LEZIONI DI CHIMICA
II PARTE
Adriano Duatti
Dipartimento di Chimica e Scienze Farmaceutiche Università di Ferrara,
44121 Ferrara, Italy
dta@unife.it
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Esercizi
1) Perché le masse atomiche degli elementi nella tabella periodica sono espresse da numeri decimali e non da numeri interi?
2) Che cos’è una reazione chimica?
3) Quali sono i principi fisici fondamentali a cui ubbidiscono le reazioni chimiche?
4) Che differenza esiste fra un ossido e un’anidride?
5) Che differenza esiste fra un acido, un idrossido e un idruro?
6) Che cos’è lo stato di ossidazione?
7) Che cos’è un sale?
8) Che cos’è una reazione di ossidoriduzione?
9) Bilanciare la reazione:
PO
43-+ SiO
2+ C ® SiO
32-+ P
4+ CO
.RIEPILOGO DI ALCUNI
CONCETTI ELEMENTARI
Elenco
Ø Isotopi
Ø Reazioni chimiche
Ø Principio di conservazione della massa
Ø Il ruolo dell’acqua
Ø Composti dell’ossigeno
Ø Composti dell’idrogeno
Ø Composti dell’idrogeno e dell’ossigeno
Tabella Periodica
Atomo di Rutherford
Protoni Neutroni
Z = Numero atomico = Numero di protoni N = numero di neutroni
A = N + Z = Numero di massa
Isotopi = atomi con lo stesso numero di protoni (Z)
e con diverso numero di neutroni (N)
Massa atomica media del Carbonio
Reazioni Chimiche
Esempi di reazioni Chimiche
Fe + S ® FeS C + O 2 ® CO 2
H 2 + I 2 ® 2HI
Esempi di reazioni Chimiche
HI ® H + + I ⎼
(H-O-H) H 2 O ® H + + OH ⎼
Esempi di reazioni Chimiche
I 2 + H 2 S ® 2HI + S
Fe + H 2 SO 4 ® FeSO 4 + H 2
Esempi di reazioni Chimiche
N 2 + O 2 ® NO + NO
N-N + O-O ® N-O + N-O
Reazioni Chimiche
Bilanciamento delle Reazioni Chimiche
Principio di conservazione della massa
In teoria atomica può anche essere espresso come:
Principio di conservazione del numero di atomi
Bilanciamento delle Reazioni Chimiche
I coefficienti stechiometrici non devono essere confusi con il numero che rappresenta gli atomi
contenuti in un composto (pedici, subscripts).
Il ruolo dell’ossigeno sul nostro pianeta
La quasi totalità degli elementi reagisce con l’ossigeno per formare gli ossidi. Queste
reazioni furono chiamate ‘ossidazioni’ e sono dovute alla presenza dell’ossigeno nell’atmosfera terrestre (e alla elevata reattività della molecola di ossigeno (O
2).
Gli ossidi sono composti ’binari’ (cioè formati da due soli elementi) fra un
elemento X e l’ossigeno (O).
Il ruolo dell’acqua sul nostro pianeta
Gli ossidi reagiscono con l’acqua per formare gli idrossidi e gli ossiacidi.
Questi composti ’ternari’ (cioè formati da tre elementi) contengono un
elemento X, l’idrogeno e l’ossigeno (O).
Per convenzione gli idrossidi sono rappresentati dalla formula X(OH)
n, mentre gli ossiacidi sono
rappresentati dalla formula H
nXO
m.
I sali
Gli idrossidi reagiscono con gli ossiacidi per formare i sali.
I sali sono sempre formati da una gruppo che proviene dall’idrossido e da un gruppo che
proviene dall’ossiacido.
I sali convenzionali sono composti ionici,
come verrà chiarito nel seguito delle lezioni.
Un Esempio per chiarire i concetti
Si prenda l’elemento Potassio (K)
Il Potassio (K) elementare reagisce con l’ossigeno per formare l’ossido di potassio:
4K + O
22K
2O
L’ossido di potassio reagisce con l’acqua per formare l’idrossido di potassio:
K
2O + H
2O 2KOH
Un Esempio per chiarire i concetti
Si prenda l’elemento Cloro (Cl)
Il Cloro (Cl) elementare reagisce con l’ossigeno per formare numerosi ossidi (anidridi) del cloro:
2Cl
2+ O
22Cl
2O
2Cl
2+ 3O
22Cl
2O
32Cl
2+ 5O
22Cl
2O
52Cl
2+ 7O
22Cl
2O
7Un Esempio per chiarire i concetti
Gli ossidi del Cloro reagiscono con l’acqua per formare gli ossiacidi corrispondenti:
Cl
2O + H
2O 2HClO
Cl
2O
3+ H
2O 2HClO
2Cl
2O
5+ H
2O 2HClO
3Cl
2O
7+ H
2O 2HClO
4I Sali
L’idrossido di potassio reagisce con gli ossiacidi del cloro per formare i corrispondenti sali.
KOH + HClO KClO + H
2O KOH + HClO
2KClO
2+ H
2O KOH + HClO
3KClO
3+ H
2O KOH + HClO
4KClO
4+ H
2O
Idrossido Ossiacido K+ ClO-
K+ ClO2-
K+ ClO3-
K+ ClO4-
Rappresentazione della Reazione fra Idrossidi e Ossiacidi
X⎯OH H⎯A
X + + OH ⎻ H + + A ⎻ X + + A ⎻ X + -- A ⎻ H + + OH ⎻ H⎯O⎯H XOH + HA XA + H 2 O
Idrossido Ossiacido
Sale
Rappresentazione della Reazione fra Idrossidi e Ossiacidi
OH⎯X⎯OH 2H⎯A
X 2+ + 2OH ⎻ 2H + + 2A ⎻ X 2+ + 2A ⎻ A ⎻ --X 2+ -- A ⎻ 2H + + 2OH ⎻ 2H⎯O⎯H
X(OH) 2 + 2HA XA 2 + 2H 2 O
Dissociazione Idrossido Dissociazione
Ossiacido
Sale
Riassunto
OSSIDI
Il ruolo dell’Idrogeno sul nostro pianeta
Gli elementi reagiscono con l’idrogeno per formare una varietà di composti che sono difficilmente
classificabili nelle categorie precedenti.
Per gli scopi del corso, è importante notare
l’importante categoria dei composti ‘binari’ con gli elementi rappresentati dalle formule XH
mo H
nY .
Sebbene abbiano la stessa composizione (l’elemento combinato con l’idrogeno) primi sono classificati
come ‘idruri’ mentre i secondi come ‘acidi’
Lo Stato di Ossidazione
Lo stato di ossidazione è un concetto del tutto astratto che non ha alcun significato fisico. Si tratta di un metodo che si basa su regole formali per classificare i composti chimici di un elemento.
Regole per determinare lo stato di ossidazione di un elemento in un composto chimico:
Ø Ai composti elementari (composti da un solo elemento) si attribuisce stato di ossidazione zero
Ø L’idrogeno ha stato di ossidazione +1 eccetto che negli idruri dove lo stato di ossidazione vale -1.
Ø L’ossigeno ha stato di ossidazione -2 eccetto che nei perossidi dove lo stato di ossidazione vale -1.
Ø La somma degli stati di ossidazione degli elementi in un composto deve essere uguale alla carica elettrica reale del composto. Questa è l’unica regola in relazione con una quantità fisica misurabile.
Esempi
HClO
3(Cl = +5) Mg(OH)
2(Mg = +2)
CH
4(C = -4)
H
2O
2(O = -1) (H-O-O-H) BeH
2(H = -1) (Idruri)
N
2(N = 0)
Tipi di Reazioni Chimiche
Reazioni in cui alcuni elementi che fanno parte dei reagenti non cambiano lo stato di
ossidazione quando si trasformano nei prodotti (ad esempio, le reazioni acido-base).
Reazioni in cui alcuni elementi che fanno parte dei reagenti cambiano lo stato di ossidazione
quando si trasformano nei prodotti (ad
esempio, le reazioni di ossido-riduzione).
Bilanciamento delle Reazioni Chimiche
Principio di conservazione della massa
In teoria atomica può anche essere espresso come:
Principio di conservazione del numero di atomi
Principio di conservazione della carica
LE REAZIONI DI
OSSIDO-RIDUZIONE
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione
A + B ® C + D
y A ® C + ne ⎻
Å B + ne ⎻ ® D
Una reazione di ossidoriduzione può essere scomposta in una semireazioni di ossidazione y e una semireazione di riduzione
Å
Il numero di elettroni nella semireazioni di riduzione e ossidazione deve sempre essere uguale. La somma
delle due reazioni produce la reazione globale
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione
Cu 2+ + Zn ® Zn 2+ + Cu
y Zn ® Zn 2+ + 2e ⎻
Å Cu 2+ + 2e ⎻ ® Cu
Il numero di elettroni nelle due semireazioni è uguale e la loro somma produce la reazione globale
Scomposizione
Cu 2+ + Zn ® Zn 2+ + Cu
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione
Au + + Sn ® Au + Sn 2+
y Sn ® Sn 2+ + 2e ⎻
Å 2 Au + + 2e ⎻ ® 2Au
Il numero di elettroni nelle due semireazioni non è uguale e occorre moltiplicare le reazioni per un opportuno coefficiente per ‘normalizzare’ il numero di elettroni.
y Sn ® Sn 2+ + 2e ⎻
Å Au + + e ⎻ ® Au
2Au + + Sn ® 2Au + Sn 2+
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione
N 2 + O 2 ® NO
y 2N ® 2N 2+ + 4e ⎻
Å 2 O + 4e ⎻ ® 2O 2-
N 2 + O 2 ® 2NO
Il numero di elettroni nelle due semireazioni è uguale
e la loro somma produce la reazione globale
Bilanciamento delle Reazioni di
Ossidoriduzione in Soluzione Acquosa
H 2 O ® H + + OH ⎻
Nell’acqua pura, un piccolo numero di molecole si dissocia secondo la reazione:
Queste tre specie (H2O, H+, OH⎻) sono sempre presenti quando la reazione di ossidoriduzione avviene fra specie chimiche sciolte in acqua e, quindi, partecipano sempre alla reazione.
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione Esempio
H 2 S + HClO 3 ® H 2 SO 4 + HCl
y H
2S ® H
2SO
4Å HClO
3® HCl
y 4H
2O + H
2S ® H
2SO
4+ 8H
+Å 6H
++ HClO
3® HCl + 3H
2O
Semireazioni di ossidazione y e riduzione
Å
Bilanciamento di massa in soluzione acquosa
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione Esempio
y 4H
2O + H
2S ® H
2SO
4+ 8H
++ 8e
-Å 6e
-+ 6H
++ HClO
3® HCl + 3H
2O
Bilanciamento della carica (e-)
y 12H
2O + 3H
2S ® 3H
2SO
4+ 24H
++ 24e
-Å 24e
-+ 24H
++ 4HClO
3® 4HCl + 12H
2O
Normalizzazione delle carica
y 3 x [4H
2O + H
2S ® H
2SO
4+ 8H
++ 8e
-]
Å 4 x [6e
-+ 6H
++ HClO
3® HCl + 3H
2O]
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione
y 12H
2O + 3H
2S ® 3H
2SO
4+ 24H
++ 24e
-Å 24e
-+ 24H
++ 4HClO
3® 4HCl + 12H
2O
24e
-+ 24H
++ 12H
2O + 3H
2S + 4HClO
3® 4HCl + 3H
2SO
4+ 12H
2O + 24H
++ 24e
-3H 2 S + 4HClO 3 ® 4HCl + 3H 2 SO 4
Somma delle semireazioni
Bilanciamento finale
Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione
Un altro Esempio
MnO
4⎯+ C
6H
12O
6® Mn
2++ CO
2Å MnO
4⎯® Mn
2+y C
6H
12O
6® CO
2Å 8H
++ MnO
4⎯® Mn
2++ 4H
2O y 6H
2O + C
6H
12O
6® 6CO
2+ 24H
+Å 5e
-+ 8H
++ MnO
4⎯® Mn
2++ 4H
2O
y 6H
2O + C
6H
12O
6® 6CO
2+ 24H
++ 24e
-Bilanciamento delle Reazioni di Ossidoriduzione
Å 120e
-+ 192H
++ 24MnO
4⎯® 24Mn
2++ 96H
2O y 30H
2O + 5C
6H
12O
6® 30CO
2+ 120H
++ 120e
-72H
++ 24MnO
4⎯+ 5C
6H
12O
6® 24Mn
2++ 30CO
2+ 66H
2O
Å 24 x [5e
-+ 8H
++ MnO
4⎯® Mn
2++ 4H
2O]
y 5 x [ 6H
2O + C
6H
12O
6® 6CO
2+ 24H
++ 24e
-]
FINE DELLA 2 a LEZIONE
Esercizi
1) Perché le masse atomiche degli elementi nella tabella periodica sono espresse da numeri decimali e non da numeri interi?
A causa dell’esistenza degli isotopi di un elemento. La massa atomica riportata nella tabella periodica è la media pesata delle masse di tutti gli isotopi esistenti in natura.
2) Che cos’è una reazione chimica?
Dal punto di vista della teoria atomica, una reazione chimica non è altro che una redistribuzione degli atomi che compongono le specie reagenti per formare i prodotti.
Esercizi
3) Quali sono i principi fisici fondamentali a cui ubbidiscono le reazioni chimiche?
Il principio di conservazione della massa e il principio di conservazione della carica.
4) Che differenza esiste fra un ossido e un’anidride?
Nessuna: si tratta di composti tra un elemento della Tabella Periodica e l’ossigeno. Infatti, nella moderna nomenclatura, questi composti sono collettivamente chiamati ‘ossidi’. In precedenza, si attribuiva il nome
‘ossido’ solamente ai composti dell’ossigeno con gli elementi metallici, mentre il nome ‘anidride’ era riservato ai composti dell’ossigeno con i non-metalli.
Esercizi
5) Che differenza esiste fra un acido, un idrossido e un idruro?
Un acido è il prodotto della reazione di un’anidride (ossido non-
metallico) con l’acqua. Un idrossido (base di Arrhenius) è il prodotto
della reazione di un ossido (ossido metallico) con l’acqua. Un idruro è un composto binario prodotto dalla reazione di un metallo con l’idrogeno.
6) Che cos’è un sale?
È il prodotto della reazione fra un acido e un idrossido (base). Tutti i sali sono formati da un catione (proveniente dalla base) e da un anione
(proveniente dall’acido) che, allo stato solido, si associano attraverso l’interazione elettrostatica.
Esercizi
7) Che cos’è lo stato di ossidazione?
Un numero, positivo o negativo, attribuito a ciascun elemento
all’interno di una molecola sulla base di regole formali. Per questo non ha alcun significato fisico. L’unica relazione con una grandezza fisica misurabile deriva dalla regola che la somma degli stati di ossidazione degli elementi in una molecola è uguale alla carica elettrica totale della molecola stessa.
8) Che cos’è una reazione di ossidoriduzione?
È una delle due grandi categorie di reazioni chimiche (acido-base e ossido-riduzione). In questa reazione, uno o più elementi presenti nei reagenti diminuisce il proprio stato di ossidazione (si riducono e,
dunque, si comportano da ossidanti), e contemporaneamente uno o più elementi nei reagenti aumentano il loro stato di ossidazione (si
ossidano e, quindi, si comportano da riducenti).
9) Bilanciare la reazione di ossidoriduzione:
Å PO
43-® P
4y C ® CO
PO
43-+ SiO
2+ C ® SiO
32-+ P
4+ CO
Å 20e
-+ 32H
++ 4PO
43-® P
4+ 16H
2O y H
2O + C ® CO + 2H
++ 2e
-Le specie SiO2 e SiO32- non partecipano alla reazione di ossido-riduzione
