La scrittura e bilanciamento delle reazioni chimiche
sono l’alfabetizzazione a tutta la chimica, un po’
come la lettura e scrittura per la vita.
Non entrerò nel dettaglio perché la stechiometria
è una materia pragmatica e fatta di conti, è la
“ragioniera” della chimica e troppe informazioni
non le servono.
Si avrà modo di approfondire l’argomento in
chimica-fisica e chimica generale (di cui
stechiometria ne è una buona fetta).
In questa sede ci limiteremo nel dire che
la reazione chimica è una trasformazione
della materia espressa tramite equazioni
chimiche sperimentali.
Cioè si è visto sperimentalmente che a tali
pressione, temperatura, concentrazioni,
moli, grammi di sostanze reagivano
trasformandosi nei prodotti.
Esistono innumerevoli modi e sottigliezze per
catalogare le reazioni chimiche. Questo esame
prevede tre grandi tronconi:
1) Combustione
i prodotti tipici sono carbone e miscela di gas
(NO, NO2, CO, CO2, H2O, H2);
2) ossido-riduzione
gli elementi coinvolti variano il loro “numero di ossidazione”;
3) acido-base
acidi e basi miscelati che danno il via a
neutralizzazioni, o residui acidi o basici.
SCRITTURA E BILANCIAMENTO DELLE REAZIONI CHIMICHE –
Il numero di ossidazione
Prendiamo, ad esempio, due reazioni estremamente
banali quanto fondamentali per un chimico: la
formazione dell’ammoniaca e dell’acqua.
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\Large \begin{matrix} 3H_{2}\! +\! N_{2}\! \rightarrow 2NH_{3}\\ 2H_{2}\! +\! O_{2}\! \rightarrow 2H_{2}O \end{matrix}
In entrambi i casi i reagenti formano una miscela
gassosa che da il via ai prodotti. Le reazioni sono
già bilanciate. Spieghiamo però come si è arrivati
a questo bilanciamento.
In entrambi i casi il numero di ossidazione dei
reagenti è 0, ma poi cambia nei prodotti.
\!\!\!\!\!\!\!\!\! \begin{matrix} 3H_{^2}^{{\circ}}\!+\!N_{^2}^{0}\!\rightarrow \!2N^{-3}\!+\!6H^{+1}\\ 2H_{^2}^{{\circ}}\!+\!O_{^2}^{0}\!\rightarrow \!4H^{+1}\!+\!2O^{-2} \end{matrix}
La somma dei numeri di ossidazione moltiplicata per le frazioni molari deve fare 0:
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\begin{matrix} 2N^{-3}+6H^{+1}\! =\! -6\!+\!6\!=\!0\\ \!\!\!\!4H^{+1}\!+\!2O^{-2}\!=\!4\!-\!4\!=\!0 \end{matrix}
Diremo che il numero di ossidazione di un elemento esprime la sua carica parziale in una molecola.
Quando l’elemento è isolato, cioè a riposo,
il n.o. è sempre 0, ma quando esso si lega
può diventare negativo se acquista elettroni
dall’altro reagente, o diventare positivo se cede
elettroni all’altro reagente (argomento redox),
in modo tale che la carica totale della molecola è 0.
Bilancio delle cariche
Consideriamo dapprima la formazione
di ammoniaca:
L’azoto passa da 0 a -3, ha quindi acquistato 3
elettroni:
\!\!\!\Large \begin{matrix}
N^{0}\!+\!3 e^{-}\! \rightarrow \!N^{-3}
\end{matrix}
L’idrogeno passa da 0 a +1, ha perso 1 elettrone:
\!\!\!\Large \begin{matrix}
H^{0}\!-\!1 e^{-}\!\rightarrow \!H^{+1}
\end{matrix}
Riordiniamole in modo da avere i segni
dal lato opposto:
\!\!\!\large \begin{matrix} N^{0}\!+\!3 e^{-}\!\rightarrow \!N^{-3}\\ H^{0}\! \rightarrow H^{+1}\!+\!1 e^{-} \end{matrix}
Per semplificare dobbiamo avere gli stessi
elettroni ambo le righe. In genere si ricorre
al “prodotto incrociato”, ma qui si fa a vista:
\!\!\!\!\large \begin{matrix} \!\!\!\!\!N^{0}\!+\!3e^{-}\!\rightarrow \!N^{-3}\\ 3\!\cdot \![H^{0} \!\rightarrow \!H^{+1}\!+\!1e^{-}] \end{matrix}
Ogni volta che un azoto acquista tre
elettroni, tre idrogeni ne perdono uno.
\!\!\!\!\!\large \begin{matrix} \!\!\!\!N^{0}\!+\! \not 3 \not e^{-}\! \rightarrow \!N^{-3}\\ 3H^{0}\! \rightarrow 3H^{+1}\! +\! \not 3 \not e^{-} \end{matrix}
Ora che abbiamo fissato il concetto “moli e numeri di ossidazione” dobbiamo però considerare che l’azoto e l’idrogeno sono biatomici. Nessun problema.
Essendo che uno cede il doppio degli
elettroni calcolati, e chi li accetta pure
raddoppia, il discorso rimane invariato.
\!\!\!\large \begin{matrix} 2N^{0}\! \rightarrow \!2N^{-3}\\ 3H^{0}_{2}\! \rightarrow \!3H^{+1}_{2} \\ N^{0}_{2}\!+\!3H^{0}_{2}\! \rightarrow \!2NH_{3} \end{matrix}
Bilancio delle cariche
\!\!\!\large \begin{matrix} O^{0}\!+\!2e^{-}\! \rightarrow \!O^{-2}\\ 2\!\cdot \![H^{0}\! \rightarrow \!H^{+1}\!+\!e^{-}] \end{matrix}
\!\!\!\!\large \begin{matrix} \!\!\!O^{0}\!+\!\not 2 \not e^{-}\! \rightarrow \!O^{-2}\\ 2H^{0}\! \rightarrow \!2H^{+1}\!+\! \not 2 \not e^{-} \end{matrix}
Per ogni ossigeno che acquista 2 elettroni,
due idrogeni perdono due elettroni.
Anche qui sono entrambi biatomici
quindi raddoppia il donatore, ma
anche il ricevente:
\!\!\!\!\! \large \begin{matrix} O^{0}\! \rightarrow \!O^{-2}\\ 2H^{0}\! \rightarrow \!2H^{+1} \\ O^{0} _{2}\!+\!2H^{0}_{2}\! \rightarrow \!2H^{0}_{2} O^{-2} \end{matrix}
Per queste reazioni banali, si faccia il
bilanciamento a vista, o si contino solo
le moli, o si vedano i grammi, non cambia.
In realtà questo metodo proposto è
l’unico valido per reazioni più
complesse dove gli altri metodi
funzionano apparentemente,
ma le cariche non sono bilanciate
e la reazione dal vivo non avviene.
ALTRI ESEMPI DI SCRITTURA E BILANCIAMENTO DELLE REAZIONI CHIMICHE:
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\large \begin{matrix} C^{0}\!+\!O_{2}^{0}\! \rightarrow \!C^{+4}O_{2}^{-2} \\ H_{2}^{0}\!+\!Cl_{2}^{0}\! \rightarrow \!2H^{+1}Cl^{-1} \end{matrix}
\!\!\!\!\large \begin{matrix} C^{0}-4e^{-}\!\rightarrow \!C^{+4}\\ O^{0}+2e^{-}\!\rightarrow \!O^{-2}\\ 2\cdot \![O^{0}+2e^{-}\!\rightarrow \!O^{-2}] \end{matrix}
\!\!\!\!\! \large \begin{matrix} C^{0}\!\rightarrow \!C^{+4}\!+\!\not 4 \not e^{-}\\ 2O^{0}\!+\!\not 4 \not e^{-}\!\rightarrow \!2O^{-2}\\ 2O^{0}\!+\!C^{0}\!\rightarrow \!CO_{2} \end{matrix}
Il carbonio perde 4 elettroni e l’ossigeno
ne acquista due. Quindi siamo obbligati
a raddoppiare il ricevente. Tuttavia,
l’ossigeno è biatomico, quindi avremmo
dovuto raddoppiarlo comunque. Ci va
di lusso. In questo modo, abbiamo
implicitamente bilanciato anche le masse.
\!\!\!\!\!\!\large \begin{matrix} Cl^{0}\!+\!1e^{-}\!=\!Cl^{-1}\\ H^{0}\!-\!1e^{-}\!=\!H^{+1}\\ \end{matrix}
\!\!\!\!\!\!\large \begin{matrix} Cl^{0}+\not 1 \not e^{-}\to Cl^{-1}\\ H^{0}\to H^{+1}+\not 1 \not e^{-}\\ Cl^{0}+H^{0}\to HCl \end{matrix}
Essendo cloro e idrogeno biatomici
dobbiamo raddoppiare donatore e
ricevente, quindi uno neutralizza l’altro
ed il nostro sistema non sarà perturbato
\!\!\!\!\!\large \begin{matrix} 2Cl^{0}\!+\!2H^{0}\!\to \!2HCl \end{matrix}