I bilanciamenti sono un classico quando si parla di reazioni chimiche, saperli fare è un elemento fondamentale per chiunque voglia studiare e capire la Chimica.
PRIMA DI COMINCIARE
Facciamo giusto un piccolo accenno su che cos’è una reazione chimica così da andare a capire il perchè è utile saper farei bilanciamenti, per approfondire meglio il concetto rimando a questo articolo: Le Reazioni Chimiche.
Brevemente quindi diciamo che una reazione chimica altro non è che una schematizzazione che noi umani ci siamo dati per riuscire a rappresentare su carta o nella nostra mente il modo in cui gli atomi e\o molecole si combinano.
Un esempio di reazione chimica è:
2Na + S ======> Na2S
Questa reazione schematizza quello che succede a livello atomico quando 2 atomi di Na incontrano un atomo di S, quello che si ottiene è una molecola di Na2S. I composti nella parte di sinistra vengono chiamati reagenti mentre quelli della parte di destra vengono chiamati prodotti, in mezzo abbiamo una freccia che indica in che direzione procede la reazione. Quando davanti ad un composto o elemento chimico non compare nessun numero diamo per sottointeso che sia presente 1. Nell’esempio di prima potevamo scrivere la reazione in questo modo:
2Na + 1S ======>1Na2S
Ovviamente dove è possibile si eliminano le cose superflue e in questo caso 1 non lo si mette mai.
Questo è tutto quello che ci serve sapere sulle reazioni chimiche per procedere con i bilanciamenti.
INTRODUZIONE
Cominciamo con analizzare una reazione familiare a molti, la sintesi dell’acqua. La comunissima acqua sappiamo che è composta da 2 elementi diversi, H e O, infatti la sua formula chimica è H2O. Affinchè questa molecola di acqua possa veramente esistere c’è bisogno che 2 atomi di H reagiscano con un atomo di O per dare H2O, come possiamo riscrivere senza usare le parole il concetto appena detto?
Semplice, scriviamo tutto in una reazione chimica. Otteniamo quindi che:
2H + 1O ======> H2O
A destra e a sinistra dell’uguale abbiamo le stesse quantità, 2 H da tutte e due le parti e la stessa cosa per quanto riguarda O.
Mi aspettavo diversamente? Ovviamente no, avendo messo il segno di uguale (=) la quantità a destra e a sinistra devono essere identiche, non mi interessa come si sono ricombinate.
La formula chimica che abbiamo scritto prima non piace molto ai chimici perchè in Natura non esistono quasi mai atomi isolati nè di H nè di O ma bensì esistono molecole di Idrogeno e molecole di Ossigeno, rispettivamente H2 e O2. Siccome è sensato rappresentare le reazioni chimiche con particelle che effettivamente sono reali usiamo la forma molecolare di questi 2 elementi per ottenere una molecola di H2O.
Riscrivendo la reazione otteniamo:
H2 + O2 ======> H2O
Se contiamo gli atomi totali di H e O che sono presenti a sinistra, cioè tra i reagenti, notiamo che non sono identici agli atomi totali di H e O presenti tra i prodotti, la reazione come scritta sopra si dice che non è bilanciata, appunto perchè il numero di atomi non è lo stesso nelle 2 parti della reazione.
Bisogna in qualche modo riuscire a far tornare i conti per rendere vera l’uguaglianza tra reagenti e prodotti, questo processo viene appunto chiamato bilanciamento di una reazione.
Un bilanciamento è quella serie di passaggi numerici che serve a fare in modo che gli atomi di un dato elemento siano presenti nella stessa quantità sia a destra che a sinistra di una reazione chimica, cioè tra i reagenti e i prodotti.
COME BILANCIARE UNA REAZIONE
Riprendiamo in mano la sintesi dell’acqua e cerchiamo di individuare i passaggi necessari per un corretto bilanciamento.
H2 + O2 ======> H2O
Partiamo e cominciamo con il contare quanti atomi di H abbiamo a destra e a sinistra. Tra i reagenti abbiamo 1 molecola di H2 che in totale danno 2 atomi di H mentre tra i prodotti abbiamo sempre 2 atomi di H perchè H2O ne contiene 2. Per quanto riguarda H siamo apposto.
Passando a O notiamo che tra i reagenti ne abbiamo 2, derivanti da O2, mentre tra i prodotti abbiamo solo un O contenuto in H2O.
Possiamo quindi decidere di mettere un coefficiente 2 davanti a H2O così da bilanciare il numero di O, facciamolo.
H2 + O2 ======> 2H2O
Così facendo abbiamo bilanciato O perchè ne abbiamo 2 da entrambi i lati ma adesso H non è più bilanciato. Tra i prodotti abbiamo 4 atomi di H mentre tra i reagenti ne abbiamo sempre 2, come facciamo a ribilanciare H?
Se mettiamo un 2 davanti ad H2 otteniamo anche tra i reagenti 4 atomi di H e la reazione diventa:
2H2 + O2 ======> 2H2O
Se contiamo gli atomi di ciascun elemento ci accorgiamo che ora sono uguali da tutte e due i lati, 4 H e 2 O a destra e sinistra.
Grazie ai passaggi e ai ragionamenti fatti prima abbiamo bilanciato la reazione.
UN ALTRO ESEMPIO
Vediamo ora come bilanciare una reazione un po’ più complicata.
Prendiamo la reazione di sintesi del solfuro arsenioso (As2S3) a partire dal cloruro arsenioso (AsCl3) e acido solfidrico (H2S).
La reazione risulta essere:
AsCl3 + H2S ======> As2S3 + HCl
Anche se la reazione non lo dice è necessario aggiungere HCl tra i prodotti per far sì che da entrambe le parti compaiano gli stessi elementi; l’unico modo per combinate H e Cl è appunto quello di formare acido cloridrico (HCl).
Ora che la reazione è stata scritta in modo completo possiamo passare a bilanciarla. Come primo passaggio possiamo osservare che tra i reagenti abbiamo un solo atomo di As (AsCl3) mentre tra i prodotti ne abbiamo 2 (As2S3), andiamo quindi a mettere un 2 davanti a AsCl3, otteniamo:
2AsCl3 + H2S ======> As2S3 + HCl
A questo punto notiamo che tra i reagenti abbiamo 6 atomi di Cl (2AsCl3) mentre tra i prodotti solo 1, per bilanciare i Cl mettiamo un 6 davanti ad HCl, otteniamo:
2AsCl3 + H2S ======> As2S3 + 6HCl
Passiamo ora a considerate H, a sinistra abbiamo solo 2 atomi di H mentre a destra ne abbiamo 6, siccome ogni molecola di H2S porta 2 atomi di H abbiamo bisogno in totale di 3 molecole di H2S.
2AsCl3 + 3H2S ======> As2S3 + 6HCl
In questo modo abbiamo bilanciato la reazione visto che tutti gli atomi sono presenti a destra e a sinistra nella stessa quantità.
Per quanto riguarda S il bilanciamento è avvenuto automaticamente perchè questo atomo è vincolato dai numeri assegnati alle altre specie presenti nella reazione e se bilanciamo tutti gli atomi tranne lui automaticamente anche lui si bilancia.
BILANCIARE É IMPORTANTE
Dopo aver imparato quali sono i passaggi mentali da fare per bilanciare una reazione chiediamoci il perchè abbiamo fatto questa fatica.
Perchè dovremmo bilanciare una reazione? Non ci basta solo sapere cosa succede quando facciamo reagire 2 o più composti?
La risposta è no, non ci basta solo sapere come reagiscono tra di loro i vari reagenti per formare i prodotti (qualitativo) ma ci serve anche sapere esattamente quanto di un dato reagente andrà a combinarsi con l’altro reagente (quantitativo).
Il bilanciamento di una reazione deriva direttamente dalla Legge di Lavoisier o Legge della conservazione della massa, che riassumendo ci dice che la massa totale dei reagenti dovrà essere la stessa dei prodotti. Se parto da una massa totale di 100g sono sicuro che arrivo a ottenere sempre 100g di prodotti ma ricombinati in maniera diversa rispetto ai reagenti di partenza. Tramite l’operazione di bilanciamento riesco a mettere in pratica questa legge, o meglio, è la legge stessa che mi permette di bilanciare le reazioni e di prevedere le masse dei composti che otterrà.
Ok, ho capito che la massa di reagenti e prodotti è la stessa ma a cosa mi serve questo?
Riuscire a bilanciare una reazione è importante perchè mi porta su un livello quantitativo della Chimica, cioè arrivo a parlare di grammi, litri e moli. Tutto questo è fondamentale per un chimico, o uno scienziato in generale, il quale è tenuto lavorare con la materia la quale appunto deve essere in qualche modo misurata.
Tramite il bilanciamento di una reazione è possibile sapere in anticipo qual è la massa esatta di reagente A e reagente B che bisogna far reagire così da consumarli perfettamente entrambi. Se il vostro reagente principale è l’Oro che costa sui 50€ al grammo state pur certi che prima di farlo reagire ci pensate 2 volte perchè vorreste essere sicuri di non perderne neanche un po’.
Un altro vantaggio del bilanciare una reazione è il fatto che facendo reagire in maniera esatta le masse dei reagenti è possibile ottenere prodotti ad altissima purezza. Sappiamo bene che i chimici hanno una specie di mania verso la purezza ma questa mania è totalmente giustificata, voi prendereste mai un farmaco che contiene al 90% il principio attivo che vi cura e la restante parte cose non ben identificate? Suppongo di no. Per evitare di assumere cose indesiderate o per ridurre i costi di purificazione direi che la fatica di bilanciare le reazioni e del tutto giustificata.
