Reazione chimica - TIPI DI REAZIONI CHIMICHE

Reazione chimica

Reazione chimica Processo chimico in cui due o più sostanze interagiscono, trasformandosi in sostanze con composizione molecolare diversa da quella di partenza. Le sostanze che interagiscono sono dette reagenti, quelle finali prodotti. La qualità e la quantità dei prodotti che è possibile ottenere partendo da determinati reagenti sono legate al tipo di reazione e alle condizioni in cui essa si verifica. In ogni caso, in qualsiasi trasformazione valgono determinati principi di conservazione, vale a dire, rimangono invariate alcune grandezze, come la massa, la carica e il numero di atomi presenti.

Una reazione chimica può essere rappresentata in modo sintetico attraverso un’equazione in cui al primo membro sono scritti i reagenti e al secondo membro i prodotti. I simboli e le formule chimiche usate mettono in evidenza i cambiamenti che si verificano nel passaggio da reagenti a prodotti. Ad esempio, l'equazione chimica di combustione del gas metano, CH₄, in presenza di ossigeno, O₂, con formazione di anidride carbonica, CO₂, e acqua, H₂O, può essere così rappresentata in modo sintetico:

L’espressione “a dare” può essere sostituita da una freccia che specifica il verso della reazione; in caso di reazioni reversibili (che possono avvenire nell’uno e nell’altro senso) si indica una doppia freccia. Trattandosi di un’equazione, la quantità scritta a primo membro uguaglia quella a secondo membro; questo equivale al fatto che nelle reazioni chimiche, la massa atomica totale delle sostanze coinvolte resta invariata, e quindi da entrambe le parti dell’equazione deve apparire lo stesso numero di atomi. Pertanto, più correttamente la reazione deve essere scritta come:

Per semplificare la notazione, nelle equazioni chimiche bilanciate i coefficienti unitari sono sottintesi, mentre sono sempre indicate le cariche elettriche e il numero di atomi

Le reazioni chimiche sono bilanciate non solo rispetto alla carica e al numero di atomi dello stesso elemento, ma anche alla massa di ciascun elemento, indicata nella tavola periodica.

Così, 16,05 unità di massa atomica (uma) di CH₄ reagiscono con 64,00 uma di O₂ a dare 44,01 uma di CO₂ e 36,04 uma di H₂O:

In altre parole, una mole di metano reagisce con due moli di ossigeno, producendo una mole di diossido di carbonio (o anidride carbonica) e due moli di acqua. Nella reazione è quindi rispettata la conservazione della carica, del numero di atomi e della massa (la somma delle masse dei reagenti è infatti uguale a quella dei prodotti).

Per comprendere i meccanismi delle reazioni chimiche è fondamentale lo studio del tipo di legami che gli atomi realizzano nei composti; in particolare, dei legami ionico e covalente. Il primo comporta un vero e proprio trasferimento di elettroni da una specie chimica all’altra, e consiste sostanzialmente in un’attrazione elettrostatica tra i due ioni di carica opposta che si sono così venuti a creare; il secondo consiste invece in una sorta di condivisione di uno o più atomi tra i due atomi interagenti.

Esempi di reazioni che coinvolgono ioni sono:

Ag⁺ + Cl¯ ⇋ AgCl
oppure

3 Ca²⁺ + 2 PO₄³¯ ⇋ Ca₃(PO₄)₂
in cui la doppia freccia indica la reversibilità del processo. I due ioni argento e cloro si attraggono reciprocamente formando il sale cloruro di argento.

Un esempio di reazione che comporti la formazione di un singolo legame covalente è una reazione acido-base come

In questo caso, entrambi gli elettroni di legame vengono messi a disposizione dalla base, che li condivide con l’acido in modo da formare una molecola: il doppietto elettronico della base riempie l'orbitale vuoto dell'acido, formando un legame covalente (vedi Acidi e basi).

Nelle reazioni di ossidoriduzione, i reagenti acquistano o perdono elettroni:

2 Fe²⁺ + Br₂ ⇋ 2 Fe³⁺ + 2 Br¯
In queste reazioni uno dei reagenti viene ridotto, ossia acquista elettroni e diminuisce il proprio numero di ossidazione, mentre l'altro viene ossidato, ossia cede elettroni, aumentando il proprio numero d'ossidazione. Molte reazioni di ossidoriduzione, come l'ossidazione dei metalli, la combustione e i processi metabolici associati alla respirazione, coinvolgono l'ossigeno atmosferico. Altre, invece, non richiedono la presenza dell'ossigeno; un esempio è la reazione

Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄²¯→ 2PbSO₄ + 2H₂O
che si verifica all'interno degli accumulatori delle autovetture, producendo corrente elettrica.

L'unione di due gruppi di atomi per formare una nuova molecola è detta reazione di addizione, mentre la scissione di una molecola in più frammenti prende il nome di decomposizione. La polimerizzazione è una reazione di addizione in cui più molecole si uniscono a formare lunghe catene o reticoli (vedi Polimeri).

Nelle reazioni chimiche vale il principio di conservazione dell'energia. Formalmente, affinché una reazione possa avvenire, è necessario rompere alcuni legami presenti nelle molecole dei reagenti e successivamente formarne altri, in modo da ottenere le molecole dei prodotti. Per rompere un legame bisogna fornire una certa quantità di energia, che viene liberata quando si costituisce il nuovo legame. I legami caratterizzati da alta energia sono detti 'forti' proprio perché per romperli è necessaria una notevole quantità di energia.

Se nei prodotti si formano legami più forti di quelli rotti nei reagenti, si verifica un'emissione di energia sotto forma di calore e la reazione viene detta esotermica. Se, invece, si formano legami più deboli, bisogna fornire energia e la reazione è detta endotermica. Poiché i legami forti hanno una maggiore tendenza a formarsi di quelli deboli, le reazioni esotermiche spontanee sono più comuni di quelle endotermiche: tale è, ad esempio, la combustione degli idrocarburi in aria, con produzione di diossido di carbonio (CO₂) e di acqua (H₂O). Esistono, tuttavia, anche reazioni endotermiche spontanee, quale la dissoluzione dei sali in acqua.

La spontaneità di una reazione non dipende, infatti, dalla sua natura endotermica o esotermica, né dalla variazione di entropia che l'accompagna, ma dalla sola variazione di energia libera del sistema: quindi, le reazioni sono spontanee se si verifica una diminuzione di energia libera. Vedi anche Chimica fisica; Termodinamica.

Alcune reazioni, come le esplosioni, avvengono molto rapidamente, mentre altre, come la formazione della ruggine, richiedono molto tempo. Secondo la cinetica chimica, che studia le velocità di reazione, perché una reazione avvenga si devono verificare tre condizioni: i reagenti devono collidere; devono avere orientamento ed energia adeguati a formare uno stato di transizione; devono essere in grado di convertire tale stato in prodotto. La reazione è veloce solo se le tre condizioni vengono soddisfatte con facilità.

La velocità di una reazione può essere aumentata con la presenza di un catalizzatore, che diminuisce l'energia di attivazione necessaria a raggiungere lo stato di transizione. I catalizzatori rimangono inalterati durante le reazioni e sono quasi sempre impiegati in minime quantità. Un esempio di reazione che richiede la presenza di un catalizzatore è l'esplosione di una miscela di idrogeno e ossigeno a temperatura ambiente. Questo processo non avviene finché la miscela non è posta a contatto con platino in polvere, che funge da catalizzatore, ricoprendosi di ossigeno e provocando un riorientamento delle molecole, in modo da farle reagire più velocemente con l'idrogeno. La reazione di esplosione libera acqua e rigenera il catalizzatore.

La velocità di reazione può essere modificata non solo da un catalizzatore, ma anche da variazioni di temperatura e concentrazione. Alzando la temperatura, l'energia cinetica delle molecole dei reagenti aumenta, facendo aumentare il numero e l'energia delle collisioni e, di conseguenza, la probabilità di raggiungere lo stato di transizione. Anche l'aumento di concentrazione, rendendo più frequenti le collisioni tra molecole, accelera le reazioni.

Al procedere di una reazione, la concentrazione dei reagenti e, di conseguenza, la velocità di reazione diminuiscono; contemporaneamente, aumenta la concentrazione dei prodotti e diventa sempre più probabile la loro collisione, che porta a riformare i reagenti. Quando la velocità di reazione inversa eguaglia quella della reazione diretta si arriva allo stato di equilibrio chimico.

La perturbazione di un sistema all'equilibrio è regolata dal principio di Le Chatelier (dal nome del chimico francese Henri-Louis Le Chatelier); secondo tale principio, se si provoca una variazione in un sistema in equilibrio, quest'ultimo evolve in modo da neutralizzare il più possibile la variazione. In una situazione di equilibrio, l'aumento della temperatura provoca una transizione verso la fase endotermica, mentre una diminuzione della temperatura sposta il sistema in direzione esotermica. In una reazione in cui si formano prodotti gassosi, un aumento della pressione esterna favorisce piuttosto una diminuzione del volume, e quindi l'andamento in senso opposto; l'aumento di concentrazione di un reagente sposta la reazione verso destra, in modo che la sostanza aggiunta venga consumata, ma se la sua concentrazione diminuisce, la reazione si sposta nella direzione opposta.

I due scopi principali della sintesi chimica sono la creazione di nuove sostanze chimiche complesse e lo sviluppo di metodi più semplici ed economici per sintetizzare sostanze già presenti in natura. Spesso è sufficiente purificare una sostanza presente in natura per ottenere un importante elemento chimico o per migliorarne l'utilizzo come elemento di partenza per nuovi processi di sintesi. Molti farmaci vengono prodotti per via semisintetica: a partire, cioè, da sostanze naturali. Sono ormai conosciuti più di 11 milioni di composti chimici e si calcola che ne vengano sintetizzati circa 2000 nuovi ogni giorno. Prima di essere messa in commercio, ogni sostanza viene studiata a lungo, per verificarne l'eventuale tossicità sull'uomo, gli animali e l'ambiente.

Per lungo tempo la sintesi chimica non era condotta in modo rigoroso e la scoperta di gran parte dei nuovi composti avveniva casualmente. Grazie all'ampliarsi delle conoscenze e allo sviluppo delle tecnologie, oggi è possibile sintetizzare in laboratorio molte sostanze naturali e progettare nuovi medicinali o materiali (per costruzione, ad esempio, o combustibili) che soddisfino particolari esigenze; inoltre è possibile prevedere al computer il comportamento chimico di una nuova molecola e i suoi effetti a lungo termine sull'uomo o sull'ambiente. La determinazione della struttura di un numero sempre più grande di sostanze e la comprensione della relazione tra la struttura molecolare e le diverse proprietà dei composti hanno permesso di progettare nuove molecole, modulandone le caratteristiche e variando le strutture in senso mirato.

Le moderne penicilline sono modificazioni sintetiche della struttura della penicillina naturale, la sostanza scoperta dal batteriologo britannico Alexander Fleming. Oggi inoltre, grazie all'ingegneria genetica, è possibile sintetizzare ormoni, enzimi e acidi nucleici identici a quelli prodotti dalle cellule degli organismi viventi, rendendo possibile la cura di numerose malattie.

Uno dei più grandi e recenti successi della sintesi biochimica è l'utilizzo ormai abituale di microrganismi, quali lieviti, batteri e muffe, per produrre sostanze di interesse biologico. Ad esempio, la specie batterica Escherichia coli viene usata per produrre l'insulina umana, mentre alcuni ceppi di lievito vengono impiegati per ottenere etanolo.

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