1. Reazioni e leggi chimiche

1 Reazioni e leggi chimiche Quando si parla di chimica e di reazioni chimiche si pensa subito a un laboratorio dove qualche scienziato opera in condizioni controllate. Le reazioni chimiche invece avvengono dovunque intorno a te e dentro di te: si usa la chimica in cucina quando si cucinano i cibi, in bagno quando si utilizzano prodotti per la pulizia, creme, dentifrici, dal parrucchiere, quando si tingono i capelli o si fa la permanente; reazioni chimiche sono anche quelle che permettono le funzioni della vita come la digestione, la respirazione, la fotosintesi. Tutti gli elementi, tranne i gas nobili, hanno tendenza a unirsi con altri atomi per formare le varie sostanze. Queste combinazioni di elementi avvengono mediante particolari reazioni chimiche dette di sintesi o di combinazione, attraverso le quali, a partire da due o più elementi si formano i composti. Come avviene una reazione di sintesi? È possibile ottenere un composto a partire da ferro e zolfo, due elementi che già conosci, dei quali hai analizzato il miscuglio. Anche in questo caso bisogna miscelare la limatura di ferro con la polvere di zolfo, avendo però cura, prima, di pesarne quantità prestabilite: 7 g di ferro e 4 g di zolfo ( a ). Il miscuglio, messo in provetta, si scalda sulla fiamma ( b ) sino a quando si forma una zona incandescente ( c ). La reazione si completa lontano dalla fiamma. Quando la provetta è ormai fredda, si avvolge in un giornale e si rompe per poter estrarre la sostanza che si è formata e pesarla ( d ). Il prodotto della reazione chimica, innescata dal calore tra ferro e zolfo è un composto nerastro che si chiama solfuro di ferro. In esso non si riconoscono più le caratteristiche del ferro e dello zolfo ma essi non si sono distrutti, si sono solo uniti per formare il composto. È impossibile separare il ferro dallo zolfo usando la calamita ( e ) o l’immersione in acqua ( f ). Il peso del solfuro di ferro ottenuto è di 11 g. Se invece si usano delle quantità diverse, prese a caso, può capitare che parte di uno dei due elementi non partecipi alla reazione. Ciò ti suggerisce che debbano esistere delle leggi che regolano le quantità delle sostanze che reagiscono con quelle che si ottengono. Alla fine del Settecento Antoine Lavoisier ( 1 ), considerato il fondatore della chimica moderna, e Joseph Louis Proust ( 2 ) enunciarono due leggi fondamentali della chimica. La prima legge, di Lavoisier, è nota come “legge della conservazione della massa”: in una reazione chimica, la somma delle masse delle sostanze che reagiscono è sempre uguale alla somma delle sostanze che si ottengono. In pratica, durante una reazione chimica, nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma. La seconda legge, di Proust, è nota come “legge delle proporzioni definite”: gli elementi non si combinano a caso ma secondo quantità definite, seguendo delle precise proporzioni. Nella sintesi del composto solfuro di ferro, 7 g di ferro reagiscono con 4 g di zolfo; se si usano per esempio 8 g di ferro e 4 g di zolfo, 1 g di ferro non parteciperà alla reazione. Se si raddoppia la quantità di ferro, si deve raddoppiare quella di zolfo. Per descrivere sinteticamente e in modo chiaro una reazione chimica si ricorre a un sistema di simboli detto equazione chimica . 1 Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794), qui ritratto con la moglie, è stato un chimico, biologo, filosofo ed economista francese e uno tra i più importanti personaggi nella storia della scienza. 2 Joseph Louis Proust (1754-1826) è stato un chimico francese, divenuto famoso per la sua legge delle proporzioni definite. Analizza Quali sono le caratteristiche del ferro? E dello zolfo? La sostanza prodotta dalla reazione chimica ha ancora le caratteristiche del ferro e dello zolfo? Equazione chimica Rappresentazione, in simboli, di una reazione chimica. Chemical equation The symbolic representation of a chemical reaction. HAI CAPITO CHE... La somma delle masse che reagiscono in una reazione chimica è uguale alla somma delle sostanze che si ottengono. Gli elementi si combinano seguendo precise proporzioni. Come si scrive un’equazione chimica? A sinistra si scrivono le formule delle sostanze che reagiscono, i reagenti, al centro una freccia indica il verso della trasformazione, a destra si scrivono le formule delle sostanze che si ottengono, i prodotti. Nella reazione chimica esaminata si avrà: Una molecola di zolfo si unisce a una molecola di ferro dando origine a una molecola di solfuro di ferro. Come vedi, il numero di atomi di zolfo presenti a sinistra e a destra della freccia è sempre lo stesso, cioè 1; la stessa cosa vale per il ferro. In questo caso si dice che la reazione è bilanciata.Considera ora questa nuova reazione tra l’acido cloridrico (HCl) e il carbonato di calcio (CaCO3), conosciuto anche con il nome calcare. È una reazione comune, che avviene ogni volta che si usa un prodotto anticalcare contenente acido cloridrico per pulire i lavandini. Alla fine della reazione si hanno il cloruro di calcio (CaCl2), l’anidride carbonica (CO2) e l’acqua (H2O). I numeri di alcuni atomi nei reagenti e nei prodotti non è lo stesso: nei reagenti c’è un solo atomo di idrogeno (H) e nei prodotti ce ne sono due, e lo stesso succede per il cloro (Cl). Poiché non è possibile modificare la formula della molecola, per far tornare i conti puoi cambiare il numero delle molecole: prendendo due molecole di acido cloridrico, il numero totale degli atomi dei reagenti e dei prodotti è lo stesso. Si scrive dunque il coefficiente 2 davanti al simbolo della molecola di acido cloridrico: Questo sistema di attribuire dei coefficienti in una reazione di definisce bilanciamento dell’equazione. Per scrivere un’equazione bilanciata occorre dunque: - scrivere le formule chimiche delle sostanze reagenti e dei prodotti; - sistemare i coefficienti in modo che ciascun tipo di atomo sia presente in uguale numero in entrambi i membri dell’equazione. Analizza Quanti atomi di zolfo compaiono a sinistra e a destra della freccia? Quanti di ferro? Atomi in gioco Analizza Fai il conto degli atomi di ogni elemento a sinistra e poi a destra della freccia. Che cosa noti? HAI CAPITO CHE... Per bilanciare un’equazione occorre che ciascun tipo di atomo sia presente in ugual numero a destra e a sinistra della freccia. >> VERSO LE COMPETENZE Ragiona su alcune equazioni chimiche Considera le equazioni chimiche qui sotto riportate e per ciascuna stabilisci quali sono i reagenti (R) e quali sono i prodotti di reazione (P), conta il numero degli atomi presenti nelle sostanze reagenti, conta il numero degli atomi presenti nelle sostanze prodotte. Applica le tue conoscenze a partire da alcuni modelli a. Scopri la formula chimica e il nome delle sostanze rappresentate dai modelli delle fotografie, utilizzando le informazioni trovate nella precedente unità. b. Prova adesso a completare le reazioni chimiche illustrate con i modelli. c. Le reazioni sono entrambe bilanciate? SÌ NO Se hai risposto no prova a bilanciarle dove occorre. Osserva e ragiona su un esperimento - Sono stati messi su una bilancia di precisione un flacone con acido cloridrico (HCl) e due pezzetti di calcare (CaCO3) 1 . - I pezzetti di calcare sono stati introdotti nel flacone, che è stato subito tappato 2 . - Alla fine della reazione si sono ottenuti come prodotti cloruro di calcio (CaCl2), anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O). - Quanto segnerà la bilancia 3 ? Perché? >> LABORATORIOSperimenta una reazione chimica di sostituzioneHai imparato a riconoscere una reazione di sintesi, quando due o più sostanze si uniscono per formare un composto: è il caso della formazione del solfuro di ferro.Hai analizzato che cosa c’è dentro lo zucchero attraverso una reazione di analisi: lo zucchero si decompone in acqua e carbonio (vedi Unità 4).Un altro tipo di reazione chimica è la sostituzione.Esegui l’esperimento per capire di che cosa si tratta.Materialiun cucchiaino di solfato di rame (CuSO4) - bicchiere con acqua - qualche chiodo di ferro o della limatura di ferro (Fe)Esecuzionea. Prepara la soluzione di solfato di rame in acqua e osservane il colore ( 1 ).b. Immergi i chiodi di ferro. Attendi qualche minuto e osserva ( 2 ).c. Lascia a riposo sino al giorno successivo e osserva ( 3 ).RisultatiLa soluzione di solfato di rame è azzurra trasparente.Alcuni minuti dopo l’immersione dei chiodi di ferro, si osserva che su questi si deposita una patina di colore ....................... .Dopo 24 ore i chiodi sono completamente coperti dalla patina e la soluzione ha cambiato colore diventando ....................... e opaca. Ciò significa che non c’è più solfato di rame in soluzione. Il rame (Cu) forma una patina depositandosi sul fondo e sui chiodi, e il ferro (Fe) ha sostituito il rame nel suo composto formando il solfato di ferro (FeSO4).L’equazione chimica è:Riconosci l’anidride carbonica con una reazione chimicaL’acqua di calce o idrossido di calcio (Ca(OH)2) è un liquido trasparente e incolore che puoi trovare in farmacia. L’acqua di calce permette di riconoscere l’anidride carbonica (CO2): quando queste sostanze vengono in contatto, l’acqua di calce diventa torbida e biancastra. Ciò accade perché avviene una reazione chimica che forma un nuovo composto di colore bianco: il carbonato di calcio.Esecuzionea. Prepara il semplice attrezzo dell’illustrazione 1 utilizzando una beuta con tappo forato, un tubicino di vetro a U e un becher.b. Nella beuta metti dell’acqua in cui devi aggiungere polvere per acqua da tavola (utilizzata per rendere frizzante l’acqua, era molto venduta negli anni ’60 e ’70 del secolo scorso ed è tuttora in commercio). Nel becher metti l’acqua di calce.La polvere per acqua da tavola sciolta in acqua produce subito l’anidride carbonica, che si rivela sotto forma di bollicine effervescenti ( 2 ).c. Il gas passa attraverso il tubicino a “U” e raggiunge l’acqua di calce. Questa dopo alcuni istanti cambia aspetto, diventando torbida e bianca ( 3 ).RisultatiÈ avvenuta una reazione chimica:
1 Reazioni e leggi chimiche Quando si parla di chimica e di reazioni chimiche si pensa subito a un laboratorio dove qualche scienziato opera in condizioni controllate. Le reazioni chimiche invece avvengono dovunque intorno a te e dentro di te: si usa la chimica in cucina quando si cucinano i cibi, in bagno quando si utilizzano prodotti per la pulizia, creme, dentifrici, dal parrucchiere, quando si tingono i capelli o si fa la permanente; reazioni chimiche sono anche quelle che permettono le funzioni della vita come la digestione, la respirazione, la fotosintesi. Tutti gli elementi, tranne i gas nobili, hanno tendenza a unirsi con altri atomi per formare le varie sostanze. Queste combinazioni di elementi avvengono mediante particolari reazioni chimiche dette di sintesi o di combinazione, attraverso le quali, a partire da due o più elementi si formano i composti. Come avviene una reazione di sintesi? È possibile ottenere un composto a partire da ferro e zolfo, due elementi che già conosci, dei quali hai analizzato il miscuglio. Anche in questo caso bisogna miscelare la limatura di ferro con la polvere di zolfo, avendo però cura, prima, di pesarne quantità prestabilite: 7 g di ferro e 4 g di zolfo ( a ). Il miscuglio, messo in provetta, si scalda sulla fiamma ( b ) sino a quando si forma una zona incandescente ( c ). La reazione si completa lontano dalla fiamma. Quando la provetta è ormai fredda, si avvolge in un giornale e si rompe per poter estrarre la sostanza che si è formata e pesarla ( d ). Il prodotto della reazione chimica, innescata dal calore tra ferro e zolfo è un composto nerastro che si chiama solfuro di ferro. In esso non si riconoscono più le caratteristiche del ferro e dello zolfo ma essi non si sono distrutti, si sono solo uniti per formare il composto. È impossibile separare il ferro dallo zolfo usando la calamita ( e ) o l’immersione in acqua ( f ). Il peso del solfuro di ferro ottenuto è di 11 g. Se invece si usano delle quantità diverse, prese a caso, può capitare che parte di uno dei due elementi non partecipi alla reazione. Ciò ti suggerisce che debbano esistere delle leggi che regolano le quantità delle sostanze che reagiscono con quelle che si ottengono. Alla fine del Settecento Antoine Lavoisier ( 1 ), considerato il fondatore della chimica moderna, e Joseph Louis Proust ( 2 ) enunciarono due leggi fondamentali della chimica. La prima legge, di Lavoisier, è nota come “legge della conservazione della massa”: in una reazione chimica, la somma delle masse delle sostanze che reagiscono è sempre uguale alla somma delle sostanze che si ottengono. In pratica, durante una reazione chimica, nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma. La seconda legge, di Proust, è nota come “legge delle proporzioni definite”: gli elementi non si combinano a caso ma secondo quantità definite, seguendo delle precise proporzioni. Nella sintesi del composto solfuro di ferro, 7 g di ferro reagiscono con 4 g di zolfo; se si usano per esempio 8 g di ferro e 4 g di zolfo, 1 g di ferro non parteciperà alla reazione. Se si raddoppia la quantità di ferro, si deve raddoppiare quella di zolfo. Per descrivere sinteticamente e in modo chiaro una reazione chimica si ricorre a un sistema di simboli detto equazione chimica . 1 Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794), qui ritratto con la moglie, è stato un chimico, biologo, filosofo ed economista francese e uno tra i più importanti personaggi nella storia della scienza. 2 Joseph Louis Proust (1754-1826) è stato un chimico francese, divenuto famoso per la sua legge delle proporzioni definite. Analizza Quali sono le caratteristiche del ferro? E dello zolfo? La sostanza prodotta dalla reazione chimica ha ancora le caratteristiche del ferro e dello zolfo? Equazione chimica Rappresentazione, in simboli, di una reazione chimica. Chemical equation The symbolic representation of a chemical reaction. HAI CAPITO CHE... La somma delle masse che reagiscono in una reazione chimica è uguale alla somma delle sostanze che si ottengono. Gli elementi si combinano seguendo precise proporzioni. Come si scrive un’equazione chimica? A sinistra si scrivono le formule delle sostanze che reagiscono, i reagenti, al centro una freccia indica il verso della trasformazione, a destra si scrivono le formule delle sostanze che si ottengono, i prodotti. Nella reazione chimica esaminata si avrà: Una molecola di zolfo si unisce a una molecola di ferro dando origine a una molecola di solfuro di ferro. Come vedi, il numero di atomi di zolfo presenti a sinistra e a destra della freccia è sempre lo stesso, cioè 1; la stessa cosa vale per il ferro. In questo caso si dice che la reazione è bilanciata.Considera ora questa nuova reazione tra l’acido cloridrico (HCl) e il carbonato di calcio (CaCO3), conosciuto anche con il nome calcare. È una reazione comune, che avviene ogni volta che si usa un prodotto anticalcare contenente acido cloridrico per pulire i lavandini. Alla fine della reazione si hanno il cloruro di calcio (CaCl2), l’anidride carbonica (CO2) e l’acqua (H2O). I numeri di alcuni atomi nei reagenti e nei prodotti non è lo stesso: nei reagenti c’è un solo atomo di idrogeno (H) e nei prodotti ce ne sono due, e lo stesso succede per il cloro (Cl). Poiché non è possibile modificare la formula della molecola, per far tornare i conti puoi cambiare il numero delle molecole: prendendo due molecole di acido cloridrico, il numero totale degli atomi dei reagenti e dei prodotti è lo stesso. Si scrive dunque il coefficiente 2 davanti al simbolo della molecola di acido cloridrico: Questo sistema di attribuire dei coefficienti in una reazione di definisce bilanciamento dell’equazione. Per scrivere un’equazione bilanciata occorre dunque: - scrivere le formule chimiche delle sostanze reagenti e dei prodotti; - sistemare i coefficienti in modo che ciascun tipo di atomo sia presente in uguale numero in entrambi i membri dell’equazione. Analizza Quanti atomi di zolfo compaiono a sinistra e a destra della freccia? Quanti di ferro? Atomi in gioco Analizza Fai il conto degli atomi di ogni elemento a sinistra e poi a destra della freccia. Che cosa noti? HAI CAPITO CHE... Per bilanciare un’equazione occorre che ciascun tipo di atomo sia presente in ugual numero a destra e a sinistra della freccia. >> VERSO LE COMPETENZE Ragiona su alcune equazioni chimiche Considera le equazioni chimiche qui sotto riportate e per ciascuna stabilisci quali sono i reagenti (R) e quali sono i prodotti di reazione (P), conta il numero degli atomi presenti nelle sostanze reagenti, conta il numero degli atomi presenti nelle sostanze prodotte. Applica le tue conoscenze a partire da alcuni modelli a. Scopri la formula chimica e il nome delle sostanze rappresentate dai modelli delle fotografie, utilizzando le informazioni trovate nella precedente unità. b. Prova adesso a completare le reazioni chimiche illustrate con i modelli. c. Le reazioni sono entrambe bilanciate? SÌ NO Se hai risposto no prova a bilanciarle dove occorre. Osserva e ragiona su un esperimento - Sono stati messi su una bilancia di precisione un flacone con acido cloridrico (HCl) e due pezzetti di calcare (CaCO3) 1 . - I pezzetti di calcare sono stati introdotti nel flacone, che è stato subito tappato 2 . - Alla fine della reazione si sono ottenuti come prodotti cloruro di calcio (CaCl2), anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O). - Quanto segnerà la bilancia 3 ? Perché? >> LABORATORIOSperimenta una reazione chimica di sostituzioneHai imparato a riconoscere una reazione di sintesi, quando due o più sostanze si uniscono per formare un composto: è il caso della formazione del solfuro di ferro.Hai analizzato che cosa c’è dentro lo zucchero attraverso una reazione di analisi: lo zucchero si decompone in acqua e carbonio (vedi Unità 4).Un altro tipo di reazione chimica è la sostituzione.Esegui l’esperimento per capire di che cosa si tratta.Materialiun cucchiaino di solfato di rame (CuSO4) - bicchiere con acqua - qualche chiodo di ferro o della limatura di ferro (Fe)Esecuzionea. Prepara la soluzione di solfato di rame in acqua e osservane il colore ( 1 ).b. Immergi i chiodi di ferro. Attendi qualche minuto e osserva ( 2 ).c. Lascia a riposo sino al giorno successivo e osserva ( 3 ).RisultatiLa soluzione di solfato di rame è azzurra trasparente.Alcuni minuti dopo l’immersione dei chiodi di ferro, si osserva che su questi si deposita una patina di colore ....................... .Dopo 24 ore i chiodi sono completamente coperti dalla patina e la soluzione ha cambiato colore diventando ....................... e opaca. Ciò significa che non c’è più solfato di rame in soluzione. Il rame (Cu) forma una patina depositandosi sul fondo e sui chiodi, e il ferro (Fe) ha sostituito il rame nel suo composto formando il solfato di ferro (FeSO4).L’equazione chimica è:Riconosci l’anidride carbonica con una reazione chimicaL’acqua di calce o idrossido di calcio (Ca(OH)2) è un liquido trasparente e incolore che puoi trovare in farmacia. L’acqua di calce permette di riconoscere l’anidride carbonica (CO2): quando queste sostanze vengono in contatto, l’acqua di calce diventa torbida e biancastra. Ciò accade perché avviene una reazione chimica che forma un nuovo composto di colore bianco: il carbonato di calcio.Esecuzionea. Prepara il semplice attrezzo dell’illustrazione 1 utilizzando una beuta con tappo forato, un tubicino di vetro a U e un becher.b. Nella beuta metti dell’acqua in cui devi aggiungere polvere per acqua da tavola (utilizzata per rendere frizzante l’acqua, era molto venduta negli anni ’60 e ’70 del secolo scorso ed è tuttora in commercio). Nel becher metti l’acqua di calce.La polvere per acqua da tavola sciolta in acqua produce subito l’anidride carbonica, che si rivela sotto forma di bollicine effervescenti ( 2 ).c. Il gas passa attraverso il tubicino a “U” e raggiunge l’acqua di calce. Questa dopo alcuni istanti cambia aspetto, diventando torbida e bianca ( 3 ).RisultatiÈ avvenuta una reazione chimica: