Classificazione delle Reazioni Chimiche

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Una delle cose che più caratterizzano la Chimica sono le reazioni chimiche, cioè quelle brevi uguaglianze che ci permettono di rappresentare le varie trasformazioni della Natura. In quest’articolo andremo a vedere come vengono classificate.

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INTRODUZIONE

In un altro articolo avevamo già trattato le reazioni chimiche da un punto di vista grafico e descrittivo, spiegando appunto cosa sia una reazione chimica e come va letta.

Le varie reazioni che esistono in Natura sono in numero così elevato che è insensato pretendere di studiarle tutte a memoria, si parla di miliardi di miliardi di reazioni possibili. Nasce quindi il bisogno di classificarle per raggruppare quelle reazioni che hanno caratteristiche simili così da riuscire a fare ordine in tutto questo caos.

Esistono 4 tipologie di reazioni che riescono a fare un primo grossolano raggruppamento e saranno le prime che discuteremo. Esistono anche altre tipologie di classificazioni che raggruppano le reazioni in maniera più specifica.

Le classi di reazioni che seguono non rappresentano un elenco completo di tutte le classi esistenti ma ritengo che siano i fondamenti che un chimico deve conoscere per approcciarsi in maniera necessaria alla materia.

LE PRIME 4 CLASSI DI REAZIONI

Sintesi

Iniziamo con la più classica delle reazioni e cioè le reazioni di sintesi, questa parola viene usata molto spesso nella terminologia chimica ed è importante saperne il significato.

Una definizione potrebbe essere:

Una reazione è detta di sintesi quando a partire da 2 reagenti si arriva ad ottenere un prodotto, si sintetizza appunto il prodotto.

Se vogliamo generalizzare possiamo scrivere le reazioni di sintesi in questo modo:

A + B ======> C

Questa reazione ci permette di creare strutture più grosse a partire da sostanze più piccole visto che entrambi i reagenti vanno a confluire nella stessa molecola finale, la massa e le dimensioni di conseguenza sono tenute ad aumentare. A partire dagli elementi, tramite reazioni di sintesi è possibile dare origine alla Chimica e creare così i primi composti, questo tipo di reazione fa sì che i vari mattoncini della Chimica si aggreghino in strutture più complesse, fino ad arrivare ai sistemi viventi.

Questa classe di reazioni comporta generalmente un trasferimento di elettroni, avvengono quindi meccanismi di ossido-riduzione.

2 esempi di reazioni di sintesi possono essere le seguenti:

• Sintesi di CuCl₂ : Se prendiamo un pezzo di Rame metallico (Cu) e lo inseriamo in un’atmosfera di Cl₂ quello che avviene è la formazione del sale chiamato cloruro rameico (CuCl₂). In questa reazione si ha il trasferimento di elettroni dal Rame, che si ossida, al Cloro che si riduce.

Cu + Cl₂ ======> CuCl₂

• Sintesi del polietilene (-CH₂-CH₂-)_n : Partendo da 2 molecole di etilene e facendole reagire nelle opportune condizioni si arriva ad ottenere una molecola di 4 atomi di Carbonio, successivamente si può continuare ad aggiungere etilene ed aumentare così il numero di Carboni fino ad ottenere una singola catena lunga milioni o miliardi di atomi. Quello che osserviamo a livello macroscopico viene definito plastica.

2 H₂C=CH₂ ======> -CH₂-CH₂-CH₂-CH₂–

Decomposizione

La reazione opposta alla sintesi è la decomposizione, in questo caso si parte da un dato composto il quale si dividerà in altri composti più piccoli. Tendenzialmente quasi tutte le sostanze possono dare origine a reazioni di decomposizione, il motore che fa innescare tale reazione è governato in maniera significativa dalla temperatura ma anche la pressione gioca un ruolo importante.

Una definizione potrebbe essere:

Una reazione è detta di decomposizione quando a partire da un singolo reagente si ottengono 2 o più prodotti.

Generalizzando si ha che:

A ======> B + C

Le reazioni di decomposizione ci permettono di ottenere molecole più piccole a partire da composti più grandi, ecco perchè diciamo che è la reazione opposta a quella di sintesi. Spesso la decomposizione di un dato composto non porta alla formazione dei composti di partenza che l’hanno sintetizzato, è possibile quindi sfruttare la decomposizione per ottenere dei composti che magari non sono ottenibili direttamente con una sintesi.

Anche in questo caso le reazioni di decomposizione possono essere redox oppure no.

Vediamo 2 reazioni di decomposizione:

• Decomposizione di NaNO₃ : Quando un campione di nitrato di sodio viene riscaldato sotto una fiamma questo sale comincia a perdere Ossigeno e trasformarsi così nello ione nitrito. Si ha uno scambio di elettroni visto che l’N si riduce.

2NaNO₃ ======> 2NaNO₂ +O₂

• Decomposizione di Cu₂SO₄ : Il solfato rameoso è un sale che alla temperatura e pressione atmosferica non è stabile, questo sale infatti dà una reazione di decomposizione istantanea quando è in soluzione per formare solfato rameico e rame metallico.

Cu₂SO₄ ======> Cu + CuSO₄

Singolo scambio

Eccoci arrivati alla prima tipologia di reazione di scambio, cosa sono queste reazioni?

Una definizione potrebbe essere:

Una reazione è detta di scambio singolo quando un atomo o un gruppo di atomi viene scambiato da un altro atomo o gruppi di atomi.

Anche qui si può generalizzare e si scrive che:

AB + C ======> AC +B

In pratica C può essere sia un atomo, per esempio Cu, oppure una molecola, per esempio H₂. Quello che succede è che il nuovo gruppo, C, combinandosi ad A rende più stabile il tutto e quindi la reazione procede nel verso che abbiamo indicato.

Generalmente questo tipo di reazione avviene con un trasferimento di elettroni tra C e B, si vengono quindi a osservare dei meccanismi redox.

Vediamo anche in questo caso 2 esempi di reazioni di singolo scambio:

• Reazione tra HCl e Fe : Quando un pezzo di Ferro viene inserito in una soluzione di acido cloridrico si assiste quasi subito alla formazione di piccole bollicine, se si lascia il Ferro a contatto per un tempo sufficiente si nota che la soluzione passa da essere trasparente a una verdino chiaro. Il pezzo di Ferro in tutto questo diventa sempre più piccolo. Quello che succede è che il potenziale di riduzione tra H e Fe preferisce avere una situazione dove troviamo l’Idrogeno come H₂ e il Ferro come ione Fe²⁺, ecco che la reazione avviene e c’è lo scambio.

2HCl + Fe ======> FeCl₂ + H₂

• Reazione tra NaBr e Cl₂ : è possibile anche agire sugli anioni a far avvenire una reazione di singolo scambio a loro spese. In questo caso se facciamo gorgogliare del Cloro molecolare dentro una soluzione di bromuro di sodio assistiamo a un cambiamo di colore della soluzione, da trasparente inizia a colorarsi di arancio, prima pallido e poi sempre più scuro. Il cambiamento di colore è da attribuire alla formazione di Bromo molecolare (Br₂) che è appunto colorato fortemente in rosso quando concentrato, questo è un segno che una reazione sta avvenendo. In sostanza si ha la sostituzione degli ioni Br^– con ioni Cl^–, questo avviene per la maggior tendenza del Cloro a formare anioni rispetto al Bromo.

2NaBr + Cl₂ ======> 2NaCl + Br₂

Doppio scambio

Arriviamo ora all’ultima classe di reazioni, cioè le reazioni di doppio scambio. Questa classe possiamo vederla come l’estensione della classe vista poco prima. Sapendo già cosa intendiamo per “scambio” e avendo la parola doppio che precede possiamo immaginarci che ci sia lo scambio di 2 atomi o gruppi.

Una definizione potrebbe essere:

Una reazione è detta di doppio scambio quando 2 atomi o gruppi di atomi appartenenti a 2 molecole distinti si scambiano di posto.

Per generalizzare possiamo scrivere che:

AB + CD ======> AC +BD

Anche in questo caso la reazione avviene perchè la nuova ricombinazione degli atomi o gruppi porta alla formazione di composti più stabili o perchè succede qualcosa collegato con il concetto di equilibrio chimico.

Le reazioni di doppio scambio possono interessare sia meccanismi di scambio elettronico, cioè redox, sia meccanismi non redox.

Facciamo 2 esempi così da poter chiarire subito le idee:

• Reazione tra KCl e AgNO₃ : Preparando una soluzione di cloruro di potassio e una di nitrato di argento, tutte e 2 trasparenti, e poi unendole quello che si osserva è la formazione istantanea di un precipitata bianco polveroso che fa perdere la trasparenza alla soluzione. Dopo un po’ di tempo la polvere bianca andrà a depositarsi sul fondo, in soluzione invece rimangono degli ioni. Cosa è precipitato però? Il precipitato è cloruro di argento (AgCl) mentre in soluzione rimangono K⁺ e NO₃^–, portando a secco si può ottenere il nitrato di potassio. Con questo concludiamo che c’è effettivamente stato uno scambio tra gli ioni in soluzione.

KCl + AgNO₃ ======> AgCl + KNO₃

• Reazione tra HBr e LiOH : Avendo a disposizione una soluzione di acido bromidrico e idrossido di litio, tutte e 2 trasparenti, e mescolandole quello che si ottiene è sempre una soluzione trasparente che a prima vista sembrerebbe non sia successo niente. In realtà c’è stato un aumento di temperatura e quindi una reazione effettivamente è avvenuta. I composti che reagiscono possiamo definirli come composti “energetici” e reagendo tra di loro abbassano l’energia totale liberando calore. Se dopo la reazione portiamo a secco la soluzione quello che si ottiene è bromuro di litio, questo significa che l’H⁺ dell’acido e l’OH^– della base reagiscono per formare acqua.

HBr + LiOH ======> LiBr + H₂O

LE SOTTOCLASSI

Oltre alle 4 classi di reazioni che abbiamo visto prima esiste poi un’altra classificazione più dettagliata che va a dividere ancora di più le reazioni, tratteremo queste altre reazioni in un articolo a parte per non appesantire troppo questo.

Per quanto riguarda la reazioni organiche il discorso è leggermente diverso, quanto detto in questo articolo è valido certamente anche per la parte organica ma c’è bisogno di aggiungere alcuni pezzi per rendere il discorso più completo e simile alla realtà. In questo articolo trovate la trattazione fatta per le reazioni organiche.

Concludiamo quindi dicendo che le reazioni chimiche nel loro immenso numero possono essere raggruppate in un piccolo numero di reazioni così da poterle descrivere meglio e per facilitare in maniera enorme la comprensione della Chimica. Conoscendo le classi di reazioni è possibile prevedere già a livello mentale se 2 reagenti tra di loro potranno reagire e quale sarà il prodotto che questi formeranno, uno strumento quindi utilissimo da sfruttare per chi vuole imparare la Chimica.