Chimica per il liceo/Le leggi ponderali delle reazioni chimiche

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Le leggi ponderali delle reazioni chimiche[modifica]

Le teoria atomica e le leggi ponderali[modifica]

John Dalton

Dalla teoria proposta da Dalton abbiamo appreso che:

  • la materia è fatta di atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili;
  • tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno lo stesso numero atomico;
  • gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di atomi di un altro elemento;
  • gli atomi di un elemento si combinano, per formare un composto, soltanto con numeri interi di atomi di altri elementi;
  • gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto all'altro.

Gli elementi sono costituiti da atomi che hanno identiche proprietà chimiche. Una molecola è un raggruppamento di due o più atomi, legati tra loro, che ha proprietà chimiche caratteristiche.

Gli atomi con cariche positive vengono detti ioni positivi o cationi, per esempio, Na+.  Gli atomi con cariche negative vengono detti ioni negativi o anioni, per esempio, Cl-. I composti ionici (come i sali) sono formati da cationi e anioni legati insieme

Ogni molecola è rappresentata da una formula chimica che specifica la composizione della sostanza.

 La formula bruta, o grezza, di una molecola indica da quali e quanti elementi essa è costituita (per esempio, CH4, NH3, CO2 ecc.).

Trasformazioni fisiche e chimiche[modifica]

Le trasformazioni fisiche provocano un cambiamento fisico reversibile della materia e non producono nuove sostanze come ad esempio la fusione del ghiaccio oppure l’ebollizione dell’acqua. Le reazioni chimiche comportano la formazione di nuove sostanze, con proprietà anche molto diverse da quelle dei materiali originari come ad esempio il metano che brucia nel fornello di casa quando prepariamo da mangiare. Durante una trasformazione chimica le sostanze originarie, dette reagenti, si riorganizzano al livello microscopico per formare nuove specie chimiche, i prodotti

                  REAGENTI → PRODOTTI

In alcuni casi le reazione è ben visibile poiché cambiano delle caratteristiche tangibili ad esempio il colore, possono formarsi dei solidi, può cambiare odore.

Ad esempio supponiamo di avere a disposizione del carbonio C e di farlo reagire con l’O2 presente nell’aria. questa è una reazione piuttosto comune che si schematizza in questo modo:

Reazione tra carbonio e ossigeno

C + O2 CO2

il Carbonio, un solido nero reagisce con l’ossigeno producendo anidride carbonica CO2 un gas e calore. Questa non è una reazione banale, l’utilizzo del carbon fossile ha consentito lo sviluppo dell'era industriale… La fine dell’età del carbon fossile non è stata determinata dall'esaurirsi delle miniere di carbone, ma perché si sono trovati combustibili più versatili e meno inquinanti. questo lascia supporre che l’età del petrolio attuale non finirà perché finirà il petrolio, ma probabilmente si useranno nuove tecnologie, l’elettrico a quanto pare.

Ritorniamo alla reazione

C+O2 CO2

i reagenti C e O2 tra di loro reagiscono, cioè i loro atomi si sistemano in modo differente rompendo legami preesistenti e formandone dei nuovi


I prodotti formati non hanno alcuna relazione con i reagenti, sono sostanze con caratteristiche assolutamente differenti. L’unica relazione sono le leggi ponderali.

  1. legge di conservazione della massa, o legge di Lavoisier
  2. legge delle proporzioni definite, o legge di Proust
  3. legge delle proporzioni multiple, o legge di Dalton

Legge della conservazione della massa (legge di Lavoisier)[modifica]

Enunciato: in una reazione chimica, la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti.

La legge della conservazione della massa esprime un concetto comune a tutte le scienze, la massa non può variare. In una qualsiasi reazione la somma delle masse prima e dopo la reazione rimane invariata.

Reazione di combustione del metano. Prima della reazione si notano 4 atomi di idrogeno, 1 di carbonio e 4 di ossigeno. Dopo la reazione il numero non cambia. Quindi la massa è invariata.

Esempio 1[modifica]

Se si fanno reagire 56 gr di Fe con 70 gr di Cl2 quanti grammi di cloruro ferrico si formano?

Fe +  Cl2  FeCl2

e ovvio che in base alla legge appena enunciata si formeranno 126 gr di FeCl2.

Esempio 2[modifica]

Scaldando del carbonato di calcio CaCO3 avviene la seguente reazione:

CaCO3 CaO + CO2

se si scaldano 50 gr di CaCO3 il residuo di CaO, ossido di calcio, è di 28 gr. Quanta CO2 si è formata?

E’ ovvio che si volatilizzano 22 gr di anidride carbonica CO2: 50-28= 22.

Questa legge fondamentale deve tuttavia essere rivista alla luce della legge delle proporzioni definite

Legge delle proporzioni definite (legge di Proust)[modifica]

Enunciati:

  1. In un composto chimico, sostanza pura,  gli elementi che lo costituiscono sono sempre presenti secondo rapporti in massa definiti e costanti.
  2. quando due o più elementi reagiscono per formare un determinato composto - sostanza pura-, si combinano sempre secondo proporzioni in massa definite e costanti.

Questa legge pone dei vincoli, cioè i composti chimici sono formati da due o più elementi ma le proporzioni in peso tra gli elementi sono sempre uguali per uno stesso composto. E in una reazione va rispettata la stessa legge.

Il cloruro di calcio

Esempio 1[modifica]

Per comprendere questa legge proviamo a fare un esempio: se poniamo di voler far reagire del calcio Ca, con del cloro Cl2 noteremo che per ogni 40 gr di Ca reagiscono sempre 71 gr di Cl. Se ad esempio  proviamo a far reagire 10 gr di Ca reagiranno 18.5 gr di Cl2. questi numeri ci dicono che le proporzioni con cui avviene questa reazione è sempre 40 gr di Ca e 71 gr di Cl2

Ca + Cl2 CaCl2

Esempio 2[modifica]

Anidride carbonica

data la seguente reazione

C + O2 CO2

sapendo che 12 gr di carbonio reagiscono sempre con 32 gr di O2 . Con 3 gr di C quanti gr di O2 reagiscono?

  1. 16
  2. 32
  3. 8
  4. 15

la risposta è la n° 3 infatti per rispettare la proporzione

12 : 32 = 3 : massa O2

massa O2= 32*3/12=8 g

La risposta in questo caso si presta ad essere immediata, infatti se consideriamo i gr di carbonio 12 e 3, 3 si ottiene dividendo 12/4, la stessa operazione devo farla per l’O2, cioè 32/4=8.

Il carbonato di sodio

Esempio 3[modifica]

Sapendo che nel composto ternario Na2CO3 , carbonato di sodio, il rapporto di combinazione tra sodio, carbonio e ossigeno è

mNa : mC : mO = 64: 12: 48

determinare la massa di carbonio e di ossigeno necessari a combinarsi con 2.0 grammi di sodio

Per determinare la massa di carbonio necessari si deve tener presente che il rapporto tra sodio e carbonio è 64:12. A questo punto o si può impostare una proporzione del tipo:

64 : 12 = 2.0 : gr di C       Da cui gr di C = 2.0 ∙ 12/64 = 0.375 g

     

Legge delle proporzioni multiple (legge di Dalton)[modifica]

Quando due elementi si combinano tra loro per formare dei composti, una certa quantità di un elemento si combina con quantità multiple dell'altro che stanno tra loro come numeri piccoli e interi. Questo è un modo per enunciare la legge di Dalton o delle proporzioni multiple.

Il monossido di carbonio
L'anidride carbonica

Esempio[modifica]

Un elemento, ad esempio il carbonio C, può reagire con ossigeno in due modi differenti, cioè:

C + O2 CO2

oppure

2C+ O2 2 CO

la prima reazione avviene quando il carbonio si combina con ossigeno in ambienti areati ricchi di O2, producendo l’innocua anidride carbonica.

La seconda reazione avviene quando il carbonio si combina con ossigeno in ambienti chiusi e poveri di O2 producendo un gas , monossido di carbonio, molto pericoloso e causa di molti incidenti domestici.

Le due reazioni sono ovviamente differenti, quindi sono differenti le proporzioni,

Nella prima reazione 12 gr di C reagiscono con 32 gr di O2. Nella seconda reazione 24 gr di C reagiscono con 32 gr di O2. Le due masse di carbonio quindi stanno tra loro in un rapporto di 1 : 2, esprimibile con numeri interi e piccoli.

Il bilanciamento delle reazioni chimiche[modifica]

Il bilanciamento di una reazione chimica consiste nel mettere davanti alle formule di reagenti e prodotti un opportuno coefficiente, un numero in genere intero, che chiameremo coefficiente stechiometrico. Il bilanciamento delle reazione è una delle operazioni più importanti della chimica, ed è una diretta conseguenza della legge di Lavoisier: in una reazione chimica, la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti. In qualsiasi reazione chimica il numero degli atomi deve rimanere invariato. nessun atomo può sparire oppure generarsi dal vuoto,  quindi per ciascun elemento, il numero di atomi presenti tra i reagenti deve necessariamente essere uguale a quello presente tra i prodotti. i  coefficienti stechiometrici, vanno scritti esclusivamente davanti alle formule, i pedici non possono modificarsi.

  • il bilanciamento di una reazione non può essere condotto modificando i pedici delle formule, cioè i numeri scritti in basso dopo il simbolo dell’elemento,
  • se davanti alla formula di una molecola non compare alcun coefficiente stechiometrico, questo vale 1; se, invece, il coefficiente è 2, oppure 3 (o superiore) si deve considerare un numero di molecole doppio, triplo ..., e ciò porta a raddoppiare, triplicare, e così via di seguito, il numero di tutti i tipi di atomo di cui la molecola è formata. Per esempio, la scrittura 4 NO2 indica 4 molecole di diossido di azoto, ciascuna delle quali contiene 1 atomo di azoto e 2 di ossigeno; in totale, pertanto, si avranno 4´1 = 4 atomi Ne 4´2 = 8 atomi O;
  • i coefficienti stechiometrici vanno introdotti in successione sino a che il numero di atomi di ciascuna specie non coincide da una parte e dall’altra della freccia.

Esempio 1[modifica]

Bilanciare la seguente reazione: Ca + O2 CaO

Se il Calcio reagisce con l’ossigeno si forma l’ossido di Calcio CaO, la reazione sopra indica proprio questo. Le reazioni si indicano con una freccia poiché i reagenti si trasformano in prodotti, scrivere il simbolo uguale non è corretto.

Guardando la reazione ci rendiamo immediatamente conto che a sinistra il simbolo O2 mi indica che sono presenti due atomi di ossigeno, mentre a destra il simbolo CaO indica che nell’ossido di Ca è presente un solo atomo di ossigeno. quando si bilanciano queste reazioni si bilancia sempre l’ossigeno aggiungendo i coefficienti stechiometrici davanti al composto.

Per bilanciare l’ossigeno devo moltiplicare CaO per due

Ca + O2 2 CaO

così facendo mi rendo conto di aver sbilanciato il Ca, infatti ora a destra gli atomi di Ca sono due e a sinistra è solo uno. Per  bilanciare il Ca basterà moltiplicare a sinistra il Ca per due

2 Ca +O2 2 CaO

Guardando la reazione ci rendiamo immediatamente conto che a sinistra il simbolo O2 mi indica che sono presenti due atomi di ossigeno, mentre a destra il simbolo Na2O indica che nell’ossido di Na è presente un solo atomo di ossigeno. quando si bilanciano queste reazioni si bilancia sempre l’ossigeno aggiungendo i coefficienti stechiometrici davanti al composto.

Per bilanciare l’ossigeno devo moltiplicare CaO per due

Na +O2 2 Na2O

così facendo mi rendo conto di aver sbilanciato il Na, infatti ora a destra gli atomi di Na sono quattro e a sinistra è solo uno. Per  bilanciare il Ca basterà moltiplicare a sinistra il Ca per due

4 Na +O2 2 Na2O

Esempio 3[modifica]

Bilanciare la seguente reazione: Al + O2 Al2O3

Guardando la reazione ci rendiamo immediatamente conto che a sinistra il simbolo O2 mi indica che sono presenti due atomi di ossigeno, mentre a destra il simbolo Al2O3indica che nell’ossido di Alluminio sono presenti tre atomi di ossigeno.

Per bilanciare l’ossigeno bisogna moltiplicare Al2O3 per due in modo tale da avere sei atomi di ossigeno a destra . così facendo a sinistra basterà moltiplicare per tre O2 in modo tale da avere sei

Al +3 O2 2 Al2O3

infine si bilancia l’alluminio, infatti ora a destra gli atomi di Al sono quattro e a sinistra è solo uno. Per  bilanciare il Ca basterà moltiplicare a sinistra il Ca per due

4 Al + 3 O2 2 Al2O3

Esempio 4[modifica]

Bilanciare la seguente reazione: N2 + H2 ↔ NH3

La reazione di sintesi dell’ammoniaca NH3, reazione fondamentale in campo industriale.

La reazione si bilancia sempre allo stesso modo, cioè mancando l’ossigeno si bilancia l’elemento con il numero dispari maggiore cioè H. Gli atomi di H a destra sono 3 mentre a sinistra sono due, quindi procediamo come nell’esempio precedente moltiplicare NH3 per due in modo tale da avere sei atomi di idrogeno a destra . così facendo a sinistra basterà moltiplicare per tre H2 in modo tale da avere sei

N2 + 3H2 2NH3

infine si bilancia l’azoto N2 in questo caso risultano essere due a destra e due a sinistra quindi sono perfettamente bilancia

La doppia freccia non è un errore ma indica che la reazione è una reazione di equilibrio: a tempo debito!

Attività e materiali[modifica]

Esercizi: in questa pagina troverai degli esercizi sui bilanciamenti delle reazioni chimiche e sulle leggi ponderali