Una reazione chimica è una trasformazione in cui alcune sostanze, dette reagenti, si convertono in nuove sostanze, dette prodotti, attraverso la rottura e la formazione di legami chimici. In questa scheda imparerai a riconoscerle, a rappresentarle con equazioni bilanciate e a interpretarle dal punto di vista energetico e quantitativo.
Equazioni chimiche e bilanciamento
Una reazione chimica si rappresenta con una equazione in cui i reagenti sono scritti a sinistra della freccia e i prodotti a destra, separati dal simbolo «+». Ogni specie chimica è accompagnata dal suo stato fisico, indicato tra parentesi: (s) per solido, (l) per liquido, (g) per gas, (aq) per disciolto in acqua. La freccia rappresenta il senso della trasformazione e può essere doppia quando la reazione è reversibile e raggiunge un equilibrio dinamico. I numeri scritti davanti alle formule, chiamati coefficienti stechiometrici, indicano in quale rapporto le particelle reagiscono fra loro. I pedici, invece, sono parte integrante della formula e non possono mai essere modificati durante il bilanciamento, perché altererebbero l'identità chimica della sostanza.
Bilanciare un'equazione significa rispettare la legge di Lavoisier, secondo cui la massa totale dei reagenti deve uguagliare quella dei prodotti perché nessun atomo si crea o si distrugge. Per riuscirci si sceglie un elemento presente in una sola specie a sinistra e a destra, lo si pareggia agendo sui coefficienti, e si procede via via con gli altri elementi, lasciando ossigeno e idrogeno per ultimi. Ad esempio, la combustione del metano CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O si bilancia inserendo i coefficienti 1, 2, 1, 2 e ottenendo CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, equazione in cui ogni atomo è conservato. I coefficienti scelti devono sempre essere i numeri interi più piccoli possibili, perciò al termine si semplificano dividendo per l'eventuale fattore comune. Solo un'equazione correttamente bilanciata permette di eseguire calcoli quantitativi attendibili sulle masse e sulle moli coinvolte.
Tipi di reazione ed energia coinvolta
Le reazioni chimiche si classificano in alcune grandi famiglie utili a prevederne il comportamento e i prodotti. Nelle reazioni di sintesi due o più sostanze si uniscono per formarne una sola, come quando il ferro arrugginisce reagendo con l'ossigeno dell'aria. Nelle reazioni di decomposizione un unico composto si scinde in sostanze più semplici, spesso per effetto del calore o della corrente elettrica. Le reazioni di scambio semplice vedono un elemento sostituirne un altro all'interno di un composto, mentre nelle reazioni di doppio scambio due composti ionici si scambiano reciprocamente gli ioni in soluzione. Un'ultima categoria fondamentale è quella delle reazioni di ossidoriduzione, dette redox, in cui si verifica un trasferimento di elettroni e gli atomi cambiano numero di ossidazione.
Ogni reazione comporta uno scambio di energia con l'ambiente, perché rompere legami richiede energia mentre formarli ne libera. Quando il bilancio energetico complessivo è negativo, cioè si libera calore verso l'esterno, la reazione si dice esotermica, come accade nelle combustioni e nella respirazione cellulare. Quando invece occorre fornire energia dall'esterno per farla procedere, la reazione è endotermica, come nella fotosintesi clorofilliana che assorbe luce solare. La velocità con cui una reazione procede dipende da temperatura, concentrazione dei reagenti, superficie di contatto e presenza di catalizzatori, sostanze che abbassano l'energia di attivazione senza consumarsi. Molte reazioni, infine, non procedono fino al consumo totale dei reagenti ma raggiungono un equilibrio in cui le velocità diretta e inversa diventano uguali.
Ricorda
- In ogni reazione chimica gli atomi si conservano: massa, carica e numero di atomi di ciascun elemento devono coincidere tra reagenti e prodotti.
- I coefficienti stechiometrici si modificano per bilanciare, i pedici no, perché identificano la formula della sostanza.
- Una reazione esotermica libera energia, una endotermica la assorbe; i catalizzatori cambiano la velocità ma non il bilancio energetico complessivo.
- Esercizio attivo: sul quaderno, bilancia l'equazione della combustione dell'etano C₂H₆ + O₂ → CO₂ + H₂O, indica lo stato fisico di ciascuna specie e classifica la reazione come esotermica o endotermica motivando la risposta in due righe.