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Si definiscono reazioni chimiche quelle trasformazioni che cambiano la composizione chimica della materia, e che quindi portano determinate sostanza di partenza (dette reagenti) a trasformarsi in sostanze diverse (dette prodotti).
Le reazioni chimiche non vanno confuse con i cambiamenti di stato fisico della materia: le reazioni, infatti, modificano la composizione chimica delle sostanze, mentre le variazioni di stato fisico determinano solo un cambiamento di aspetto in sostanze che, a livello chimico, restano identiche: l’acqua allo stato liquido che si trasforma in vapore, ad esempio, cambia stato fisico e quindi aspetto, ma rimane sempre H2O.
Le reazioni chimiche possono essere espresse tramite equazioni chimiche bilanciate, che servono per esprimere il cambiamento della materia sia a livello qualitativo che quantitativo. Nelle equazioni chimiche vengono indicati i reagenti e i prodotti della reazioni, separati da una freccia che indica il senso della reazione. Dato che la massa complessiva dei reagenti deve sempre essere uguale a quella dei prodotti (per rispettare la legge di Lavoisier, detta anche “legge di conservazione della massa”), il numero di atomi coinvolti in una reazione chimica è costante. Un’equazione chimica generica viene normalmente scritta in questo modo:
aA + bB → cC + dD
Le lettere maiuscole indicano le specie chimiche coinvolte nella reazione, quelle minuscole i coefficienti stechiometrici, cioè numeri interi piccoli che indicano quante unità di ogni specie sono necessarie perché la legge di Lavoisier sia rispettata. La freccia indica che, in questo caso, la reazione si muove dai reagenti verso i prodotti. Se la freccia ha due punte, invece, la reazione è reversibile (e, quindi, i prodotti possono tornare a trasformarsi in reagenti).
Tipologie di reazioni chimiche
I diversi modi in cui i reagenti si combinano per dare luogo ai prodotti fa sì che le reazioni chimiche possano essere di vario tipo. Una prima classificazione consente di distinguere:
Reazioni di sintesi, in cui due o più sostanze si combinano per formare un unico composto.
Questo tipo di reazione può essere scritto nella forma generica A + B → AB (o, per fare un esempio concreto: C + O2 → CO2).
Sono reazioni di sintesi, ad esempio, le reazioni metallo + ossigeno, metallo + idrogeno, ossidi acidi o basici + acqua.
Reazioni di decomposizione, in cui un composto viene separato in due o più sostanze semplici. Questo tipo di reazione può essere scritto nella forma generica AB → A + B (o, per fare un esempio concreto: CaCO3 → CaO + CO2).
Sono reazioni di questo tipo le reazioni di combustione, in cui la decomposizione di una sostanza di partenza può dare luogo a vari tipi di gas (nell’esempio sopra riportato, la CO2).
Reazioni di sostituzione (dette anche “reazioni di scambio semplice”), in cui un atomo (o un gruppo funzionale, cioè una parte ben precisa di una struttura molecolare, dotata di specifiche caratteristiche) di una molecola viene sostituito da un altro atomo o gruppo funzionale. Questo tipo di reazione può essere scritto nella forma generica A + BC → AC + B (o, per fare un esempio concreto: Zn + 2HCl → ZnCl + H2)
Sono reazioni di questo tipo le reazioni metallo + acqua, metallo + idracido, metallo + sale.
Reazioni di metatesi, in cui due composti si scambiano reciprocamente atomi o gruppi funzionali. Questo tipo di reazione può essere scritto nella forma generica AB + CD → AD + CB (o, per fare un esempio concreto: AgNO3 + NaCl → AgCl + NaNO3).
Sono reazioni di questo tipo le reazioni tra composti acidi e composti basici, e tra acido o base e un sale.
Le reazioni di metatesi possono essere suddivise in due sottocategorie: reazioni di doppio scambio ionico (che coinvolgono due sali) e reazioni di neutralizzazione (che coinvolgono un composto basico e uno acido e portano alla formazione di un sale e di acqua).
I cambiamenti di composizione della materia conseguenti a una reazione chimica possono manifestarsi, a livello macroscopico, in vari modi (cambiamento cromatico, formazione di un precipitato solido, formazione di gas…), e sono spesso associati a uno scambio di energia sottoforma di calore. Ciò è dovuto al fatto che il cambiamento di composizione implica la rottura dei legami esistenti e la formazione di legami nuovi: questo passaggio può sviluppare calore (cioè cedere energia all’ambiente) oppure richiedere calore (cioè assorbire energia dall’ambiente). Nel primo caso, le reazioni sono definite esotermiche, nel secondo endotermiche.
Una reazione chimica può essere più o meno favorita, e i parametri che indicano la spontaneità di una reazione (ovvero la sua tendenza ad avvenire) sono molteplici: entrano in gioco, infatti, l’entalpia e l’entropia (grandezze fisiche che indicano rispettivamente il contenuto totale di calore di un sistema e il suo grado di disordine: sono favorite le reazioni in cui l’entalpia è negativa e l’entropia è positiva), ma anche la struttura delle molecole coinvolte e la quantità di “urti efficaci”, cioè di urti che portano le particelle a scontrarsi in modo favorevole alla reazione, a cui tali molecole sono sottoposte.
Le reazioni, inoltre, non avvengono sempre in un unico stadio, ma a volte richiedono varie reazioni intermedie prima di arrivare al prodotto finale. I prodotti che si formano come risultato delle reazioni intermedie sono detti intermedi di reazione, e gli stadi attraverso cui una reazione avviene costituiscono, nel loro complesso, il meccanismo di reazione.
Un’ultima classificazione delle reazioni può essere fatta considerando lo stato fisico delle specie chimiche che vi partecipano: se una reazione coinvolge solo specie uguali, è detta omogenea, se sono coinvolte specie in stato diverso, è eterogenea.
Catalizzatori, velocità di reazione ed equilibrio chimico
Perché una reazione avvenga è necessario che venga superata l’energia di attivazione, che è la quantità minima di energia necessaria a un sistema per avviare una reazione chimica.
L’energia di attivazione è una variabile che dipende dalle caratteristiche dei reagenti e dei prodotti, e ovviamente più essa è alta più è difficile che la reazione si inneschi. In alcuni casi, quindi, è conveniente abbassare questa barriera energetica attraverso l’uso di catalizzatori, sostanze che favoriscono la reazione e che vi partecipano senza venire alterate. Per questa ragione, di norma, i catalizzatori non compaiono né tra i reagenti né tra i prodotti di reazione.
L’altra funzione svolta dai catalizzatori è quella di aumentare la velocità di reazione, ovvero aumentare la quantità di reagenti consumati e di prodotti formati nell’unità di tempo. La velocità di una reazione è influenzata da vari fattori:
Tipo di reagenti: le reazioni ioniche tendono ad essere più rapide di quelle tra molecole con legami covalenti, poiché non richiedono la rottura e la formazione di legami;
Stato fisico dei reagenti: un aumento della superficie di contatto fra i reagenti fa crescere la velocità di reazione;
Concentrazione dei reagenti: la velocità di reazione è, generalmente, direttamente proporzionale alla concentrazione dei reagenti: più essi sono concentrati, più la reazione è veloce;
Temperatura: spesso l’aumento di temperatura accelera la reazione;
Pressione: l’aumento della pressione accelera la reazione. Tale parametro è particolarmente influente quando uno dei reagenti coinvolti è in forma gassosa;
Presenza di catalizzatori: determinate sostanze possono favorire una reazione oppure, al contrario, rallentarla o bloccarla (in questo caso, prendono il nome di inibitori).
Se una reazione chimica è reversibile (se, cioè, i prodotti possono tornare a trasformarsi nei reagenti), la sua velocità globale sarà il risultato della differenza tra la velocità diretta (ovvero la velocità con cui i reagenti diventano prodotti) e la velocità inversa (ovvero la velocità con cui i prodotti si trasformano nei reagenti).
Nel momento in cui una reazione si innesca la concentrazione dei suoi reagenti è massima e quella dei prodotti è minima. Mano a mano che la reazione procede, però, la concentrazione dei reagenti cala, mentre aumenta quella dei prodotti: mentre ciò avviene, la velocità diretta scende e quella inversa aumenta, fino al momento in cui le due velocità diventano uguali, condizione che prende il nome di equilibrio chimico.
Quando si raggiunge la condizione di equilibrio chimico, macroscopicamente la situazione sembra essere statica, dato che la concentrazione dei reagenti e quella dei prodotti sono costanti. In realtà, però, l’equilibrio chimico è un equilibrio dinamico: continuano ad avvenire, infatti, sia la reazione diretta che quella inversa, ma dato che la velocità a cui avvengono è la stessa, non si percepisce il cambiamento.
L’equilibrio chimico viene espresso attraverso una costante, detta costante di equilibrio, che dipende dalle concentrazioni delle specie chimiche presenti nella reazione. Considerando una generica reazione chimica aA + bB → cC + dD, la costante di equilibrio si calcola dividendo le concentrazioni dei prodotti elevate ai loro coefficienti stechiometrici per le concentrazioni dei reagenti elevate ai loro coefficienti stechiometrici, secondo l’espressione:
Una costante di equilibrio alta indica che le concentrazioni dei prodotti prevalgono su quelle dei reagenti, mentre una costante bassa indica che l’equilibrio è spostato verso i prodotti.
L’equilibrio raggiunto da una reazione può essere modificato se si influenzano alcuni dei suoi parametri (temperatura, pressione, concentrazione delle specie chimiche presenti): quando ciò avviene il sistema reagisce cercando di ripristinare l’equilibrio, e di conseguenza la costante, spostando l’equilibrio di reazione verso i prodotti oppure verso i reagenti.
Stechiometria e bilanciamento delle reazioni
La stechiometria è lo studio del rapporto quantitativo tra le sostanze chimiche coinvolte in una reazione: con il termine “stechiometria di reazione”, in particolare, si indicano i rapporti nei quali due o più sostanze interagiscono tra loro per formare una determinata quantità di prodotti.
Si dice che una reazione è bilanciata quando i coefficienti stechiometrici (i numeri interi piccoli che esprimono i rapporti molari tra le sostanze) attribuiti alle diverse specie chimiche presenti fanno sì che il numero di atomi di una specie presente tra i reagenti sia uguale al numero di atomi di quella specie presente tra i prodotti.
Se si considera, ad esempio, la reazione
Na2CO3 + HNO3 → NaNO3 + H2O + CO2
si nota che tra i reagenti compaiono: 1 atomo di carbonio, 1 atomo di azoto, 6 atomi di ossigeno, 1 atomo di idrogeno e 2 atomi di sodio, mentre tra i prodotti ci sono 1 atomo di carbonio, 1 atomo di azoto, 6 atomi di ossigeno, 2 atomi di idrogeno e 1 atomo di sodio. In altre parole carbonio, azoto e ossigeno sono bilanciati, ma idrogeno e sodio no. Per fare in modo che la reazione sia bilanciata, bisogna modificare i coefficienti stechiometrici di reagenti e prodotti (cioè cambiare la loro quantità), ovviamente senza modificare i vari indici presenti nella reazione (perché modificando gli indici delle molecole si modifica la loro natura, non solo la loro quantità).
Nel caso specifico, per bilanciare l’idrogeno presente nella reazione bisogna mettere un 2 prima dell’acido nitrico (NH3), tra i reagenti. In questo modo, però, si modifica anche la quantità di atomi di azoto e di ossigeno: per risolvere il problema, bisogna porre un 2 anche davanti al nitrato di sodio (NaNO3) tra i prodotti.
Aggiungendo questi coefficienti, la reazione viene riscritta così:
Na2CO3 + 2HNO3 → 2NaNO3 + H2O + CO2
Con questi coefficienti la reazione risulta bilanciata, dal momento che sia tra i reagenti che tra i prodotti compaiono 1 atomo di carbonio, 2 atomi di azoto, 9 atomi di ossigeni, 1 atomo di idrogeno e 2 atomi di sodio.
Se si considera una reazione che coinvolge ioni, cioè atomi o molecole dotate di carica, non basta bilanciare le diverse specie chimiche, ma bisogna tenere conto anche del bilanciamento delle cariche.
Se, ad esempio, consideriamo una reazione come
CN- + Fe2+ → [Fe(CN)6]4-
ci accorgiamo che le cariche non sono bilanciate: i reagenti, infatti, presentano carica complessiva +, mentre il prodotto presenta carica 4-. Per bilanciare la reazione, è sufficiente porre 6 come coefficiente stechiometrico allo ione CN- tra i reagenti. In questo modo le masse risultano bilanciate, e si ottiene la reazione 6CN- + Fe2+ → [Fe(CN)6]4- Notiamo, a questo punto, che in questa reazione non sono bilanciate solo le masse di reagenti e prodotti, ma anche le cariche, dato che sia la carica totale dei reagenti che quella del prodotto è 4-.
Calcolo della resa di una reazione
Il bilanciamento di una reazione consente di effettuare su di essa determinati calcoli. In particolare, attraverso l’operazione di bilanciamento è possibile calcolare la quantità di moli di reagenti necessaria per ottenere una determinata quantità di moli di prodotti: i coefficienti stechiometrici, infatti, permettono di capire qual è il rapporto tra le quantità delle diverse specie coinvolte nella reazione.
Se consideriamo, ad esempio, la reazione bilanciata
BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4 + 2NaCl
possiamo dedurre che, facendo reagire una certa quantità di moli di BaCl2 con la stessa quantità di moli di Na2SO4, si ottiene quella stessa quantità di moli di BaSO4 e una quantità di moli doppia di 2NaCl. Se viene aggiunta una quantità eccessiva di uno dei due reagenti (e, quindi, non si rispetta l’equilibrio stechiometrico), l’andamento della reazione non subisce modifiche, dato che quando il reagente presente in quantità minore (detto, in questo caso, limitante) si consuma, la reazione si interrompe comunque.
Il valore che si ricava calcolando teoricamente, a partire dalla reazione bilanciata, la quantità di prodotti che si otterranno è detto resa teorica, e tale dato è sempre un po’ più alto della resa effettiva, ovvero della quantità di prodotto effettivamente ottenuta dalla reazione e che si ricava solo sperimentalmente. La resa effettiva di una reazione è infatti influenzata da diversi fattori, tra cui l’equilibrio chimico, la presenza di eventuali reazioni secondarie, la velocità di reazione.
Se la reazione procede molto lentamente, ad esempio, la resa tende ad essere inferiore. Per evitare questo inconveniente può essere utilizzato un catalizzatore, o si possono modificare le condizioni di temperatura e di pressione a cui la reazione avviene. Calcoli di questo tipo sono particolarmente importanti nella produzione industriale di determinati composti, dato che in questo campo è fondamentale arrivare a definire la tecnica che consente di ottenere la resa reale più alta possibile.