le reazioni chimiche: che cosa sono e come si scrivono

spazio

CHE COS’E’ UNA REAZIONE CHIMICA?

Una reazione chimica può essere definita come il processo che, tramite la variazione della modalità con la quale gli atomi risultano fra loro legati per formare specie chimiche più complesse (molecole o ioni), porta ad una ricombinazione degli stessi atomi con la formazione di specie chimiche diverse da quelle di partenza.

A partire dall’evidenza che tutto ciò che ci circonda, solido liquido o gassoso che sia, è costituito da atomi organizzati fra loro in modo preciso tramite legami chimici per formare molecole e, in minima parte, da atomi isolati sottoforma di molecole monoatomiche, lo studio delle reazioni chimiche è potenzialmente in grado di descrivere e spesso anche di prevedere la stragrande maggioranza dei mutamenti più intimi della materia, ed in particolare quelle che comportano la trasformazione di una sostanza chimica in un’altra.

immagini reazioni chimiche: combustione, precipitazione composto insolubile, ossidazione di un metallo, liberazione biossido di carbonio per attacco acido su un carbonato

immagini reazioni chimiche: combustione, precipitazione composto insolubile, ossidazione di un metallo, liberazione biossido di carbonio per attacco acido su un carbonato

- nota -
Un’utile lettura a questo proposito, specie per districarsi nella sottile differenza fra alcuni termini solo apparentemente sinonimi fra loro (come ad esempio sostanza, molecola e specie chimica) può essere rappresentata dall’articolo “sostanza, molecola, composto o specie chimica:? …le definizioni a confronto
[relativamente all’articolo corrente, i puristi mi perdonino l’utilizzo improprio del termine “molecola” per indicare anche i composti ionici, ma si concorderà che l’impiego di troppi “estendo” e “distinguo” avrebbe reso l’attuale trattazione troppo farraginosa per il contesto attuale]


Una nota di particolare rilievo, che deriva direttamente dalle definizione data di reazione chimica e che tornerà utile anche per definire in seguito quelle che “non sono” reazioni chimiche, prende le mosse dall’essenza stessa del legame chimico.    Qualsiasi tipo di legame chimico che tenga insieme gli atomi per formare una molecola o uno ione, interessa e coinvolge in modo specifico i suoi elettroni più periferici, ovvero quelli collocati in gusci elettronici più esterni, più distanti dal nucleo e quindi a minore energia.    Anche trascurando la tipologia specifica dei legami chimici coinvolti, la natura della specie chimica e l’effetto della reazione considerata, possiamo quindi affermare che una reazione chimica è un fenomeno che non si spinge più profondamente, come grado di incidenza sulla struttura atomica dei reagenti, rispetto all’organizzazione degli elettroni più periferici.   D’altronde tutta la chimica sta proprio lì, in quel manipolo di elettroni più esterni di ciascun atomo, quelli a minore energia, quelli che, risentendo indirettamente dell’effetto dell’organizzazione atomica più “interna”, determinano le caratteristiche chimiche e quindi anche reattive dell’elemento, da solo o all’interno di molecole.

Una reazione chimica descrive un fatto che avviene su base temporale, ovvero quella che anche al di fuori della chimica verrebbe a definirsi come una trasformazione, e come tale comporta che vi siano “un prima” ed un “dopo”, da collocarsi su di una scala dei tempi che può passare dalle semi-istantaneità all’arco dei secoli.   Le specie chimiche presenti “prima” della reazione, ovvero quelle originarie che vengono poi trasformate nella reazione medesima, prendono il nome di “reagenti”; quelle inizialmente assenti ma che si formano “dopo”, per effetto della reazione prendono il nome di “prodotti”.

Nella stragrande maggioranza dei casi una reazione chimica coinvolge, nei reagenti e/o nei prodotti, non una soltanto ma due o più specie chimiche differenti. Anche se non mancano certamente i casi nei quali un unico reagente di scinde in più prodotti, oppure più reagenti si assemblano in un prodotto solo, nella maggior parte dei casi assistiamo alla reazione fra due o più reagenti per la formazione di due o più prodotti di reazione.
spazio

TRASFORMAZIONI CHE NON SONO REAZIONI CHIMICHE

Non sono quindi reazioni chimiche le semplici transizioni di stato, come ad esempio l’evaporazione/ebollizione, la fusione, la condensazione, la solidificazione e la sublimazione di una sostanza: in questi fenomeni, infatti, le molecole rimangono intatte nei legami che le costituiscono e quello che cambia è la modalità (e di conseguenza la forza) con la quale l’insieme delle molecole dello stesso tipo interagiscono fra loro. fusione del ghiaccio di un inceberg Interazioni molto forti tra una molecola e l’altra (o tra i diversi ioni nel caso di una specie chimica ionica), con distanze e posizioni sostanzialmente definite, corrispondono allo stato solido; interazioni più labili e mutevoli, ma comunque fortemente attrattive corrispondono allo stato liquido, mentre interazioni molto deboli, con la possibilità da parte delle molecole di allontanarsi o avvicinarsi liberamente l’una dall’altra corrisponderanno allo stato aeriforme gassoso.
La natura delle specie chimiche descritte resta tuttavia sempre la stessa perché nulla è cambiato, in una semplice transizione di stato, nella tipologia dei legami che tengono uniti un atomo con l’altro all’interno della stessa molecola.

Altra esclusione è quella relativa alle cosiddette reazioni nucleari, termine con il quale si intende solitamente una trasformazione a carico non dell’ambiente elettronico (come invece capita nelle reazioni chimiche), bensì della struttura del nucleo di un atomo.   Dato che è proprio l’identità del nucleo, ed in particolare il numero di protoni in esso contenuti, a definire la natura di un elemento chimico e quindi a farne la differenza rispetto ad un elemento diverso fra i cento e più conosciuti, si può dire che una reazione nucleare porta alla trasformazione di un elemento in un altro.    Le reazioni nucleari non possono quindi essere considerate trasformazioni appartenenti al campo di competenza della chimica (che inizia a definire il suo campo di pertinenza “a partire” dal livello di organizzazione dell’atomo, non al di sotto), per quanto ne condividano alcuni formalismi di rappresentazione schematica, in forma di “reazione” appunto, ma appartengono probabilmente di più al campo della fisica ed in particolare della cosiddetta fisica nucleare.

Un caso di confine può essere rappresentato dalle interazioni di tipo supramolecolare, con le quali molecole “fatte e finite” (dello stesso tipo o di tipo differente) si organizzano fra loro spazialmente, tramite legami di solito piuttosto deboli rispetto a quelli interni a ciascuna molecola, creando i presupposti per una particolare organizzazione di ordine superiore a quella chimica.    Dato che l’oggetto della chimica sono essenzialmente le molecole, questo tipo di organizzazione reciproca fra le molecole viene spesso definita supramolecolare, cioè “al di sopra di quella molecolare” e crea come un ponte fra la chimica e le discipline scientifiche più macroscopiche, come ad esempio la scienza dei materiali e la biologia molecolare.
Il passaggio dei “reagenti” da uno stato disorganizzato ad uno organizzato può essere in qualche modo interpretato come una reazione chimica, per quanto ciascuna molecola potrebbe esistere e di fatto esisteva inizialmente, anche in forma indipendente e continua a mantenere la sua identità di specie chimica anche nel prodotto di reazione.

esempi di interazioni ed assemblati supramolecolari

esempi di interazioni ed assemblati supramolecolari

Casi di questo genere sono per esempio la creazione di micelle a partire dai sali degli acidi grassi in soluzione sia acquosa che di solvente apolare, il trattenimento di un catione inorganico all’interno della cavità avente un ben preciso diametro (e quindi molto selettiva verso il raggio ionico dell’ospitato) negli eteri corona, introduzione di una piccola molecola nella cavità conica dei calixareni, ma anche l’accoppiamento in foglietti beta delle catene proteiche, l’interazione enzima-substrato e persino l’accoppiamento fra due filamenti di DNA per formare la nota struttura a doppia elica.
Si tratta di un argomento a tal punto affascinante e dalla conseguenze così presenti nella nostra vita anche di tutti i giorni che sono certo avremo modo di tornarci nelle prossime settimane con un intervento appositamente incentrato su di esso.
spazio

MODALITA’ DI RAPPRESENTAZIONE DI UNA REAZIONE CHIMICA

La notazione grafica utilizzata per rappresentare una reazione chimica prende spunto dalla matematica mutuando l’idea di equazione: in questo caso l’uguaglianza fra i membri sinistro (reagenti, R) e quello destro (prodotti, P) dell’equazione è riferita in primo luogo al numero ed all’identità degli atomi, che in alcun modo possono crearsi, distruggersi o trasformarsi l’un l’altro nel corso della reazione.

In secondo luogo, esistono criteri un po’ più sottili (che per il momento NON prenderemo in considerazione) che devono essere rispettati nell’estensione formalmente corretta dell’equazione chimica, specie quando sono rappresentate specie chimiche scritte in modo “incompleto”, ovvero che non potrebbero esistere tal quali isolate in natura, ad esempio gli ioni: in questi casi risulta fondamentale tenere conto, oltre al bilanciamento del numero di ciascun tipo di atomi fra i due membri dell’equazione, anche del bilanciamento delle cariche elettriche (principio di conservazione della carica), che non deve trascurare gli eventuali elettroni scambiati da un atomo all’altro.

Ma parlando di questo siamo già andati ben oltre lo scopo di questo intervento.
In realtà il ricorso al concetto di “equazione” nel descrivere una reazione chimica regge fino a un certo punto, fino cioè al punto in cui ci serve effettuare su di essa dei calcoli matematici, magari allo scopo di valutare le dosi di reagenti da utilizzare o prevedere la quantità di prodotti teoricamente ottenibili.   Dal punto di vista concettuale, invece, una reazione chimica non può essere intesa come la rappresentazione di un’uguaglianza bensì come un processo di vera e propria trasformazione che avviene su scala temporale, fra un “prima” ed un “dopo”, come già descritto nel capitolo precedente, con la formazione di prodotti che sono di fatto, almeno dal punto di vista chimico, diversi dai reagenti.
La reazione stessa, che porta dai reagenti ai prodotti, è rappresentata con una freccia direzionale, da sinistra a destra. Nel caso di trasformazione di un reagente R in un prodotto P possiamo scrivere lo schema di reazione come segue: trasformazione da reagenti a prodotti

Nel caso in cui sia presente insieme al reagente R un’altra specie chimica (Z) che non è coinvolta nella reazione, essa si troverà tal quale fra i prodotti: trasformazione da reagenti a prodotti con spettatore

Solitamente le specie chimiche che non reagiscono non vengono riportate nello schema di reazione: è il caso del solvente, ovvero del materiale, nel più dei casi liquido, nel quale sono sciolti i reagenti e nei quali troveremo alla fine sciolti i prodotti della reazione.   Il solvente, ed eventuali altre specie chimiche che a vario titolo possono essere presenti nella miscela iniziale pur senza venire trasformate dalla reazione, possono essere riportate sopra ed eventualmente sotto alla freccia di reazione, insieme ad eventuali annotazioni in merito alle condizioni di reazione. trasformazione da reagenti a prodotti con condizioni di reazione

Questo schema di reazione indica la trasformazione del reagente R nel prodotto P, all’interno di una soluzione acquosa, alla temperatura di 80°C ed in presenza di una specie chimica “cat” che assiste alla reazione, magari favorendola come ad esempio un catalizzatore.
Ovviamente in sistemi molto complessi, come ad esempio in un prodotto di origine naturale costituito da centinaia di specie chimiche differenti in miscela, la reazione che ci interessa rappresentare potrebbe riguardare un numero molto limitato di reagenti, magari solo due o addirittura uno soltanto: in questo caso, molto semplicemente, tutte le altre specie chimiche presenti nella miscela vengono ignorate dalla notazione semplificata della reazione.

Spesso davanti alla formula dei reagenti e dei prodotti è riportato un numero, chiamato coefficiente stechiometrico di reazione: esso indica semplicemente il numero delle molecole di ciascuna specie chimica che entra a far parte della reazione, consumandosi o venendo prodotto.     In ogni reazione solitamente le molecole coinvolte di ciascuna specie chimica sono in un numero terribilmente elevato, per lo meno di miliardi di miliardi, per cui quando si parla di “numero di molecole” si intende semplicemente il rapporto minimale fra le molecole di ciascuna specie chimica che fra loro reagiscono o vengono prodotte:
esempio equazione chimica con coefficienti stechiometrici
In questo caso, per esempio, 2 molecole di A reagiscono con 2 di B per formare come prodotti una molecola di C e tre molecole di D.  Ragionando in grande, ovvero in dosi “pesabili” di sostanze chimiche, tutto viene riportato proporzionalmente in scala, ma attenzione!   La proporzionalità non è tra i coefficienti di reazione ed il peso delle sostanze, bensì fra i coefficienti di reazione ed il numero di moli (nota per i puristi: non fatemi tirare fuori in questa sede l’argomento degli equivalenti!).   Cos’è una mole?  Cercando di liquidare in due righe questo concetto in realtà di non così immediata comprensibilità, possiamo dire che corrisponde al peso, espresso in grammi, di un numero di molecole (o di atomi nel caso di una specie monoatomica) di quella sostanza pari al numero di Avogadro.   Se la molecola è leggera, ovvero composta da pochi atomi e fra i primi della tavola periodica (es. metano, CH4) singolarmente essa avrà un peso assoluto molto basso: in questo caso lo stesso numero di Avogadro di molecole corrisponderà ad un peso in grammi inferiore rispetto a quello che si avrebbe magari con una molecola composta dallo stesso numero di atomi ma magari di elementi più pesanti (es. tetracloruro di carbonio, CCl4), ed ancora più rispetto ad una avente un numero più elevato di atomi più pesanti (es. esacloroetano, C2Cl6).

bilancia di laboratorioL’impiego dei coefficienti di reazione, in combinazione con il calcolo del peso molecolare della molecola (in pratica il peso di una “mole” della sostanza), permette al chimico di conoscere la giusta quantità di reagenti da pesare in funzione della reazione desiderata, dando inoltre la possibilità di prevedere, nei limiti della resa, la quantità in peso di ciascun prodotto di reazione ottenibile.

La notazione relativa ad una reazione chimica può utilizzare formule brute, di semi-struttura o di struttura per indicare la natura dei reagenti e dei prodotti.   Si consiglia a questo proposito una lettura dell’articolo “perché si usano le formula chimiche? (e come interpretarle)

Le formule brute si utilizzano soprattutto per le sostanze inorganiche; quelle di semi-struttura (es. CH3COOH invece di C2H4O2) per le molecole organiche più semplici al fine di evidenziare in esse il gruppo funzionale, ovvero la parte della molecola soggetta a reazione (in questo caso il gruppo carbossilico –COOH).

Le formule di struttura vere e proprie si utilizzano invece per le molecole organiche più complesse, dove sarebbe ben difficile far capire “di cosa si tratta” utilizzando una formula più semplificata, ad esempio in ragione della presenza di più gruppi funzionali o della trasformazione, in seguito alla reazione, di parti che costituiscono in qualche modo l’ossatura, il cosiddetto “scheletro molecolare”.

reazione della fenolftaleina in ambiente basico per idrossido di sodio, con passaggio alla forma salificata (prodotto) di colore fucsia

reazione della fenolftaleina in ambiente basico per idrossido di sodio, con passaggio alla forma salificata (prodotto) di colore fucsia

Immagine anteprima YouTube

Se la trasformazione da reagenti a prodotti non è del tutto completa, o meglio se essa può in una certa misura risultare reversibile, con ritrasformazione quindi di una parte di P in R, in sostituzione della freccia unidirezionale dovremmo utilizzare una coppia di frecce con direzione opposta, che rappresentano appunto la reversibilità della reazione: simbologia reazione chimica reversibile

Le reazioni chimiche possono avvenire fra (o possono generare delle) specie chimiche in forma solida, liquida o gassosa: lo stato fisico della sostanza coinvolta è talvolta (ma non obbligatoriamente) segnalato rispettivamente con una (s), (l), (g) in basso a destra rispetto alla formula bruta della specie interessata.   Un’annotazione dal sapore ottocentesco, ma a mio avviso molto utile, specie per le finalità didattiche, è quella di evidenziare subito a destra di un prodotto di reazione una eventuale freccetta verso l’alto oppure verso il basso, per indicare quei prodotti che a vario titolo si separano dal sistema di reazione, inzialmente omogeneo.

A partire dal sistema omogeneo rappresentato da reagenti sciolti in soluzione, un prodotto potrebbe per esempio “sfuggire” sottoforma di gas, rappresentabile quindi con una freccia diretta verso l’alto.  Un’altra possibilità è invece rappresentata dalla formazione di un prodotto insolubile, che pertanto si separa dalla soluzione, in alcuni casi intorbidendola  semplicemente, in altri casi depositandosi più o meno velocemente sul fondo del contenitore (si parla in questo caso di “precipitazione” del prodotto di reazione, che va così a formare un “precipitato”).

Un esempio di reazione chimica con formazione di un precipitato insolubile è visibile in questo video, che rappresenta la reazione di due sostanze chimiche pure, l’argento nitrato ed il sodio cloruro (entrambe sciolti in acqua, in due flaconi separati), con formazione di sodio nitrato (che rimane in soluzione) ed argento cloruro, insolubile in acqua, che precipita sotto forma di polvere bianca pesante:

Immagine anteprima YouTube

reazione fra argento nitrato e sodio cloruro, con precipitazione di argento cloruro

Nel seguente video possiamo invece assistere alla reazione fra bicarbonato di sodio (detto più correttamente sodio carbonato acido, di formula bruta NaHCO3) ed un materiale più complesso, l’aceto di vino, con lo sviluppo di un prodotto di reazione in forma gassosa:

Immagine anteprima YouTube

Le specie chimiche dell’aceto che prendono parte a questa reazione, come molti potranno facilmente immaginare, sono tutte quelle acide in esso presenti, ed in particolare l’acido organico più abbondante in questo liquido: l’acido acetico.   Mentre il sodio bicarbonato è una specie chimica pura, classificata come sale acido, nell’aceto sono presenti numerosissime sostanze diverse, fra le quali polifenoli, carboidrati, etanolo, acidi organici di varia natura: per rappresentare la reazione che ci interessa però non compiamo un grave errore nel trascurare di riportare tutte le altre, concentrando invece la nostra attenzione unicamente sull’acido acetico, di formula di semi-struttura CH3COOH:

reazione fra sodio bicarbonato ed aceto di vino, con sviluppo di anidride carbonica in forma gassosa

Non avendo segnalato nulla per i due reagenti e per i primi due prodotti della reazione (il sodio acetato e l’acqua) si intende semplicemente che essi erano presenti (o si formano) in soluzione, quindi nella massa omogenea di reazione.

L’anidride carbonica, o biossido di carbonio, invece, riportata come ultimo dei tre prodotti di reazione, si libera dalla miscela in reazione sotto forma di gas chiaramente visibile nel video in forma di bolle che, proprio come indica la freccia posta a destra della formula, tende a sfuggire “verso l’alto” dalla soluzione contenente in prodotti di reazione.

Questa notazione risulta tanto più importante considerando il fatto che le reazioni nelle quali almeno uno dei prodotti sono in grado di separarsi da soli (o l’operatore riesce in qualche modo a toglierli) dalla miscela di reazione, sono spesso fra le più favorite, come avremo sicuramente modo di illustrare e giustificare più avanti, nella seconda parte di questo intervento.
spazio

5 risposte a le reazioni chimiche: che cosa sono e come si scrivono

  • RaffRag scrive:

    Riguardo alla chimica in generale, ho potuto constatare che le maggiori difficoltà che gli studenti incontrano, almeno ad un livello iniziale di apprendimento, sono legate alla scarsa padronanza del linguaggio, più che alla chimica. In altri termini, ad alcuni di loro non riesce di associare i concetti basilari della chimica con il linguaggio, quand’anche elementare, che si adopera per esprimerli. Come dire, la grammatica del linguaggio diventa incomprensibile quando è applicata alla chimica o alle scienze.

  • chiara pinto scrive:

    SCUSA IO VORREI SAPERE COME SI FANNO A SCRIVERE DELLE REAZIONI AVENDO SOLO I REAGENTI…. CIOè COME FACCIO A SAPERE COSA SCRIVERE??? COSA DEVO FARE.. GRAZIE MILLE CHIARA

  • Maura scrive:

    Forse pero se i video ineressantissimi fossero in italiano sarebbe meglio .

  • admin scrive:

    benvenuta Ornella: ce ne fossero tante di maestre come te, con questa voglia di conoscere e di accendere la curiosità nei ragazzi, anche al di fuori di quello che i programmi probabilmente richiederebbero!

    Per quanto riguarda reazioni molto semplici, ed ovviamente non pericolose, ti posso proporre quella fra bicarbonato di sodio ed aceto (o se vuoi succo di limone) che puoi vedere nel video su questo stesso articolo. Prova anche a far cambiare colore alle macchie di vino su un tessuto bianco, come descritto in uno dei primi post “un indicatore domestico: il vino come il tornasole”.
    Circa la caramellizzazione dello zucchero, invece, la reazione chimica c’è eccome, anzi, si tratta di un sistema di reazioni terribilmente complicato, che a malapena i ricercatori sono riusciti a chiarire bene negli ultimi anni. L’esperienza della zolletta, che probabilmente avrai avuto modo di vedere nel video sull’articolo precedente (“bruciare lo zucchero?”) comportava il ricorso alla cenere spenta di sigaretta per poter avvenire, e comunque era pur sempre una reazione chimica: la reazione di combustione del saccarosio in atmosfera contenete ossigeno, con la produzione di anidride carbonica ed acqua.

    Spero comunque di averti fra i nostri lettori più affezionati, con altre domande e suggerimenti che ci consentiranno di comprendere se e quanto quello che proviamo a spiegare qui possa poi torna utile “la fuori”.

    A presto

    Franco

  • ornella panfilo scrive:

    Complimenti per questo sito che permette anche a me, lacunosa insegnante di scuola primaria con ancora un bel po’ di curiosità, di cercare di capire qualcosa di chimica! Visto che ci sono pongo qualche domanda: qual è la trasformazione chimica più semplice che posso sperimentare con i miei alunni di quarta? E’corretto, da quel che ho letto, nel caso di semplici osservazioni sui cambiamenti di stato della materia ( abbiamo cotto lo zucchero e loro si sono molto divertiti a osservare e giocare col caramello)dire che non c’è alcuna reazione chimica ma solo un diverso modo di stare insieme delle molecole? Mi scuso molto per la mia ignoranza e per il mio linguaggio … “elementare” e vi ringrazio se inserite anche attività per bambini. Ho trovato solo siti in inglese o molto poco interessanti. Ciao Ornella

Lascia un Commento

L'indirizzo email non verrà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

*
random

È possibile utilizzare questi tag ed attributi XHTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Sostieni la divulgazione della Chimica

Il tuo libero contributo sarà interamente devoluto alle attività di divulgazione
della Chimica.

CONDIVIDI QUESTO ARTICOLO

FacebookLinkedInTwitterGoogle+PinterestBlogger PostEmail

RICHIEDI LA NEWSLETTER

Iscriviti alla Newsletter di Chimicare una mail settimanale con gli aggiornamenti delle pubblicazioni, le attività dell'Associazione e le novità del mondo della divulgazione chimica

SEGUI CHIMICARE ANCHE SU FACEBOOK

segui chimicare anche su facebook

gli ultimi articoli inseriti

IL CARNEVALE DELLA CHIMICA

carnevale della chimica il più grande evento italiano che ogni mese riunisce decine di blogger attivi nella divulgazione della chimica. Da un'idea di Chimicare e Gravità Zero

ARCHIVI ARTICOLI chimiSPIEGA PER MESE

SEGUI CHIMICARE ANCHE SU TWITTER

Segui Chimicare anche su Twitter Non solo gli aggiornamenti degli articoli pubblicati sui nostri blog e le novità del Carnevale della Chimica, ma anche le segnalazioni dei migliori interventi di divulgazione chimica in lingua italiana nel web.

ABBONATI AI FEED DI CHIMISPIEGA

Feed rss di chimiSPIEGA   Vota questo articolo
http://www.wikio.it