Reazioni chimiche
Le reazioni chimiche costituiscono
la parte fondamentale dello studio della chimica. Tutte le reazioni
chimiche coinvolgono la rottura e la formazione di legami
chimici all'interno delle molecole, e dei composti in genere, in modo da
ottenere sostanze diverse da quelle di partenza. La chimica può essere
definita, in modo generale, come la scienza che si occupa delle sostanze -
analizza la loro composizione, la struttura e le proprietà, e studia le
reazioni che trasformano una sostanza in un'altra.
Una semplice reazione chimica avviene quando l'idrogeno gassoso si combina
con l'ossigeno gassoso per formare il composto acqua. A livello molecolare, la
reazione avviene in quanto due molecole di idrogeno reagiscono con una molecola
di ossigeno per produrre due molecole di acqua. I legami chimici si ottengono
semplicemente per sovrapposizione di nuvole elettroniche (orbitali), ma a scopo
diagrammatico, essi possono essere rappresentati per mezzo di linee che
congiungono gli atomi.
Occorre tener presente che una reazione chimica non deve essere confusa con
una trasformazione fisica, come ad esempio, un cambiamento di stato. L'acqua,
come qualsiasi altro tipo di materia, esiste nei tre diversi stati di
aggregazione: solido, liquido e gassoso, a seconda delle condizioni di
temperatura e pressione. Quando la pressione è di 1 atmosfera le trasformazioni
da ghiaccio ad acqua e da acqua a vapore avvengono senza che vi sia coinvolta
nessuna reazione chimica, poiché nessun
legame chimico viene rotto e nessun nuovo legame viene formato.
La reazione fra idrogeno e ossigeno sviluppa una gran quantità di energia,
la maggior parte della quale si presenta sotto forma di energia termica. Questo
tipo di reazione, nella quale si ha sviluppo di energia viene detta esotermica,
o esoenergetica. Quando però si è avuta la formazione delle molecole di acqua,
queste non possono essere riconvertite in idrogeno e ossigeno semplicemente
raffreddando il sistema, cioè allontanando l'energia dall'acqua appena formata.
La reazione chimica inversa, che converte l'acqua in idrogeno e ossigeno, può
essere effettuata solo fornendo alle molecole di acqua una uguale quantità di
energia (possibilmente sotto forma di energia elettrica) in modo da rompere i
legami che tengono insieme gli atomi di ossigeno e di idrogeno a formare le
molecole di acqua. Questo tipo di reazione, per il cui compimento occorre
fornire energia, viene detta endotermica, o endoenergetica (v. energia chimica;
termochimica).
Le reazioni chimiche possono essere
identificate in base ai cambiamenti delle proprietà chimiche delle sostanze
durante il corso della reazione. Ad esempio, il comune sale da cucina (cloruro
di sodio), quando viene portato a fusione, può essere decomposto nei suoi
elementi facendo passare attraverso di esso della corrente elettrica.
All'elettrodo negativo si forma del sodio metallico di colore argenteo allo
stato fuso, mentre all'elettrodo positivo si sviluppa del cloro gassoso un gas
velenoso di colore giallo verdastro. Questo tipo di reazione viene detta
decomposizione elettrica, o elettrolisi.
Molte comuni reazioni chimiche
coinvolgono l'ossigeno che è presente nell'atmosfera. Ad esempio, la formazione
della ruggine (ossido di ferro), è il risultato
dell'azione dell'ossigeno sul ferro in presenza di vapore acqueo (v.
corrosione). La benzina, sotto forma di isoottano viene bruciata con l'ossigeno
(v. combustione) nei motori per produrre biossido di carbonio (anidride
carbonica), acqua ed in più l'energia necessaria per mettere in moto il
motore. Negli animali l'ossigeno si combina con l'emoglobina del sangue nei
polmoni, dai quali esso viene fatto fluire verso ogni cellula dell'organismo. A
questo punto l'ossigeno reagisce attraverso una complicata serie di eventi, in
modo da trasformare il cibo in biossido di carbonio, acqua e in una certa
quantità di energia. Queste reazioni, che coinvolgono l'ossigeno, sono note
come reazioni di ossidazione. L'opposto della ossidazione è la riduzione,
(per una spiegazione più dettagliata, vedi ossidazione
e riduzione). La fotosintesi, un processo riduttivo, è un'altra complicata
sequenza di reazioni chimiche che permette alle piante di utilizzare l'energia
assorbita dal Sole per produrre glucosio e ossigeno. Insieme al glucosio, un
altro prodotto della reazione è l'ossigeno, che così è disponibile per
rifornire l'atmosfera.
L'ossidazione e la riduzione avvengono di solito contemporaneamente e
corrispondono rispettivamente ad un aumento e a una diminuzione dello stato di
ossidazione (cessione e acquisto di elettroni). Molte reazioni chimiche,
tuttavia, non coinvolgono cambiamenti nello stato di ossidazione degli elementi
interessati alla reazione stessa. Il più importante tipo di reazioni di questo
genere è costituito dalle cosiddette reazioni
di scambio. Anche nelle reazioni di ossidoriduzione vengono scambiati
elettroni fra due o più elementi e, quindi, anch'esse possono genericamente
essere considerate reazioni di scambio. Il più delle volte lo scambio avviene
invece fra particelle positive (ioni positivi, o cationi) o particelle negative
(ioni negativi, o anioni), i quali si scambiano di posto per formare fra i
prodotti della reazione una sostanza che si separi dalle altre, o per scarsa
solubilità, o perché gassosa. Ad esempio. il cloruro di sodio (sale da cucina)
ed il nitrato di argento formano entrambi delle
soluzioni limpide, ma se le due soluzioni vengono mescolate, si forma un solido
bianco che precipita sul fondo del recipiente. Infatti il sodio e l'argento si
scambiano di posto (sotto forma di ioni positivi) e l'argento va a sostituirsi
al sodio accanto al cloro per formare il cloruro di
argento che è una sostanza poco solubile e precipita come solido bianco.
Questo tipo di reazione di scambio, in cui si ha la formazione di un
precipitato, viene appunto detto "reazione
di precipitazione". Se invece nello scambio si forma un composto
gassoso, la reazione viene detta di "gassificazione".
Il tipo più importante di reazione di scambio è probabilmente quello che
coinvolge gli acidi e le basi. Le reazioni acido-base, o di neutralizzazione,
danno anch'esse fra i prodotti di reazione un composto molto stabile, l'acqua,
che tende a formarsi combinando i due idrogenioni e lo ione ossidrile per mezzo
di uno scambio. In chimica organica occorre distinguere due principali tipi di
reazioni: le reazioni di sostituzione,
nelle quali un atomo, o un gruppo di atomi, attaccato ad un atomo di carbonio
viene sostituito con un diverso atomo o gruppo di atomi; le reazioni di
addizione, che hanno luogo invece quando siamo in presenza di un doppio o un
triplo legame fra due atomi. La rottura di uno dei legami fra i due atomi mette
a disposizione di ciascuno di essi una nuova valenza, disponibile per l'attacco
di un nuovo atomo o gruppo di atomi.
La decomposizione del clorato di potassio per produrre ossigeno può essere
effettuata a moderate temperature mediante l'uso di un catalizzatore, per
favorire la reazione stessa. Il catalizzatore è il biossido
di manganese, che si ritrova inalterato alla fine della reazione. Di solito
un catalizzatore non partecipa alla reazione, ma si limita semplicemente a far
sì che essa avvenga con maggior rapidità.
Sebbene le reazioni chimiche siano responsabili dei processi vitali e siano
realmente utili allo sviluppo della società tecnologica, esse possono anche
produrre effetti indesiderabili. Uno dei maggiori inquinanti della società
moderna è il biossido
di zolfo, che viene prodotto quando il carbone, contenente impurezze
di zolfo, viene bruciato per produrre energia. Questo ossido, per prolungato
contatto con l'ossigeno, si trasforma in triossido
di zolfo il quale, a sua volta, reagendo con le molecole di acqua, si
trasforma in acido solforico. L'acido solforico risultante si deposita
nell'acqua piovana e può diventare pericoloso poiché può causare o aggravare
dei disturbi respiratori negli individui. L'acido
solforico provoca anche seri danni ai marmi e ai calcari usati in
molti edifici e opere storiche e artistiche. Questo problema riveste una
notevole importanza a livello mondiale per la preservazione delle opere d'arte.
Il solfato
di calcio che si forma, può successivamente sbriciolarsi o può
essere dilavato dalla pioggia; in ogni caso la pietra di deteriora. Un tipo di
reazione chimica che ha luogo costantemente nell'ambiente casalingo è l'azione
dell'acqua dura sul sapone. L'effettiva causa della durezza delle acque è la
presenza di ioni calcio provenienti dallo scioglimento del bicarbonato
di calcio solubile che si trova appunto nelle acque dure. Il sapone, che è
il sale sodico di un acido organico a catena lunga, è implicato in una reazione
di scambio con gli ioni calcio bivalenti che provoca la formazione del sapone di
calcio insolubile, che quindi precipita durante il lavaggio. Allo scopo di
addolcire l'acqua, vengono usati sistemi di scambio ionico, nelle quali gli ioni
calcio bivalenti sciolti nell'acqua vengono scambiati con due ioni sodio
monovalenti sulla zeolite dell'unità scambiatrice.
Copyright © 2002 Motta Editore
|
