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1 Approfondimento 7.1 Tipi di reazioni chimiche Reazioni di sintesi: A + B AB Nelle reazioni di sintesi da due o più elementi o compo...

1 Approfondimento 7.1 Tipi di reazioni chimiche Reazioni di sintesi: A + B AB Nelle reazioni di sintesi da due o più elementi o composti semplici si ottie- ne un solo composto. Metallo + ossigeno ossido basico 2Fe + O2 2FeO Non metallo + ossigeno ossido acido o anidride P + O2 P2O3 Ossido basico + acqua idrossido o base FeO + H2O Fe(OH)2 Ossido acido + acqua ossiacido P2O3 + H2O 2HPO2 Metallo + idrogeno idruro metallico 2Na + H2 2NaH Alogeno + idrogeno idracido Cl2 + H2 2HCl Il ferro a contatto con l’ossigeno Metallo + non metallo sale binario 2Na + Cl2 2NaCl e il vapore acqueo (H2O) dell’aria si ossida, formando una nuova so- stanza, un composto, un ossido di Nelle reazioni tra un elemento (metallo o non metallo) e l’ossigeno (rea- ferro; il processo di ossidazione del ferro in presenza di acqua porta alla zioni di ossidazione) il numero di ossidazione sia dell’elemento (metallo o formazione della ruggine, di colo- non metallo) che dell’ossigeno si modifica: aumenta quello dell’elemento re bruno-rossiccio, che si sgretola (nell’esempio del ferro passa da 0 a +2) e si riduce quello dell’ossigeno (che favorendo l’ossidazione e la corro- sione degli strati di ferro sottostanti. nello stesso esempio passa da 0 a –2); queste reazioni sono perciò reazioni di ossido-riduzione. La sintesi degli idrossidi è limitata agli ossidi dei metalli dei primi due gruppi della tavola periodica, perché la maggior parte degli altri ossidi sono insolubili in acqua. Reazioni di decomposizione: AB A+B Possono essere considerate l’inverso delle reazioni di sintesi: da un solo composto (reagente) si ottengono due o più prodotti (composti più semplici o elementi). Queste reazioni sono favorite dalle alte temperature. Alcune reazioni di decomposizione vengono utilizzate in laboratorio per produrre ossigeno. Il perossido d’idrogeno (acqua ossigenata), in presenza di biossido di manganese MnO2 (che non partecipa alla reazione ma funge da catalizzato- re aumentandone la velocità), libera ossigeno gassoso: 2H2O2(l) O2(g) + 2H2O(l) L’ossigeno viene prodotto anche mediante decomposizione di clorato di potassio: 2KClO3(s) 3O2(g) + 2KCl(s) Dalla decomposizione del monossido di mercurio (HgO) si ottengono i due elementi mercurio e ossigeno: 2HgO(s) O2(g) + 2Hg(l)  2 Approfondimento 7.1 I bicarbonati e i carbonati (tranne quelli dei metalli alcalini, I gruppo della tavola periodica) si decompongono liberando anidride carbonica. Per esempio, il bicarbonato di sodio a secco a 200 °C si decompone libe- rando CO2 secondo questa reazione: 2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(l) In presenza di acqua, la produzione di CO2 inizia anche a temperatura am- biente; in acqua bollente è una reazione molto veloce e può essere utilizza- ta come test “casalingo” per capire se un vecchio barattolo di bicarbonato di sodio è ancora utilizzabile o è “scaduto” (il bicarbonato si trasforma in carbonato di sodio insolubile): mettendo in acqua bollente un cucchiaino Il bicarbonato in acqua bollente di bicarbonato si formano rapidamente bollicine di CO2. produce CO2. Il bicarbonato può essere utilizzato come lievito chimico, anche se nella reazione viene prodotto carbonato di sodio, che è più alcalino del bicarbo- nato e può dare luogo a reazioni indesiderate nell’impasto. Un pH troppo alto può infatti rendere più scuri i prodotti e può anche alterare i grassi presenti lasciando un retrogusto saponoso per nulla piacevole. In più il carbonato di sodio nello stomaco reagisce con l’HCl presente e libera CO2 che provoca forti eruttazioni che possono risultare… imbaraz- zanti! Per questo il lievito chimico è in genere costituito da bicarbonato con l’aggiunta di una sostanza acida per ottenere una decomposizione completa che non lasci residui alcalini: NaHCO3(s) + H+(aq) Na+(aq) + CO2(g) + H2O(l) Nel lievito naturale la formazio- In altri casi, la produzione di anidride carbonica nella reazione di decompo- ne di CO2 che fa gonfiare (lievita- sizione rappresenta un prodotto di scarto. Per esempio, la decomposizione re) l’impasto è determinata dalla del carbonato di calcio viene sfruttata per la produzione industriale dell’os- fermentazione operata dai lieviti (microrganismi unicellulari apparte- sido di calcio, ossia la calce utilizzata nel settore edile: nenti al regno dei Funghi). Il lievito chimico produce lo stesso risultato mediante una reazione chimica di CaCO3(s) CaO(aq) + CO2(g) decomposizione del bicarbonato (in ambiente acido). Dalla decomposizione degli idrossidi (tranne quelli dei metalli alcalini, I gruppo della tavola periodica) mediante riscaldamento si ottiene la forma- zione del corrispondente ossido metallico e di acqua. Per esempio: Ni(OH)2(s) NiO(s) + H2O(g) Reazioni di scambio o di spostamento (o di sostituzione): A + BC AC + B Un elemento A (più reattivo) sposta un elemento meno reattivo B da un suo composto BC: la reazione porta alla liberazione dell’elemento meno reatti- vo B e alla formazione di un nuovo composto, AC. Il numero di ossidazione dei due elementi coinvolti cambia e la reazione è una reazione di ossido-riduzione. 3 Approfondimento 7.1 Per esempio, lo zinco (Zn), più reattivo dell’idrogeno (H), lo sposta dal com- posto HCl, liberando idrogeno gassoso e formando cloruro di zinco: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 Oro e argento, meno reattivi dell’idrogeno, non sono invece in grado di spo- starlo dal composto HCl. Nella tabella seguente sono riportati alcuni metalli (oltre a H e C, non metalli) in ordine decrescente di reattività rispetto all’idrogeno. Quelli alla destra dell’idrogeno non sono in grado di spostarlo dai relativi composti, mentre quelli a sinistra sostituiscono l’idrogeno nel loro composti. Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb C H2 Cu Hg Ag Au Più reattivo Meno reattivo Le posizioni dell’idrogeno e del carbonio nella scala di reattività dipendo- no anche dalle condizioni di reazione. Da Li a Ca gli elementi metallici sono in grado di sostituire l’idrogeno sia dell’acqua (liberano idrogeno gassoso dall’acqua, ottenendo i relativi idros- sidi in soluzione acquosa) sia degli acidi, mentre da Mg a Pb è possibile farlo solo in presenza di un acido. L’alluminio non reagisce con l’acqua (non sposta l’idrogeno, pur essendo più reattivo di quest’ultimo), perché è ricoperto da uno strato di ossido di alluminio che si forma a contatto con l’aria. Anche i non metalli possono scambiarsi con altri non metalli; gli alogeni sono i non metalli a maggior reattività, essendo il più reattivo tra questi il fluoro (seguono nell’ordine gli altri alogeni con peso molecolare maggiore): F Cl Br I Più reattivo Meno reattivo Così, per esempio, il cloro Cl2 sostituisce il bromo del bromuro di sodio: Cl2 + 2NaBr 2NaCl + Br2 Lo iodio non è invece in grado di farlo, perché è meno reattivo del bromo. Carbonio, magnesio, alluminio e idrogeno gassoso sono frequentemente utilizzati per ottenere dai loro minerali (composti) gli elementi puri. Per esempio, per ottenere il fosforo (P4) puro, allo stato gassoso: 5C + 2P2O5 (a elevata temperatura, circa 1500 °C) 5CO2 + P4 L’idrogeno, poco reattivo, è utilizzato solo per elementi meno reattivi come l’argento o il rame. 4 Approfondimento 7.1 Reazioni di doppio scambio: AB + CD AD + BC Si verificano quando due composti si scambiano gli elementi che li costituisco- no per formare due nuovi composti. Queste reazioni possono portare alla formazione di gas (CO2, SO2, NH3), precipitati (composti insolubili in acqua), acqua (reazioni di neutralizzazione). Vediamo alcuni esempi. 1. Reazioni di doppio scambio con formazione di gas a. solfuro + acido: si libera acido solfidrico FeS + 2HCl FeCl2 + H2S (acido solfidrico, gas dal tipico odore di uova marce) FeS + H2SO4 FeSO4 + H2S b. carbonato + acido: si libera anidride carbonica CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O c. solfito + acido: si libera anidride solforosa Na2SO3 + 2HCl 2NaCl + SO2 + H2O d. sali di ammonio + idrossido: si libera ammoniaca NH4Cl + KOH KCl + NH3 + H2O 2. Reazioni di doppio scambio con formazione di precipitati In una reazione tra due sali solubili in acqua il doppio scambio dei loro ioni può portare alla formazione di nuovi sali di cui uno poco solubile o del tutto insolubile in acqua, che forma una fase solida colorata che precipita sul fondo: AgNO3 + NaCl AgCl (forma un precipitato bianco) + NaNO3 FeCl3 + 3NH4OH Fe(OH)3 (forma un precipitato rosso ruggine) + 3NH4Cl FeSO4 + 2NaOH Fe(OH)2 (forma un precipitato verde) + Na2SO4 Pb(NO3)2 + 2KI PbI2 (forma un precipitato giallo) + 2KNO3 Cu(NO3)2 + Na2S CuS (forma un precipitato nero) + 2NaNO3 Si possono formare precipitati anche da una reazione tra un sale solubile e un acido: BaCl + H2SO4 BaSO4 (forma un precipitato bianco cristallino) + 2HCl 5 Approfondimento 7.1 Equazioni ioniche Le reazioni di precipitazione riportate nel testo, sotto forma di equazioni chimi- che (molecolari), possono essere meglio rappresentate dall’equazione ionica, nella quale gli elettroliti forti sono rappresentati sotto forma di ioni, mentre i solidi, gli elettroliti deboli e i gas sono rappresentati sotto forma di molecole. Per esempio, la reazione: AgNO3(aq) + NaCl(aq) AgCl(s) + NaNO3(aq) può essere scritta in forma di equazione ionica: Ag+(aq) + NO (aq) + Na+(aq) + Cl–(aq) AgCl(s) + Na+(aq) + NO (aq) In questa equazione gli ioni Na+ e NO non partecipano alla reazione (si ritro- vano in soluzione, indicati con aq, sia tra i reagenti sia tra i prodotti) e vengono perciò detti ioni spettatori. Considerando solo le specie chimiche che partecipano alla reazione, possiamo scrivere l’equazione ionica netta: Ag+(aq) + Cl–(aq) AgCl(s) 3. Reazioni di doppio scambio con formazione di acqua (reazione di neutralizzazione) In una reazione tra un acido e una base si forma acqua: è detta reazione di neutralizzazione perché l’aggiunta di una base neutralizza, con gli ioni OH–, l’acidità della soluzione, dovuta alla presenza degli ioni H+ dell’acido in soluzione: NaOH + HCl NaCl + H2O Più correttamente l’equazione andrebbe scritta (in forma di equazione io- nica): Na+(aq) + OH–(aq) + H+(aq) + Cl–(aq) Na+(aq) + Cl–(aq) + H2O(l) Dove Na+ e Cl– si comportano da ioni spettatori. Reazioni di neutralizzazione si verificano anche tra idrossidi e ossidi aci- di, tra acidi e ossidi basici e tra ossidi basici e ossidi acidi (in quest’ultimo caso non si forma acqua). 6 Approfondimento 7.1 Reazioni di particolare interesse 1. Reazioni di dissociazione Un composto ionico si dissocia in acqua liberando dal legame ionico gli ioni presenti nel composto, che diventano così elettroliti: NaCl(s) + H2O(l) Na+(aq) + Cl–(aq) + H2O(l) L’equazione ionica netta è: NaCl(s) Na+(aq) + Cl–(aq) 2. Reazioni di ionizzazione Un composto molecolare reagisce con l’acqua formando ioni positivi e ne- gativi (elettroliti), non presenti nel composto originale: HCl + H2O H3O+ + Cl– Questa equazione viene spesso indicata come segue: HCl H+ + Cl– 3. Reazioni di ossido-riduzione Già trattate nell’Unità 7, sono reazioni chimiche nelle quali si verifica il tra- sferimento di elettroni da una specie chimica (che si ossida) a un’altra (che si riduce). In queste reazioni il numero di ossidazione delle specie coinvolte si modifica: la specie che si ossida (cedendo elettroni) aumenta il numero di ossidazione; quella che si riduce (acquistando elettroni) riduce il suo nu- mero di ossidazione. Come già detto, sono reazioni di ossido-riduzione le reazioni di scambio semplice come: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 nella quale lo zinco si ossida (il suo numero di ossidazione aumenta: passa da 0 a + 2), mentre l’idrogeno si riduce (il suo numero di ossidazione si riduce: passa da + 1 a 0). 4. Reazioni di combustione Sono particolari reazioni di ossido-riduzione, nelle quali una sostanza det- ta combustibile si ossida combinandosi con un’altra (di solito l’ossigeno), detta comburente, che si riduce. La reazione di combustione è fortemente esotermica e sviluppa notevoli quantità di calore. Per esempio, la combustione del metano, il gas che uti- lizziamo in cucina, avviene secondo questa reazione: CH4 + O2 CO2 + 2H2O + calore