Chimica 26 - Appunti di lezione hhh PDF

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LEZIONE 26/10/2020 ANGELO CALABRO’ E PAOLO LA CAVA

LE REAZIONI CHIMICHE Una reazione chimica può essere riassunta globalmente dalla sua equazione chimica. L’equazione chimica, dal punto di vista formale prevede la scrittura dei reagenti a sinistra della freccia e la scrittura dei prodotti a destra della freccia. aA(sf) + bB(sf) → cC(sf) + dD(sf)

Quasi tutte le reazioni sono dette ‘di equilibrio’, ciò

Rappresenteremo formalmente le reazioni di equilibrio con una doppia freccia. aA(sf) + bB(sf)

cC(sf) + dD(sf)

Anche le reazioni quantitative verranno indicate con una doppia freccia, dato che un equilibrio si instaura sempre, anche se la concentrazione dei reagenti è talmente piccola da non riuscire a determinarla; in questi casi si dice che all’equilibrio i reagenti si consumano completamente.

Un esempio di ciò è dato dal caso degli acidi forti, nelle reazioni dei quali l’equilibrio è sempre spostato verso destra, perciò considereremo che l’acido ha reagito ; anche e quindi anche la concentrazione dei reagenti (anche se sarà troppo piccola per essere determinata).

In caso di reazioni molto esotermiche, come le combustioni, l’ambiente di reazione , l’equilibrio viene spinto verso destra sfruttando il principio di Le Chatelier, dato che i prodotti vengono fatti scomparire dall’ambiente di reazione e non si instaurerà mai un vero e proprio equilibrio tra reagenti e prodotti.

È importante quindi distinguere le reazioni che ad esempio avvengono in soluzione o in fase gassosa. Reazioni redox e bilanciamento Nel bilanciamento di una reazione è importante comprendere se essa è una reazione di ossidoriduzione. Con il termine ossidoriduzione (o redox) si intendono tutte quelle reazioni chimiche in cui cambia il numero di ossidazione degli atomi. , ed un altro

Per determinare se una reazione è di ossidoriduzione è importante stabilire i numeri di ossidazione delle specie presenti. Il numero di ossidazione, per uno ione monoatomico coincide con la sua carica. Es. Ca2+ N.O.= +2 È possibile, tuttavia, determinare anche il numero di ossidazione di un atomo nella sua molecola, in un composto o in uno ione poliatomico. In questi casi, il numero di ossidazione è un numero arbitrario che vale zero per l’atomo libero, mentre per un atomo legato coincide con la carica fittizia che l’atomo partecipa all’elemento più elettronegativo coinvolto nel legame

Il numero di ossidazione in un legame metallico si determina dividendo tutti i legami a cui partecipa l’atomo esattamente a metà, dato che si tratta di atomi della stessa specie. Lo studio delle redox è utile soprattutto per comprendere le reazioni all’interno del nostro organismo, dentro al quale le specie coinvolte nelle reazioni redox sono soprattutto (anche se non sempre) specie organiche, come ad esempio l’ossidazione dei composti organici durante il metabolismo. Nelle molecole organiche le parti coinvolte nelle reazioni redox sono spesso composte da 1 o 2 atomi, comprendiamo quindi che, in tali composti, solo una parte piuttosto esigua della molecola partecipa a questi tipi di reazione. Nei composti organici, non dovremmo solo capire quale particolare sostanza si sta ossidando o riducendo, ma anche quale particolare atomo di carbonio si ossida e quale si riduce. Per semplificare il calcolo del N.O. esistono delle regole empiriche: 1. Per gli atomi di una qualsiasi specie chimica allo il 2. Per gli elementi del gruppo I (metalli alcalini) nei composti il numero di ossidazione è +1, anche se legati all’idrogeno 3. Per gli elementi del gruppo II (metalli alcalino terrosi), lo zinco ed il cadmio nei composti, il numero di ossidazione è +2

4. Per l’idrogeno il numero di ossidazione è +1 in quasi tutti i suoi composti, mentre negli 5. L’ossigeno ha N.O in quasi tutti i suoi composti, tranne nei nei quali è 6. Il 1 (essendo l’atomo più elettronegativo). Il cloro, il bromo e lo iodio hanno numero di ossidazione -1, a meno che non si leghino al fluoro o all’ossigeno, nei quali assumono N.O. positivi 7. Per qualsiasi elemento allo stato di ione monoatomico il numero di ossidazione è uguale alla carica dello ione. 8. in uno ione poliatomico la somma dei numeri di ossidazione coincide con la carica dello ione.

Per bilanciare una reazione redox è utile utilizzare il metodo delle ‘semireazioni’, che consiste nell’immaginare la reazione redox come lo svolgersi contemporaneo di due Secondo il metodo delle semireazioni quindi, che bilanceremo separatamente, per poi risommarle scrivendo la reazione finale.

Un altro metodo di bilanciamento è facilmente spiegabile con un esempio: Prendiamo la reazione di combustione del metano CH4 + O2 → CO2 + H2O è una reazione redox in cui carbonio (n.o. da-4 a +4, quindi si ossida) e ossigeno(riduzione) cambiano N.O. Se il passa da-4 a +4 vuol dire che l’atomo ha perso 8 elettroni, se l’ossigeno è passato da 0 a-2 l’ossigeno è biatomico Determino il e lo divido per il numero di elettroni scambiati nelle due semi reazioni 1CH4+ 2𝑶𝟐→ 1CO2+ 2H20 Un altro tipo di redox è la reazione di , in questo tipo di reazione Per bilanciare questa reazione è utile utilizzare i prodotti di reazione come se fossero dei reagenti. 𝑪𝒍𝟐 + 𝑯𝟐 𝑶 → 𝑪𝒍− + 𝑪𝒍𝑶− + 𝟐𝑯+ In questo caso il cloro ha n.o.=0 in Cl2, e passa a n.o.=-1 in Cl- e a n.o=1 in ClO

Reazioni ed equilibrio dinamico In una reazione chimica due o più sostanze reagiscono tra di loro perché le molecole, durante l’urto, danno luogo a rotture e formazioni di legami che portano alla formazione dei prodotti.

Se una nella maggior parte dei casi la

, quindi,

Nell’equilibrio dinamico avviene che la concentrazione dei reagenti diminuisce e la concentrazione dei prodotti aumenta, fino ad arrivare ad un , nel quale la reazione si è apparentemente fermata, , per cui il numero di molecole dei reagenti che si trasformano in prodotti è uguale al numero di molecole di prodotti che si trasformano in reagenti in una stessa unità di tempo, per cui le concentrazioni di prodotti e reagenti rimangono costanti nel tempo. Fin dal 1800 grazie alle osservazioni di Cato Guldberg e Peeter Waage, venne individuata una relazione matematica che, ad una temperatura definita, lega le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti di una miscela di reazione all’equilibrio: la legge di azione di massa aA + bB ⇄ cC + dD

a T costante La Legge dell’azione di massa abbia raggiunto l’equilibrio, è costante il rapporto delle

Dal valore della costante di equilibrio possiamo comprendere se l’equilibrio è spostato verso i reagenti o verso i prodotti. a costante di equilibrio, più la reazione, all’equilibrio, è spostata verso i Se k è maggiore di 1 l’equilibrio è spostato verso i prodotti Se k è minore di 1 l’equilibrio è spostato verso i reagenti

Quando si calcola la costante di equilibrio per i molari, si utilizzano le

, invece delle concentrazioni

2SO3 (g) ⇄ 2SO2 (g)+ O2 (g)

𝒌𝒄 =

[𝑺𝑶𝟐𝟐 ][𝑶𝟐 ] [𝑺𝑶𝟐𝟑]

𝒌𝒑 =

(𝑷𝑺𝑶𝟐 )(𝑷𝑶𝟐) (𝑷𝑺𝑶𝟑 )

Quando la reazione non ha raggiunto l’equilibrio l’espressione dell’azione di massa Ciascuno di questi valori è detto Il quoziente di reazione Q sarà uguale alla costante di equilibrio, solo nel caso si sia raggiunto l’equilibrio. Se il quoziente di reazione sarà maggiore della costante d’equilibrio allora la reazione Se il

In un sistema che ha raggiunto l’equilibrio, se tale equilibrio viene perturbato e la temperatura non si modifica, la reazione proverà a raggiungere un nuovo equilibrio, nella direzione che tende a minimizzare l’effetto della perturbazione ed a ripristinare, se possibile, le condizioni dell’equilibrio di partenza. Tale principio è detto Principio di Le Chatelier....