Di tali composti, detti composti ionici, non
esiste pertanto una molecola e la loro formula,
chiamata formula minima, indica solo il
rapporto tra le quantità di atomi degli elementi
presenti in un qualsiasi loro campione.
Per esempio, la formula del cloruro di sodio,
NaCl, non descrive una molecola, ma indica
che in qualsiasi porzione di tale sostanza vi è
sempre un rapporto 1:1 tra ioni Na+ e ioni Cl–.
Per i calcoli chimici, NaCl è considerata la particella di base del
cloruro di sodio e, poiché non rappresenta una molecola, è
chiamata unità formula.
La mole
Rappresentare le reazioni
Il termine mole, che deriva dal
latino e significa “massa di cose,
mucchio”, indica dunque un ben
preciso numero di particelle, atomi
o molecole che siano. Così come
“dozzina” significa 12 e “risma”
significa 500, analogamente
“mole” significa 6,022 ∙ 1023.
Contrariamente a quanto si può
pensare, tale valore non fu trovato
da Avogadro, ma venne dedicato a
lui perché ricavato da misure sui
gas al cui comportamento il
chimico piemontese aveva
dedicato i propri studi.
Il numero di Avogadro è enorme,
pari a circa 600 000 miliardi di
miliardi…
Il numero di Avogadro
Rappresentare le reazioni
oppure…
Il numero di Avogadro
Rappresentare le reazioni
Il volume molare dei gas: uno spazio
uguale per tutti
Dal principio di Avogadro sappiamo che volumi uguali di gas
diversi, in condizioni uguali di temperatura e pressione,
contengono lo stesso numero di molecole.
Per lo stesso motivo, nei gas si deve
anche verificare che un ugual
numero di molecole,
indipendentemente dal numero di
atomi di cui sono formate, occupino
un volume identico.
Di fatto, si è verificato
sperimentalmente che una mole di
qualsiasi gas occupa sempre lo
stesso volume se i campioni
vengono misurati nelle stesse
condizioni di temperatura e
pressione.
Il volume molare
Rappresentare le reazioni
Dette condizioni normali (c.n.) la
temperatura di 0 °C e la pressione di 1 atm,
possiamo dare la seguente definizione:
Il volume molare lega il volume occupato da un certo gas e le moli
in esso contenute.
In particolare, a condizioni normali, si ha:
Il volume molare
Rappresentare le reazioni
Riassumiamo schematicamente tutte le considerazioni svolte,
sottolineando che le relazioni tra il volume di un gas, la sua massa
e il numero delle particelle di cui è costituito, passano tutte
attraverso il riferimento alle moli che lo compongono.
Conversioni
Rappresentare le reazioni
Conversioni
Rappresentare le reazioni
Conversioni
Rappresentare le reazioni
Conversioni
Rappresentare le reazioni
Conversioni
Rappresentare le reazioni
Equazioni e calcoli
Una equazione bilanciata ci consente di ricavare importanti
informazioni quantitative.
1.Particelle. L’equazione scritta indica che una molecola di
idrogeno reagisce con una molecola di cloro per dare due
molecole di acido cloridrico.
Più in generale, come già sappiamo:
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
2. Moli. Poiché i coefficienti stechiometrici indicano un rapporto, esso
resta valido anche se i loro valori vengono moltiplicati per uno stesso
numero.
In particolare, l’equazione considerata è valida anche se si fanno
reagire 6,022 · 1023 molecole (una mole) di idrogeno con 6,022 · 1023
molecole (una mole) di cloro. In tal caso si ottengono 2 · 6,022 · 1023
molecole (due moli) di HCl.
In altre parole:
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
3. Masse. Abbiamo visto che la mole di una qualsiasi sostanza è
stata scelta in modo che la sua massa in grammi sia numericamente
uguale alla massa molecolare della sostanza. Grazie a questa
caratteristica:
Grazie a questa caratteristica:
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
4.Volumi. Nella reazione esaminata, i reagenti e i prodotti sono in
fase gassosa. Sappiamo dal Principio di Avogadro che uno stesso
numero di molecole, anche se di natura diversa, occupa un uguale
volume se si trova alle stesse condizioni di temperatura e pressione.
Grazie a questa particolarità, tra i volumi di reagenti e prodotti,
purché si trovino allo stato gassoso, esiste lo stesso rapporto che si
ha tra le moli:
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
Le informazioni che sono
contenute in un’equazione
chimica bilanciata sono
fondamentali per determinare le
quantità delle sostanze che
partecipano o che vengono
prodotte nella reazione chimica
da essa descritta.
Il termine “stechiometria” viene
dal greco stoikheîon, “elemento”
e -metría, “misura”: “misura degli
elementi”. I calcoli stechiometrici
sono infatti utilizzati in ogni
situazione in cui sono importanti
le quantità implicate nelle reazioni
chimiche utilizzate, sia in ambito
analitico, sia nel campo della
produzione industriale.
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
Quando è nota, per esempio,
la massa di uno dei reagenti,
con i calcoli stechiometrici
è possibile determinare la
massa necessaria degli altri
reagenti e le masse dei
prodotti che si ottengono.
Il procedimento è delineato
schematicamente nella slide
successiva.
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
1. Si bilancia la reazione
introducendo i necessari
coefficienti stechiometrici.
2. Si calcolano le moli del
reagente disponibile a partire
dalla sua massa e dalla sua
massa molare.
3. Si calcolano le moli della sostanza cercata
basandosi sui rapporti molari indicati dai
coefficienti stechiometrici. La proporzione da
impostare è semplice:
moli1:moli2=coefficiente1:
coefficiente2
dove 1 e 2 sono le sostanze, di cui si
conoscono o, rispettivamente, si vogliono
sapere le moli.
4. Si convertono in grammi le
moli trovate utilizzando la
massa molare (MM) della
sostanza cercata.
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
Calcoli stechiometrici
Rappresentare le reazioni
Calcoli stechiometrici
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