Reazioni chimiche e loro rappresentazione

Le reazioni chimiche trasformano una o più sostanze (reagenti) in altre (prodotti). Puoi riconoscerle facilmente da cambiamenti visibili come variazioni di colore, formazione di gas, comparsa di precipitati o produzione di calore.

Quando avviene una reazione, si rompono i legami nei reagenti e si formano nuovi legami nei prodotti. Questo processo può rilasciare energia (reazioni esotermiche) o assorbirla (reazioni endotermiche).

Per rappresentare correttamente una reazione chimica usiamo un'equazione chimica che esprime l'uguaglianza quantitativa tra gli atomi dei reagenti e quelli dei prodotti. I reagenti si scrivono a sinistra, i prodotti a destra, separati da una freccia (→). I coefficienti stechiometrici indicano quante molecole o moli di ogni sostanza partecipano alla reazione.

💡 Un'equazione bilanciata rispecchia perfettamente la legge di conservazione della massa di Lavoisier: la massa totale delle sostanze che reagiscono è uguale alla massa totale dei prodotti.

Per bilanciare un'equazione, devi assicurarti che il numero di atomi di ciascun elemento sia lo stesso da entrambi i lati dell'equazione. Ad esempio, per la reazione N₂ + H₂ → NH₃, dovrai scrivere N₂ + 3H₂ → 2NH₃ per avere lo stesso numero di atomi nei reagenti e nei prodotti.

Classificazione delle reazioni chimiche

Quando reagenti e prodotti sono in soluzione acquosa, possiamo scrivere le reazioni in forma ionica, mostrando solo gli ioni che effettivamente partecipano alla reazione ed escludendo gli ioni spettatori che rimangono invariati.

Le reazioni chimiche si classificano principalmente in quattro tipi fondamentali:

Le reazioni di sintesi combinano due o più sostanze per formarne una nuova. Ad esempio: Fe + S → FeS (ferro e zolfo formano solfuro di ferro). Anche le combustioni sono reazioni di sintesi, come C + O₂ → CO₂.

Le reazioni di decomposizione dividono un composto in sostanze più semplici, spesso per effetto del calore. Un esempio tipico è 2HgO → 2Hg + O₂, dove l'ossido di mercurio si decompone in mercurio metallico e ossigeno.

Nelle reazioni di spostamento (o scambio semplice), un elemento più reattivo prende il posto di un altro in un composto. Pensa a Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑, dove lo zinco sposta l'idrogeno dall'acido cloridrico.

🔍 Le frecce ↑ o ↓ nelle equazioni indicano rispettivamente la formazione di gas che si libera o di un precipitato solido che si deposita.

Le reazioni di doppio scambio coinvolgono lo scambio di ioni tra due composti e includono la formazione di precipitati, gas o le reazioni di neutralizzazione tra acidi e basi.

Reazioni redox e numero di ossidazione

Le reazioni chimiche possono essere divise in due categorie fondamentali:

1. Reazioni senza trasferimento di elettroni, in cui non cambia il numero di ossidazione degli atomi coinvolti.

2. Reazioni con trasferimento di elettroni (ossidoriduzione o redox), dove alcuni elementi cedono elettroni (si ossidano) e altri li acquistano (si riducono).

Nelle reazioni di doppio scambio ionico, come AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃, gli ioni si uniscono formando nuovi composti. Nelle reazioni di neutralizzazione un acido reagisce con una base producendo un sale e acqua: HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O.

Per capire se una reazione è di ossidoriduzione, devi conoscere il numero di ossidazione (n.o.) degli elementi coinvolti. Questo rappresenta la carica formale attribuita a un elemento in un composto, supponendo che i legami siano ionici.

💡 In una reazione redox, l'elemento che perde elettroni si ossida (il suo n.o. aumenta), mentre l'elemento che acquista elettroni si riduce (il suo n.o. diminuisce).

Per calcolare il numero di ossidazione, usa queste regole principali:

• Gli elementi allo stato libero hanno n.o. = 0
• L'ossigeno nei composti ha n.o. = -2 $eccetto nei perossidi dove è -1$
• L'idrogeno nei composti ha n.o. = +1 $eccetto negli idruri metallici dove è -1$
• Il fluoro ha sempre n.o. = -1
• I metalli alcalini hanno n.o. = +1 e quelli alcalino-terrosi n.o. = +2

Le reazioni di ossidoriduzione

Le reazioni redox sono presenti in tutti i tipi di trasformazioni chimiche: sintesi, decomposizione e spostamento possono essere anche reazioni di ossidoriduzione quando comportano trasferimento di elettroni.

Per identificare una reazione redox, analizza i numeri di ossidazione degli elementi prima e dopo la reazione:

• Nella combustione C⁰ + O²₀ → CO⁴⁻²₂, il carbonio si ossida $n.o. da 0 a +4$ cedendo elettroni all'ossigeno che si riduce $n.o. da 0 a -2$.

• Nella decomposizione 2Hg⁺²⁻²O → 2Hg⁰ + O⁰₂, il mercurio si riduce $n.o. da +2 a 0$ mentre l'ossigeno si ossida $n.o. da -2 a 0$.

• Nella reazione di spostamento Zn⁰ + 2H⁺¹Cl⁻¹ → Zn⁺²Cl⁻¹₂ + H⁰₂, lo zinco si ossida $n.o. da 0 a +2$ e l'idrogeno si riduce $n.o. da +1 a 0$.

🧪 In ogni reazione redox, una sostanza deve ossidarsi e un'altra ridursi contemporaneamente: gli elettroni ceduti da una devono essere accettati dall'altra!

Nelle reazioni redox, chiamiamo ossidante la sostanza che acquista elettroni (e quindi si riduce), mentre il riducente è la sostanza che cede elettroni (e quindi si ossida). Un modo semplice per ricordarlo: l'ossidante ossida gli altri riducendosi, il riducente riduce gli altri ossidandosi.

La tabella dei numeri di ossidazione ti aiuta a calcolare rapidamente come variano i n.o. degli elementi nelle reazioni, permettendoti di identificare facilmente i processi redox.

L'importanza delle reazioni redox

Originariamente, il termine "ossidazione" indicava solo le reazioni con l'ossigeno, mentre "riduzione" si riferiva alla perdita di ossigeno. Oggi questi termini hanno un significato più ampio: l'ossidazione è la perdita di elettroni con aumento del numero di ossidazione, mentre la riduzione è l'acquisto di elettroni con diminuzione del numero di ossidazione.

Le reazioni redox sono fondamentali nella nostra vita quotidiana e in numerosi processi industriali. Praticamente tutte le reazioni che producono energia sono ossidoriduzioni:

• La respirazione cellulare che fornisce energia agli organismi viventi
• Le combustioni che alimentano motori e centrali elettriche
• Le pile e batterie che forniscono elettricità

🔋 Dalla combustione nei motori alle pile del tuo smartphone, dalle reazioni nel tuo corpo alla ruggine sul ferro: le reazioni redox sono ovunque attorno a noi!

Anche molti processi industriali cruciali si basano su reazioni redox, come l'elettrolisi usata per produrre metalli e sostanze chimiche, l'estrazione dei metalli dai minerali e purtroppo anche i fenomeni di corrosione che degradano i materiali metallici.

Comprendere le reazioni di ossidoriduzione ti permette quindi di capire meglio innumerevoli fenomeni naturali e tecnologici che incontri ogni giorno.