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Reazione chimica

 

Descrizione

Una reazione chimica è una trasformazione della materia che avviene senza variazioni misurabili di massa, in cui uno o più reagenti iniziali modificano la loro struttura e composizione originaria per generare i prodotti.

Alcuni processi in cui intervengono reazioni chimiche sono:

la corrosione del ferro a ruggine (che è composta da ossidi di ferro);

la combustione del metano o altri combustibili (il metano con l'ossigeno si trasforma in anidride carbonica e vapore acqueo);

la digestione (gli alimenti sono decomposti dai succhi gastrici in sostanze chimiche assimilabili dall'organismo).

 

Premesse e definizioni della reazione chimica

La materia è composta da atomi. Ogni atomo possiede proprietà peculiari, derivanti dalla sua struttura atomica. Gli atomi possono legarsi tra loro per formare le molecole. Un composto chimico è un tipo particolare di molecola nella quale gli atomi sono diversi tra loro.

Ad esempio, l'ossigeno forma una molecola fatta con due atomi di ossigeno, mentre l'acqua è una molecola composta da due atomi di idrogeno legati ad un atomo di ossigeno, e quindi è anche un composto chimico.

Le molecole si formano attraverso una reazione chimica, che consiste in una rottura e formazione di legami chimici tra atomi. Più in generale, le reazioni chimiche possono coinvolgere anche altre specie chimiche (ioni, radicali ecc...) oltre le molecole.

Le reazioni chimiche non provocano un cambiamento di natura della materia, perché non influenzano i suoi costituenti fondamentali (gli atomi) ma solo la maniera in cui sono aggregati in molecole; non influenzano nemmeno l'aggregazione di molecole simili, quindi le trasformazioni puramente fisiche, come i cambiamenti di stato (fusione, solidificazione, evaporazione, ebollizione ecc...), l'usura e l'erosione, la frattura ecc... non sono reazioni chimiche.

Allo stesso modo, non fanno parte delle reazioni chimiche le trasformazioni dei nuclei atomici, cioè le reazioni nucleari. Purtuttavia tali reazioni assumono anche un certo interesse in chimica e vengono studiate dalla chimica nucleare.

Le reazioni chimiche, dunque, riguardano esclusivamente le variazioni dei legami tra gli atomi (legame covalente, legame ionico, legame metallico).

 

Reazioni endotermiche ed esotermiche

Una reazione può sviluppare calore, in tal caso è detta esotermica, o assorbire calore, ed essere quindi endotermica. Una reazione esotermica è quindi una reazione che comporta un trasferimento di calore dal sistema all'ambiente. Similmente una reazione endotermica è una reazione che comporta un trasferimento di calore dall'ambiente al sistema. Necessita dunque di energia esterna per procedere.

Il sistema è la parte dell'universo oggetto di studio (nel nostro caso sistema chimico, ad es. solvente, reagenti e prodotti presenti in un becher (che rappresenta il contorno del sistema), mentre l'ambiente è tutto ciò che circonda il sistema stesso. Sistema + ambiente costituiscono un sistema isolato: l'universo è un sistema isolato.

 

Reagenti e prodotti

I composti chimici presenti all'inizio della reazione sono detti reagenti, quelli che si ottengono alla fine della reazione sono invece i prodotti di reazione.

I fenomeni che hanno luogo durante una reazione chimica vengono rappresentati mediante una equazione chimica. Un'equazione chimica è scritta in maniera simile ad un'equazione matematica, ed in essa compaiono due membri: al primo membro (cioè a sinistra della freccia o altro simbolo di reazione) compaiono i reagenti, mentre al secondo membro (cioè a destra della freccia o altro simbolo di reazione) stanno i prodotti.

Una reazione non può avere luogo, o viene rallentata fino a fermarsi o addirittura a regredire se non è soddisfatta una serie di condizioni, come presenza dei reagenti in misura adeguata e condizioni di temperatura, pressione e luce adatte alla specifica reazione.

 

Bilanciamento delle masse

Dal postulato fondamentale di Lavoisier, che dice: "nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma" ne deriva necessariamente che la somma delle masse dei reagenti è necessariamente uguale alla somma delle masse dei prodotti di reazione. Siccome la materia è costituita da atomi, anche il numero degli atomi a destra e a sinistra dell'equazione deve restare invariato. Ad esempio nell'equazione:

 

NaOH + HCl → NaCl + H2O

 

che rappresenta la reazione tra idrossido di sodio ed acido cloridrico per produrre cloruro di sodio, che conosciamo bene come sale da cucina, troviamo esattamente lo stesso numero di atomi dello stesso tipo sia nella parte sinistra (reagenti) che nella parte destra (prodotti) della reazione, ma combinati in maniera diversa.

In questo caso, essendo questa una reazione tra un acido (HCl) e una base (NaOH) la reazione procederà verso la neutralizzazione completa, a meno che uno dei reagenti non sia in eccess rispetto all'altro: in questo caso, la soluzione rimarrà acida o basica a seconda del reagente in eccesso.

 

Bilanciamento delle cariche

Oltre al bilanciamento delle masse, nelle equazioni chimiche deve essere soddisfatto il bilanciamento delle cariche. Le reazioni chimiche infatti possono avvenire anche tra specie chimiche cariche elettricamente, dette ioni.

 

Esempio

Un esempio di reazione chimica in cui sono coinvolti ioni è la reazione di autoionizzazione dell'acqua:

 

 

In questo caso si ha una carica positiva sulla specie H3O+ e una carica negativa sulla specie OH-, mentre a primo membro compare una specie neutra (avente carica nulla). Considerando i coefficienti stechiometrici, il bilancio delle cariche in questo caso può essere scritto come:

 

2×(0) = (+1) + (-1)
 

ovvero:

0 = 0
 

Per cui si ha l'uguaglianza della somma delle cariche che competono ai reagenti rispetto alla somma delle cariche che competono ai prodotti, come deve essere.

 

Reazioni catalizzate

Alcune reazioni per avvenire hanno bisogno, o vengono facilitate, della presenza di una terza sostanza (rispetto a reagenti e prodotti) detta catalizzatore.

Il catalizzatore permette o facilita la reazione, ma viene ritrovato invariato (o quasi) tra i prodotti di reazione. In biologia i catalizzatori sono denominati enzimi.

Le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica spontanea portano ad una diminuzione dell'energia totale del sistema. In effetti, in una molecola o in un cristallo, l'organizzazione reciproca degli atomi implica un'energia, l'energia di legame; perché un legame venga rotto è necessario fornire al sistema una quantità di energia almeno pari all'energia di legame. Quando gli atomi si ricombinano, formando nuovi legami, tale energia viene liberata. Al termine di una reazione, l'energia immagazzinata nei legami dei prodotti di reazione è minore di quella inizialmente presente nei legami dei reagenti iniziali.

 

Attivazione e velocità di reazione

Durante la reazione, tuttavia, esiste un momento in cui i vecchi legami si sono rotti e quelli nuovi non si sono ancora formati, è lo stato di transizione dove l'energia del sistema è massima, cosa che costituisce una vera barriera per la realizzazione della reazione.

Lo studio dell'aspetto energetico delle reazioni chimiche è la termodinamica, che ci permette di verificare se una reazione può o meno avere luogo e quanta energia è necessario fornire per superare la barriera dell'energia di attivazione; ma esiste un altro parametro importante: la velocità di reazione.

Alcune reazioni sono molto rapide, addirittura violente, come le esplosioni, altre sono talmente lente che possono continuare per anni, o secoli. Alcune sono talmente lente che i reagenti coinvolti sembrano in realtà composti stabili, come nel caso dell'ossidazione dell'alluminio, si parla in tal caso di composti "metastabili" (la forma stabile, in ambiente con presenza di ossigeno, è l'ossido di alluminio, mentre quella metastabile è l'alluminio metallico); ad occuparsi di studiare la velocità di reazione è la cinetica chimica.

Per quantificare la velocità di una reazione si utilizza il grado di avanzamento della reazione ξ, definito globalmente come la proporzione di miscela che ha già reagito (ξ=0 all'inizio della reazione, ξ=1 quando la reazione è completa). Si può così definire la velocità di reazione come la derivata del grado di avanzamento rispetto al tempo:

 


 

La reversibilità delle reazioni

Alcune reazioni sono reversibili, cioè il guadagno di energia avuto con la reazione è minimo, in tal modo risulta possibile anche la reazione inversa; è questo il caso della dissociazione dell'acqua, H2O, negli ioni: H3O+ e OH-. In questi casi il sistema evolve in generale verso un equilibrio dinamico, ossia il valore di α rimane stabile e compreso tra 0 e 1, il numero di molecole che reagiscono in un senso è quindi compensato dal numero di molecole che reagiscono nell'altro.

La cinetica di una reazione dipende da numerosi fattori, il più importante è la temperatura: l'energia termica permette sia di superare la barriera dell'energia di attivazione più facilmente, sia di avere un numero maggiore di collisioni tra le molecole reagenti.

 

Reazioni e stati della materia

Un altro parametro importante è la fase in cui si trovano i reagenti. Da questo punto di vista le reazioni maggiormente favorite sono quelle in fase gassosa o liquida, dove i reagenti sono mescolati tra loro e possono facilmente venire a contatto.

In tutti gli altri casi, cioè per reazioni tra:

un solido e un gas;

un solido e un liquido;

un solido e un solido;

un liquido e un gas;

due liquidi immiscibili;

dette reazioni eterogenee, la reazione può aver luogo esclusivamente nei punti di contatto tra le due fasi, quindi sarà più veloce se i reagenti vengono dispersi l'uno nell'altro come nel caso di:

aerosol (fini gocce di liquido disperse in un gas);

emulsioni (dispersioni di gocce di un liquido in un altro immiscibile);

miscugli di polveri;

sol (dispersioni di polveri in un liquido);

schiume (bolle di gas disperse in un liquido).

In questo modo vengono massimizzate le superfici di contatto tra i reagenti e quindi la possibilità di reazione.

Per i solidi questo può esser quantificato misurando la superficie specifica, ossia la superficie esposta per unità di massa; una polvere o un solido poroso hanno elevati valori di superficie specifica.

 

Tipi di reazioni chimiche

A seconda del modo in cui si combinano i reagenti per dare luogo ai prodotti, si possono avere le seguenti tipologie di reazioni chimiche:

Decomposizione: un reagente da luogo a più prodotti;

Sintesi: più reagenti danno luogo a un prodotto;

Sostituzione: un gruppo di una specie chimica viene sostituite da un altro gruppo;

Metatesi: scambio di due o più ioni fra elementi e gruppi aventi la stessa valenza.

Una reazione viene detta di ossido-riduzione (o redox) se durante il suo svolgimento alcune specie chimiche modificano il proprio numero di ossidazione. Le reazioni che non sono di ossido-riduzione sono reazioni acido-base (ovvero i reagenti di tali reazioni sono un acido e una base).

 

Voci correlate

Entropia,

Entalpia standard di reazione,

Legge di Hess,

Cinetica chimica,

Termochimica,

Reazione spontanea,

Processo spontaneo,

Processo endotermico,

Processo esotermico,

Processo unitario,

Reattore chimico,

Reazione di ossido-riduzione,

Reazione acido-base,

Reazione di neutralizzazione,

Reazione organica,

Reazione oscillante,

Reazione multi componente,

Sintomi di reazione,

- Metabolismo,

 

Tratto da Wikipedia, elaborato e modificato.



 

 

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