Chimica - Sali ternari e reazioni chimiche - PDF

Chimica I sali ternari Le formule dei sali ternari, di cui MgSO, è un esempio (Figura 14.18), comprendono una parte metallica (Mg), che viene scritta per prima, una non metallica (S) e, in ne, l'ossigeno (O). I sali ternari sono composti ionici in cui il metallo è il catione (Mg2+) e la parte restan...

Chimica I sali ternari Le formule dei sali ternari, di cui MgSO, è un esempio (Figura 14.18), comprendono una parte metallica (Mg), che viene scritta per prima, una non metallica (S) e, in ne, l'ossigeno (O). I sali ternari sono composti ionici in cui il metallo è il catione (Mg2+) e la parte restante (residuo) è l'anione(SO4^2-). Nelle reazioni di preparazione dei sali ternari una specie chimica fornisce il catione metallico (un idrossido, un ossido o il metallo stesso) e l'altra specie chimica fornisce il residuo anionico (un ossiacido o un'anidride). A partire da un sale, poi, si possono ottenere nuovi sali tramite reazioni di spostamento o di doppio scambio. Alcuni esempi di sali ternari: per ogni sale si speci cano l'acido da cui deriva e il residuo (anione) che rimane togliendo l'idrogeno sotto forma di uno o più protoni H+. La nomenclatura IUPAC dei sali ternari usa le stesse regole che abbiamo visto per gli ossiacidi, con la differenza che: -si sopprime il termine «acido»; -al suf sso -ico dell'acido si sostituisce il suf sso -ato nel sale; -si speci ca di seguito il nome del catione metallico con il numero di ossidazione posto tra parentesi adoperando i numeri romani. Come al solito, si utilizzano i pre ssi per speci care il numero di atomi Per esempio, il sale FeSO, in cui il ferro ha numero di ossidazione +2, deriva dall'acido tetraossosolforico(VI) e si chiama tetraossosolfato (VI) di ferro(II). Per la nomenclatura tradizionale valgono le seguenti regole: -se il nome dell'acido termina in -oso, il sale assume il suf sso -ito; -se il nome dell'acido termina in -ico, il sale assume il suf sso -ato; -se ci sono, restano inalterati i pretissi ipo- e per-. Per esempio, dall'acido solforico, H2SOA, otteniamo i solfati, mentre dall'acido solforoso, H2SO3, otteniamo i sol ti. Per la nomenclatura IUPAC dei sali acidi, nella cui formula compaiono ancora degli atomi di idrogeno dell'acido da cui derivano, si aggiunge (prima del nome) il termine «idrogeno», preceduto dall'opportuno pre sso che ne indica il numero, e si sopprime il pre sso osso- che compare nel nome dell' acido. Alla. formula NaHSOA corrisponde, quindi, il nome idrogenosolfato(VI) di sodio. Il nome dei sali acidi, secondo la nomenclatura tradizionale, è caratterizzato dal termine «acido» che si pone tra il nome dell'anione e quello del catione. Talvolta si antepone il pre sso bi- al nome del sale. Per esempio, il sale NaHCO; si chiama carbonato acido di sodio o bicarbonato di sodio. Alcuni sali, invece, uniscono uno o più ioni OH all'anione dell'acido e sono detti sali basici; sono denominati con l'aggiunta «monobasico» o «dibasico» a seconda del numero di ossidrili che contengono. Per esempio, Bi(OH), Cl è detto cloruro dibasico di bismuto. Le reazioni chimiche Le reazioni chimiche sono trasformazioni che comportano una variazione della composizione chimica delle sostanze originarie, i reagenti, con formazione di nuove sostanze, i prodotti. Quando i reagenti si trasformano in prodotti, gli atomi dei reagenti si ricombinano tra loro in modo diverso e modi cano così la loro posizione reciproca nello spazio. Per rappresentare una reazione chimica, abbiamo utilizzato questo schema: reagenti——->prodotti, In cui reagenti e prodotti sono descritti dalle rispettive formule che si ricavano grazie alle indagini dell'analisi chimica. Per esempio, lo schema della reazione di combustione del metano (CH4) con l'ossigeno, da cui si producono acqua e diossido di carbonio, è il seguente: Gli indici delle formule ci dicono quanti atomi di quella specie sono presenti nella molecola; i simboli tra parentesi, in basso a destra di ciascuna formula, si riferiscono allo stato sico delle sostanze, cioè: (g) = gassoso, (I) = liquido, (s) = solido e (aq) = in soluzione acquosa. Poiché qualsiasi trasformazione chimica ubbidisce alla legge di conservazione della massa, cioè alla legge di Lavoisier, occorre che il numero di atomi di ciascuna specie chimica rimanga inalterato a sinistra e a destra della freccia di reazione. fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi Dobbiamo pertanto completare lo schema di reazione facendo in modo che il numero totale di atomi di ciascuna specie presente nei reagenti sia uguale a quello presente nei prodotti. Davanti alle formule dei reagenti e dei prodotti, si introducono a questo scopo numeri interi opportuni, chiamati coef cienti stechiometrici; a tale operazione si dà il nome di bilanciamento. Rappresentiamo lo schema della reazione di combustione del metano con il modello a sfere compatte. Contiamo gli atomi di ciascuna specie. Abbiamo 1 atomo di carbonio tra i reagenti e l atomo di carbonio tra i prodotti ma in una molecola di metano vi sono 4 atomi di idrogeno e in una molecola di acqua sono presenti solo 2 atomi di idrogeno. Dobbiamo aggiungere quindi un'altra molecola di acqua. Per bilanciare gli atomi di ossigeno, poiché nei reagenti l'ossigeno è presente solo come elemento, è suf ciente aggiungere un'altra molecola di O2. Leggiamo ora la nostra reazione: una molecola di metano reagisce con due molecole di ossigeno e forma una molecola di anidride carbonica e due molecole di acqua. Il bilanciamento dello schema di reazione tra metano e ossigeno è: Allo schema così completato si dà il nome di equazione di reazione. I coef cienti stechiometrici che si introducono davanti alle formule di ciascuna specie chimica devono essere numeri interi e i più piccoli possibile. Anche questa, infatti, è una reazione bilanciata: La legge di Lavoisier è rispettata ma i numeri introdotti non sono i coef cienti minimi e quindi questa equazione non è corretta. È pertanto necessario, in questo caso, sempli care tutti i coef cienti stechiometrici in base al loro massimo comune divisore: I coef cienti stechiometrici sono numeri opportuni con cui è possibile mantenere, per ciascuna specie, l'uguaglianza tra il numero di atomi dei reagenti e dei prodotti. Come bilanciare le reazioni In generale, le tappe fondamentali per scrivere correttamente un'equazione di reazione sono le seguenti: 1. stabilire quali sono i reagenti e i prodotti (i loro nomi e le classi di apparte-nenza); 2.scrivere le formule corrette dei reagenti e dei prodotti; gli indici numerici di tali formule non possono essere modificati durante il bilanciamento, perché ciascuna formula descrive l'esatta composizione di una sostanza; 3. bilanciare lo schema di reazione introducendo i coefficienti stechiometrici che consentono di conservare inalterato il numero di atomi di ogni specie chimica. Proviamo, come esempio, a scrivere l'equazione di reazione che traduca le seguenti osservazioni sperimentali: «l'ossido rameico si ottiene scaldando rame in polvere in presenza di ossigeno». Tappa 1: I reagenti sono rame solido e ossigeno gassoso; il prodotto è l'ossido di rame(II). Tappa 2: Il rame è un elemento il cui simbolo è Cu; l'ossigeno gassoso è costituito da molecole diatomiche, O2; la formula dell'ossido di rame(II) è CuO. Lo schema di reazione risulta: Tappa 3: L'ossigeno non è bilanciato perché vi sono due atomi a sinistra e uno solo a de-stra; per averne due bisogna introdurre il coefficiente stechiometrico 2 davanti alla formula Cu e CuO: La reazione risulta ora bilanciata. Non è possibile formulare istruzioni che siano universalmente valide per bilanciare una reazione. I coefficienti stechiometrici vanno scelti di volta in volta e introdotti in successione, fino a che il numero di atomi di ciascuna specie non coincida da una parte e dall'altra della freccia. Possiamo, tuttavia, seguire alcune semplici regole: 1. bilanciare per primi gli atomi dei metalli e dei non metalli; 2. se nello schema di reazione compaiono nei reagenti e nei prodotti degli ioni poliatomici (per esempio SO}), bilanciarli come gruppo di atomi; 3. bilanciare per ultimi gli atomi di idrogeno e ossigeno, se presenti, partendo da quello presente nel minor numero di formule della reazione. fi fi fi fi fi fi fi  I vari tipi di reazione Per scrivere un'equazione di reazione dobbiamo stabilire quali sono i reagenti da trasformare e i prodotti che da essa si ottengono. Talvolta è suf ciente conoscere la natura e la formula dei reagenti per prevedere quali prodotti si formeranno. Molte reazioni chimiche avvengono secondo schemi abbastanza semplici che si possono ricondurre a quattro tipi fondamentali, in base a come si riaggregano tra loro nei prodotti gli atomi o i gruppi atomici presenti nei reagenti. I nomi e le caratteristiche di ciascun tipo di reazione sono descritti nella Tabella 16.1, dove con le lettere A, B, C e D sono indicati gli atomi o i gruppi di atomi che partecipano alla reazione. Molte reazioni in cui un elemento si combina con l'ossigeno sono reazioni di com-bustione, e sono associate allo sviluppo di una notevole quantità di calore. Con numerosi metalli, la reazione con ossigeno porta alla corrosione del metallo (come accade nella formazione della ruggine); tutti i metalli, infatti, tranne i cosiddetti metalli nobili (come oro, argento, platino), si combinano con l'ossigeno puro formando un ossido. Sono reazioni di sintesi anche la formazione di un ossiacido (dall'ossido acido e dall'acqua) e di un idrossido (dall'ossido basico e dall'acqua). Quest'ultima reazione è limitata agli idrossidi dei metalli del primo e del secondo gruppo, perché la maggior parte degli altri ossidi è insolubile in acqua. Alcuni sali binari possono essere preparati direttamente per reazione tra il metallo e il non metallo. Lo ioduro di alluminio (AlIz) si può ottenere miscelando alluminio in polvere e iodio in cristalli e innescando la reazione per aggiunta di una goccia di acqua. La reazione libera una grande quantità di calore, che provoca la sublimazione di una parte dello iodio (vapori viola: Le reazioni di doppio scambio Appartengono a questa categoria tutte le reazioni in cui due composti si scambiano i «partner». Tali reazioni sono caratterizzate dalla formazione di gas, di composti molecolari, come per esempio l'acqua, oppure di solidi poco solubili (precipitati). Le reazioni di doppio scambio che portano alla formazione di prodotti gassosi hanno spesso parecchie applicazioni pratiche. È possibile, per esempio, eliminare le incrostazioni calcaree trattandole con prodotti a carattere acido; l'acido disgrega il carbonato di calcio che le costituisce perché libera diossido di carbonio (COz)dallo ione carbonato. Una reazione del tutto analoga avviene tra l'acido citrico e il bicarbonato di sodio contenuto nelle «bombe da bagno» profumate L'aggiunta di una soluzione di KOH o NaOH a una soluzione di un sale di ammo-nio, invece, provoca la liberazione di ammoniaca gassosa (NH3) il cui caratteristico odore è facilmente riconoscibile. A volte si scrive una freccia verso l'alto (1) a anco del composto volatile per indicare che si libera come gas. Le reazioni di doppio scambio più signi cative, che portano alla formazione di acqua, sono le reazioni acido-base, così chiamate perché avvengono tra un acido e una base. fi fi fi  Sono anche note con il nome di reazioni di neutralizzazione, in quanto le proprietà degli acidi vengono annullate, cioè neutralizzate, da quelle delle basi. Acidi e basi sono elettroliti che in soluzione acquosa liberano rispettivamente ioni H+e ioni OH-. Quando ioni H+e OH-sono presenti in soluzione in uguale quan-tità, si aggregano a formare molecole di acqua non ionizzate. Un esempio è rappresentato dalla reazione tra NaOH e HCl in soluzione. Anche in questo caso possiamo scrivere un'equazione ionica netta, sempli cando gli ioni spettatori: la reazione netta è la formazione di H20. Le reazioni di neutralizzazione non avvengono soltanto tra acidi e idrossidi, ma anche fra acidi e ossidi basici, fra idrossidi e ossidi acidi oppure fra ossidi acidi e ossidi basici. In quest'ultimo caso però non si forma acqua. I calcoli stechiometrici Il ramo della chimica che si occupa delle relazioni quantitative fra le sostanze reagenti e i prodotti è detto stechiometria; questo termine deriva dal greco e signi ca «misurazione degli elementi». I calcoli relativi ai rapporti di reazione sono chiamati calcoli stechiometrici e si impostano sempre a partire dall'equazione di reazione che rappresenta la trasformazione chimica. I coef cienti di reazione presenti nell'equazione chimica indicano i rapporti secondo cui si combinano i reagenti e si formano i prodotti. Riconsideriamo l'equazione della reazione di combustione del metano: Il coef ciente 1 del metano e il coef ciente 2 dell'ossigeno speci cano che il rapporto di reazione richiesto per trasformare le loro molecole in acqua e diossido di carbonio deve essere di 1 : 2. Il coef ciente 2 dell'acqua e il coef ciente 1 del diossido di carbonio indicano, invece, che le loro molecole si formano nel rapporto di 2: 1, cioè che il numero di molecole di HO che si ottengono è doppio rispetto al numero di molecole di COz. In modo analogo, si ricava che il rapporto di reazione tra metano e acqua è di 1: 2, mentre tra metano e diossido di carbonio è di 1 : 1. L'equazione di reazione di una qualsiasi trasformazione chimica rende evidenti i rapporti secondo cui si combinano i reagenti e si formano i prodotti. Abbiamo ricavato tali rapporti a partire da atomi e molecole, cioè da considerazioni relative al livello microscopico. Essi, tuttavia, sono validi anche a livello macrosco-pico, a patto che si faccia ricorso al concetto di quantità di sostanza, una grandezza che, come già sappiamo, ha come unità di misura la mole. Una mole, infatti, è una quantità di sostanza che contiene un ben de nito numero di particelle (6,022 10^23),sempre lo stesso per qualsiasi sostanza. Consideriamo la seguente equazione di reazione: L'equazione ci informa che il rapporto di reazione tra idrogeno e azoto è di 3: 1; se vogliamo trasformare l'idrogeno e l'azoto in ammoniaca (NH3), dobbiamo fare in modo che il numero di molecole di idrogeno sia il triplo di quello delle molecole di azoto. Se mettiamo a reagire 3 mol di idrogeno con 1 mol di azoto, rispettiamo il rapporto di 3: 1 tra le molecole di reagenti; infatti, 3 mol H, corrispondono a 3 x 6,022 1023 molecole di idrogeno e 1 mol N, corrisponde a 1 x 6,022 102 molecole di azoto. In questo modo otteniamo 2 mol NH, che corrispondono a 2 x 6,022 1023 molecole di ammoniaca. i coef cienti di una reazione bilanciata indicano sia il numero di molecole (o formule minime) delle sostanze coinvolte, sia le quantità di sostanze con il loro numero di moli. Che cos'è la velocità di reazione Quanto tempo durano le reazioni? Un attimo, un giorno o un secolo? Una reazione veloce, è quella comune a tutti gli esplosivi, dalla nitroglicerina al tritolo. L'esito disastroso delle esplosioni è dovuto, principalmente, ai grandi volumi di gas caldi che queste reazioni liberano quasi istantaneamente. La crescita delle stalattiti e delle stalagmiti è, invece, il risultato di un processo molto lento: la trasformazione del bicarbonato di calcio (solubile) in carbonato di calcio insolubile, acqua e diossido di carbonio. Le reazioni chimiche possono quindi avere velocità molto diverse (Figura 18.1). A volte cerchiamo di rallentare le reazioni, per esempio aggiungiamo antiossidanti ai cibi; altre, invece, desideriamo che avvengano in breve tempo, come quando usiamo ossido di etilene per far maturare rapidamente la frutta. Lo studio di tutti gli aspetti relativi alla velocità delle trasformazioni chimiche è affrontato dalla parte della chimica detta cinetica chimica. Il termine cinetica deriva dal greco kineo che signi ca «mi muovo», radice comune a molte parole della nostra lingua. Ma come possiamo misurare la velocità di una reazione? fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi La velocità di reazione (v) è la variazione della concentrazione dei reagenti, A[R], o dei prodotti, A[P), nell'intervallo di tempo At. Il segno meno davanti alla concentrazione dei reagenti serve per rendere positivo il valore della velocità di reazione: la loro concentrazione diminuisce e la differenza A[R] = [R] nale - [R)iniziale risulta negativa (Figura 18.2). Le parentesi quadre indicano le concentrazioni molari. L'intervallo di tempo At si esprime, normalmente, in secondi. L'unità di misura della velocità di reazione è quindi mol/(L s): La velocità è determinabile sperimentalmente misurando la variazione nel tempo di una qualunque proprietà dei reagenti o dei prodotti che possa essere messa in relazione con la loro concentrazione, come, per esempio, la variazione della massa del sistema, la variazione di colore della soluzione, il volume di gas prodotto o la sua pressione. Consideriamo, per esempio, la decomposizione del gas N20, in NO, e 02: Man mano che il pentossido di diazoto si decompone, aumenta il numero di molecole allo stato gassoso perché, come si nota dall'equazione di reazione, da 2 mol di N,O, che si decompongono si formano ben 5 mol di prodotti. fi