Un grande classico della Chimica sono le reazioni, una breve sequenza di simboli e numeri che gli scienziati usano per descrivere e semplificare la Natura. Sono uno strumento essenziale per qualsiasi chimico e oserei dire per qualsiasi scienziato.
LE REAZIONI IN GENERALE
Prima di addentrarci con tutte e 2 i piedi nella descrizione delle reazioni chimiche facciamo un piccolo discorso sulle reazioni in generale per concludere che le reazioni chimiche sono solo una parte delle possibili reazioni esistenti.
Cominciamo subito con il dire che le reazioni chimiche sono solo un “piccolo” insieme del più grande insieme che chiameremo Reazioni. Quali sono allora le altre tipologie di reazioni? Uno di questi insieme prende in nome di reazioni nucleari mentre tutte le altre reazioni che non sono comprese in questi 2 insiemi, quelle chimiche e quelle nucleari, hanno della caratteristiche proprie.
Perchè gli scienziati hanno deciso che era necessario fare tale divisione? Per rispondere vediamo alcune caratteristiche di questi insiemi.
Quando parliamo di reazioni chimiche parliamo di tutte quelle trasformazioni che coinvolgono gli atomi, in particolare le nuvole elettroniche intorno agli atomi, che permettono di ottenere una ricombinazione diversa degli stessi atomi di partenza. Questa ricombinazione mantiene però integra la struttura di un atomo. Per esempio la reazione tra Idrogeno e Ossigeno per dare acqua è una reazione chimica.
H2 + O2 ======> H2O
In questa trasformazioni gli atomi di Ossigeno e di Idrogeno sono rimasti perfettamente identici a prima, l’unica cosa che è cambiata sono le varie interazioni elettroniche e la disposizione degli atomi nello spazio. La Chimica studia proprio questo tipo di reazioni. Le reazioni chimiche vengono ulteriormente classificate in altri gruppi più piccoli.
Il secondo insieme è quello rappresentato dalle reazioni nucleare, queste sono delle reazioni al limite tra il campo della Chimica e quella della Fisica e sono direttamente interessate al nucleo degli atomi. In poche parola ci serviamo delle reazioni nucleari per descrivere quello che succede ai nuclei degli atomi quando a trasformarsi è proprio il nucleo stesso. Alcuni fenomeni che vengono descritti con queste reazioni sono per esempio i vari decadimenti radioattivi oppure tutte le reazioni di nucleogenesi che avvengono nel Sole.
238U ======> 234Th + α
Per esempio alcuni nuclei, specialmente quelli degli elementi più pesanti, non sono stabili e tendono a dare delle reazioni come quella illustrata sopra. In queste reazioni il nucleo atomico la fa da padrona e non ci interessiamo quasi per niente del destino degli elettroni.
Le reazioni chimiche e nucleari descrivono il comportamento e le interazioni di quella parte della Materia che chiamiamo Atomi. Sappiamo però che esistono anche tante altre particelle e non-particelle che compongono l’Universo e che in qualche modo interagiscono tra di loro oppure interagiscono con gli atomi a dare altri tipi di fenomeni. Queste reazioni sono però molto difficili da studiare perchè è necessaria una conoscenza approfondita della Fisica subatomica e risulta anche di poco interesse al di fuori della ricerca. Nella vita di tutti i giorni quasi non ci accorgiamo di queste reazioni. Siamo fatti di atomi e quello che ci circonda è fatto da atomi e questo a un non-fisico delle particelle può bastare per non interessarsi a tutte le altre possibili reazioni.
Domanda
La spettroscopia è ormai un insieme di tecniche indispensabili per la Chimica, alla base di tali tecniche sono coinvolte reazioni tra gli atomi e qualcos’altro, cosa?
REAGENTI E PRODOTTI
Dopo aver descritto in maniera sbrigativa le 3 categorie di reazioni vediamo alcune caratteristiche che gli scienziati hanno attribuito alle reazioni in generale.
Cominciamo con il vedere come è fatta una reazione.
Un reazione qualsiasi si compone generalmente da 3 parti.
- Una parte dove delle entità, atomi e non, protagonisti della reazione sono descritti.
- Una freccia che segna il verso della reazioni.
- Le entità, atomi e non, che si ottengono quando hanno reagito le entità dall’altra parte.
Schematizzando otteniamo:
A + B ======> C
A e B reagiscono per dare C, la freccia ci indica il verso della reazione. Siccome abbiamo scritto la reazione in questa direzione, A e B vengono chiamati reagenti, appunto perchè reagiscono tra di loro, e C è chiamato prodotto. Generalmente una reazioni viene scritta da sinistra verso destra, nessuno però viene di invertire la direzione della freccia e scambiare di posto reagenti e prodotti, il massaggio che si manda al lettore è lo stesso.
C <====== A + B
Abbiamo tutti sentito parlare di reagenti chimici nella nostra vita almeno una volta, ecco, quando sentiamo questa parola stiamo dicendo che quelle sostanze andranno a reagire per ottenere un prodotto.
è importantissimo però non focalizzarsi in maniera assoluta su prodotti e reagenti. I reagenti di una reazione sono i prodotti di un’altra e viceversa. Prendiamo come esempio la sintesi dell’ammoniaca.
3H2 +N2 ======> 2NH3
L’ammoniaca in questo caso è il prodotto di questa reazione. è ovviamente possibile far reagire l’ammoniaca con l’acido cloridrico per ottenere cloruro d’ammonio:
NH3 + HCl ======> NH4Cl
In questo caso l’ammoniaca è un reagente. Ogni composto chimico può essere sia un reagente sia un prodotto, dipende tutto dal contesto in cui si trova.
Quando scriviamo una reazione chimica è indispensabile seguire la Legge di conservazione della Massa ed Energia e per fare ciò è necessario bilanciare la reazione affinchè il numero di entità e l’energia tra i prodotti siano identici a quelli tra i reagenti.
LE FASI
Per chi ha già messo un po’ le mani in pasta con la Chimica è possibile che abbia incontrato delle reazioni dove viene specificato lo stato fisico dei reagenti e dei prodotti. Consideriamo la seguente reazione:
CH4(g) + O2(g) ======> CO2(g) + H2O(l)
Si tratta della combustione del metano e oltre alle formule chimiche dei reagenti e prodotti sono presenti anche gli stati fisici. In particolare CH4,O2 e CO2 sono nello stato gassoso mentre l’acqua è nella forma liquida.
Oltre allo stato fisico spesso è utile anche riportare se la specie chimica che stiamo considerando è in soluzione o meno. La notazione vuole che le sigle vengano scritte in basso a destra tra parentesi, le sigle sono:
- (g) = gas
- (l) = liquidi
- (s) = solidi
- (aq) = soluzione acquosa
Nasce spontaneamente la domanda “qual è l’utilità di usare questa notazione?”
Le principali motivazioni che hanno spinto gli scienziati a introdurre gli stati fisici sono 2:
- Quando consideriamo le reazioni chimiche sotto l’aspetto termodinamico, cioè il calore in gioco durante la reazione, è necessario sapere con precisione a quale stato fisico di una sostanza ci riferiamo perchè ogni stato ha la sua energia e per poter fare dei calcoli accurati è necessario tenerne conto. Nella reazione di combustione sopra riportata, l’acqua prodotta è nella forma liquida e questo stato ha la sua entalpia di formazione specifica che risulta diversa rispetto all’entalpia di formazione dell’acqua gassosa oppure solida. Sapere quale dato andare poi ha prendere dalle tabelle permette di fare dei calcoli accurati. Oltre all’entalpia ci sono altre grandezze che possono cambiare.
- Alcune reazioni chimiche avvengono solo se si trovano in particolari stati fisici ed è utile indicarli perchè non è pensabile che uno scienziato possa già sapere se un determinato reagente reagisce o meno in uno stato fisico o in un altro, si possono avere delle linee guida generali ma per evitare confusione è sempre meglio riportare gli stati.
GLI EQUILIBRI
Le trasformazioni chimiche che possiamo rappresentare con una reazione chimica sono di tanti tipi, per riuscire a distinguere e fornire informazioni aggiuntive circa le reazioni è possibile modificare leggermente le frecce, vediamo come.
Siamo tutti abituati a vedere le reazioni chimiche scritte con una normale freccia che parte dai reagenti e va verso i prodotti. Come in questo caso:
A + B ======> C
Usando questa freccia stiamo trasmettendo al lettore un messaggio che in breve dice “guarda che la reazione che ti sto mostrando è una reazioni che ha una costante di equilibrio talmente alta che praticamente tutti i reagenti sono stati trasformati interamente in prodotti”.
Detto con parole meno rigorose, quando usiamo la freccia a una punta vuol dire che la reazione procede verso i prodotti senza lasciare dietro nessuna traccia dei reagenti.
In realtà sappiamo che tutte le reazioni chimiche, ma proprio tutte tutte, sono delle reazioni di equilibrio. Senza andare troppo nel dettaglio per evitare di appesantire il discorso limitiamoci a dire che è impossibile per una reazione chimica convertire perfettamente tutti i singoli atomi di reagenti in prodotti, la conseguenza di tale limitazione ci porta a concludere che data una qualsiasi reazione chimica sono sempre presenti, talvolta in quantità trascurabile, alcuni reagenti. Le reazioni di equilibri sono caratterizzati dal avere questo particolare tipo di freccia:
Diciamo quindi che è lecito per ogni reazione chimica usare questa freccia, se però la reazione ha una tendenza così spiccata ad avvenire e la quantità di reagenti che rimane è trascurabile, parliamo di µg oppure ng, allora si può usare la freccia a una punta. Vedendo questa freccia trasmettiamo implicitamente al lettore che la reazione considerata ha una Keq molto alta.
A volte quando si vuole evidenziare se in una data reazione di equilibrio sono presenti più reagenti dei prodotti o viceversa si usa questo tipo di freccia.
La sintesi dell’acido iodidrico ha una Keq di circa 50, questo significa che la quantità di prodotto è maggiore rispetto a quella dei reagenti ma comunque i valori restano confrontabili e non è lecito quindi mettere la freccia singola.
L’ultimo tipo di freccia è quella riferita alle formule di risonanza. Per indicare che una determinata struttura di una molecola può esistere anche in un’altra forma si usa questa notazione:
Possiamo notare che la molecola è rimasta la stessa, stessi atomi nelle stesse posizioni, quello che cambia è la disposizione degli elettroni. Per illustrare questo movimento elettronico si usa la freccia singola a doppia punta. In realtà questa non è proprio una reazione chimica ma è comunque utile introdurre questo tipo di freccia in questo contesto.
PER DARE PIÙ INFORMAZIONI
Arriviamo ora a completare il discorso circa le reazioni chimiche introducendo la ciliegina sulla torta. Quando vogliamo dare al nostro lettore più informazioni possibili direttamente leggendo la reazione chimica senza farlo andare a leggere i dettagli della reazioni riportati magari nel testo, possiamo usare alcune scorciatoie che rendono il messaggio più immediato.
Consideriamo la seguente reazioni e poi la analizziamo.
La reazioni viene chiama “idratazione di un alchene“, in pratica un alchene reagisce con una molecola d’acqua per formare un alcol. La reazione avviene a patto che si presentino 2 condizioni, la prima è la necessità di un catalizzatore acido, nel nostra caso l’acido solforico e la seconda condizione è che la reazione avvenga a temperatura elevata.
Per descrivere queste condizioni necessarie si usa mettere sopra e sotto la freccia di reazione delle formule oppure dei simboli che permettano al lettore di intuire subito le condizioni necessarie.
Nel caso della reazione illustrata sopra, il calore viene rappresentato mediante il “delta“, generalmente posto sopra la freccia, mentre per il catalizzatore si usa mettere direttamente la formula chimica.
Il seguente elenco raggruppa alcune delle notazioni che si incontrano più spesso:
- △ = calore
- hv = luce
- H+ \ OH– = quando l’ambiente deve essere acido o basico ma non ci interessa da quale fonte derivi l’acidità o la basicità.
- Il catalizzatore viene indicato con la formula chimica completa oppure con il nome.
- Alcune reazioni avvengono solo in particolari solventi e risulta utile indicarlo con la formula chimica o il nome.
Risposta
La spettroscopia si basa sulle interazioni tra gli atomi e le onde elettromagnetiche, questo tipo di reazioni ci permette di vedere e di distinguere i colori.
