REAZIONI CHIMICHE E BILANCIAMENTO - Prof. Enrico Maria Bruti
La Valenza
La valenza è il numero di legami che un atomo può formare. La valenza è in stretta relazione con il numero
di elettroni presenti nel livello elettronico più esterno di un atomo. Disegnando la formula di Lewis di un
atomo è immediato sapere quanti legami un atomo può formare.
Essendo la configurazione elettronica una proprietà periodica, analizzando la Tavola Periodica è immediato
sapere quanti legami un atomo può formare.
Gruppo
I (H, Li…)
II (Be, Mg …)
III (B, Al…)
Elettroni più esterni
1
2
3
Valenza
1
2
3
Dal quarto gruppo in poi possono presentarsi valenze multiple. Questo perché le coppie di elettroni che si
trovano all’interno di un orbitale non possono essere separate. In breve, colonne pari possono avere solo
valenze pari e colonne dispari solo valenze dispari.
Gruppo
IV
V
VI
VII
Elettroni più esterni
4 (2+2)
5 (1+2+2)
6 (2 +2+2)
7 (1+2+2+2)
Valenza
2, 4
1, 3, 5
2, 4, 6
1, 3, 5, 7
Solo l’Ossigeno, del 6° gruppo utilizza sempre e so lo 2 soli elettroni, quindi ha sempre valenza 2.
Gli elementi dell’8° gruppo non reagiscono mai, qui ndi non hanno valenza.
Numero di ossidazione
Praticamente il numero di ossidazione (NO) è una valenza con il segno.
Rappresenta la valenza come se i legami fossero tutti ionici, cioè come se gli elettroni fossero tutti o ceduti o
acquistati.
Il calcolo del NO è fondamentale per sapere la valenza di un elemento con valenza multipla.
Quando si forma un legame chimico, se un atomo cede i suoi elettroni, un atomo diverso deve per forza
acquistarli. Quindi il bilancio tra elettroni ceduti e acquistati deve essere sempre uguale a zero.
Questo è il principio su cui si basa il calcolo del NO.
I metalli tendono sempre a cedere elettroni (sono elettropositivi), quindi il loro NO è sempre positivo.
L’ossigeno acquista sempre gli elettroni, quindi ha NO -2 (solo nei perossidi ha NO -1).
I non metalli acquistano o cedono a seconda che formino legami covalenti o ionici: semplicemente lo si
calcola.
Quindi la somma di tutti i numeri di ossidazione di una molecola neutra deve essere uguale a zero
Esercizio: calcoliamo il NO dello Zolfo nella seguente molecola: Na2SO3 , indichiamo con X il NO di S:
Num. Oss. di Na
Num. Oss. di O
2 * (+1) + 1 * (X) +3 * (-2) = 0
Atomi di O
Atomi di N
Atomi di Na
+2 + X – 6 = 0
X–4=0
X=+4
Quindi in questa molecola S ha numero di ossidazione +4 e valenza 4. Cioè forma 4 legami.
Nelle molecole ioniche, l’equazione non sarà uguale a zero, ma uguale alla carica della molecola.
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I COMPOSTI CHIMICI
Ossidi
Gli ossidi sono composti formati solo da due tipi di atomi: un elemento e l’ossigeno.
Se l’elemento è un Metallo si ha un Ossido basico.
Se l’elemento è un Non Metallo si ha un Ossido acido (detto Anidride nella nomenclatura tradizionale).
Si scrive sempre prima l’elemento e dopo l’ossigeno: CaO, Al2O3, N2O5.
Idruri e Idracidi
Sono composti formati solo da due tipi di atomi: un elemento e l’idrogeno.
Si scrive prima l’elemento e poi l’idrogeno. Es: NaH.
Gli idruri formati con S, F, Cl, Br e I si comportano da acidi e si chiamano idracidi. Gli idracidi, come tutti gli
acidi, si scrivono iniziando dall’H e poi il non metallo: H2S, HF, HCl, HBr, HI. Gli idracidi sono detti anche
acidi binari perché formati solo da due tipi di elementi.
Idrossidi
Sono composti formati da 3 tipi di atomi: metallo, ossigeno e idrogeno, caratterizzati dalla presenza del
gruppo OH finale. Un idrossido sarà sempre scritto nelle forma: Metallo(OH)x , dove x è la valenza del
metallo. Es: Ca(OH)2
Acidi ternari (ossiacidi o acidi ossigenati)
Sono composti formati da 3 tipi di atomi: idrogeno, Non Metallo e Ossigeno. La formula è sempre scritta in
quest’ordine. Tutti gli acidi iniziano sempre con l’H. Es: HNO3
Sali binari
I Sali sono composti caratterizzati dalla presenza contemporanea di un Metallo e un Non Metallo nella
stessa molecola.
I Sali binari sono formati solo da due tipi di elementi: un metallo e un non metallo. Prima si scrive il Metallo.
Es: NaF.
Sali ternari (Sali ossigenati)
Sono composti formati da tre tipi di elementi: Metallo, Non Metallo e Ossigeno. Sono sempre scritti in
quest’ordine. Es: NaNO3 , K2SO4 .
Sali particolari
Esistono altre classi di Sali che prendono nomi diversi a seconda della formula chimica.
Se è presente uno o più H dopo il metallo si ha un Sale Acido. Es: NaHCO3 .
.
Se è presente dell’acqua nella molecola si ha un Sale Idrato. Es: CuSO4 5H2O (il puntino se legge ‘per’.
Quest’acqua è detta ‘acqua di cristallizzazione’, perché viene inglobato nel reticolo cristallino quando il
composto solidifica).
Se sono presenti due metalli si ha un Sale Doppio. Es: NaMgPO4 . I Sali doppi sono molto frequenti nelle
rocce.
Perossidi
Sono ossidi particolari caratterizzati da un gruppo –O-O- in cui l’ossigeno è legato a se stesso. Contanto le
valenze si vede che O forma sempre 2 legami. Dal punto di vista del Num. Di Oss, invece, si fa il conto che 2
ossigeni abbiano NO -2, cioè: -2/2 = -1. Ecco perché si considera N.O. = -1.
Il perossido più conosciuto ed usato è l’acqua ossigenata, di formula H2O2.
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LE FORMULE
Quando si scrive una formula chimica tutte le valenze di ogni atomo devono essere collegate. Questa è la
legge fondamentale per scrivere le formule corrette. In pratica ogni valenza deve incastrarsi con una valenza
di un altro atomo. Se restano valenze ‘volanti’, o un atomo ha più valenze di quelle che dovrebbe avere, la
formula è sbagliata.
OSSIDI e IDRURI
Gli ossidi si formano sommando Ossigeno ad un elemento. Gli idruri sommando H ad un elemento.
Avendo l’ossigeno sempre valenza II, con gli elementi a valenza pari basta fare in modo che il numero di
valenza dell’elemento sia uguale al numero di valenze dell’ossigeno:
Ca (II) e O (II) si formerà il CaO
S (VI) e O (II) si formerà SO3
C (IV) e O (II) si formerà CO2
Con elementi a valenza dispari basta invertire le valenze tra l’elemento e O facendole diventare il numero di
atomi presenti nella molecola:
Al (III) e O (II) si avrà Al2O3 (il 2 dellO è diventato il pedice di Al e il 3 di Al è diventato il pedice di O)
N (V) e O (II) si avrà N2O5
Discorso molto più semplice per gli idruri, dove l’H ha sempre valenza 1, quindi la scrittura della formula è
imediata. Es: Ca (II) e H (I) forma CaH2 .
IDROSSIDI
Si formano facendo reagire una ossido basico con l’acqua.
Gli idrossidi sono caratterizzati dal gruppo –OH, che ha una sola valenza libera. Quindi si scrive il metallo
seguito da tanti OH quanto è la valenza del metallo:
NaOH
Ca(OH)2
Al(OH)3
ACIDI TERNARI
Gli acidi ternari si ottengono semplicemente sommando tutti gli elementi di un ossido acido e l’acqua,
scrivendo gli elementi in ordine: H, Non Metallo, Ossigeno. In caso di formula doppia la si deve dimezzare.
Es:
SO2 e H2O darà H2SO3
N2O5 e H2O darà H2N2O6 cioè due molecole di HNO3 . (H2N2O6 NON ESISTE in NATURA !!!!)
SALI
I Sali si formano dalla reazione di un acido con un idrossido.
Il metallo va sempre a sostituire gli idrogeni dell’acido, rispettando le valenze.
Se si usa un acido binario si avrà un sale binario, se si usa un acido ternario si otterrà un sale ternario.
Nella reazione tra acido e idrossido si forma sempre dell’acqua come prodotto di reazione.
Il metodo più semplice per eseguire correttamente la reazione tra un acido e un idrossido è quello detto del
‘radicale anionico’. Un acido è caratterizzato sempre dalla presenza di H. Poiché il metallo sostituisce solo
gli H, si può semplificare la scrittura di un acido ‘nascondendo’ tutto ciò che non interviene nella reazione.
Quindi tutto ciò che non è H viene posto uguale ad A. A sarebbe il radicale anionico.
Esempi:
Acido
HNO3
H2SO4
H3PO4
Scrittura semplificata
HA
H2 A
H3 A
Valenza formaledi A
1
2
3
A questo punto la reazione è esattamente simile alla formazione di un ossido, dove al posto dell’Ossigeno si
avrà A con la valenza corrispondete a quanti H abbiamo tolto.
Esempio:
Ca (II) e A (III) darà Ca3(A)2 sostituendo A con l’acido della tabella avremo: Ca3(PO4)2 .
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LE REAZIONI CHIMICHE
Una reazione chimica è una equazione che esprime la variazione dei legami chimici tra elementi o composti:
A + B + C + … D + E + F +…
Le sostanze a sinistra si chiamano Reagenti, le sostanze a destra si chiamano Prodotti. La freccia indica che
si tratta di una reazione chimica che procede da sx a dx. In seguito (prossimo anno) si vedranno frecce
anche in direzione opposta. Reazione chimica significa che i prodotti saranno sostanze diverse da quelle di
partenza. Ovvero si romperanno dei legami chimici nei reagenti e se ne formeranno di nuovi nei prodotti.
I numeri posti davanti alla molecola si chiamano ‘coefficienti’ e moltiplicano TUTTA la molecola.
Es: 2 Al2O3 significa 2 molecole di ossido di alluminio, cioè 4 atomi di Al e 6 atomi di O in tutto.
Esiste una legge fondamentale della chimica, la legge di Lavoisier, detta anche Legge della Conservazione
della Massa che afferma:
La somma delle masse dei reagenti DEVE sempre essere uguale alla somma delle masse dei prodotti.
Cioè: il numero di atomi presente nei reagenti deve essere lo stesso che ritroverò nei prodotti.
Qualunque reazione chimica deve rispettare questa legge. Solo le reazioni nucleari non rispettano questa
legge (se si considera solo la massa, in quanto in questo tipo di reazione parte della massa viene
trasformata in energia).
L’operazione di ‘sistemazione’ delle masse è detta BILANCIAMENTO.
BILANCIAMENTO
Il bilanciamento è inutile se non si sono scritti i prodotti della reazione in modo corretto.
1) La prima operazione è, dunque, quella di scrivere i prodotti della reazione correttamente, poiché non si
dovrà più intervenire sulla loro formula, ma si potrà solo modificare quante molecole si formano;
2) Si inizia a bilanciare il metallo e/o il non metallo;
3) l’acqua si bilancia sempre per ultima.
Ogni volta che si cambiano dei coefficienti occorre rifare i calcoli delle masse usando una tabellina simile:
R
P
Elemento 1
Elemento 2
….
Dove R sono i reagenti e P i prodotti.
Può accadere di intervenire più volte sullo stesso elemento, ma alla fine il numero di atomi nella colonna R
deve essere uguale al numero di atomi nella colonna P.
Per la formazione di Sali è sufficiente bilanciare la formula scritta sotto forma di radicale anionico
considerando il radicale A come un solo atomo. Si deve solo avere l’accortezza alla fine di riscrivere la
formula bilanciata sostituendo ad A il pezzo di molecola nascosto. E si formeranno tante molecole di acqua
quanti saranno i gruppi –OH nei reagenti
Esempio: Ca(OH)2 + HNO3 E’ un idrossido + acido ter.. che darà un sale ter. + acqua. Scrivo la formula come radicale anionico ed
eseguo la reazione:
Ca(OH)2 + HA Ca(A)2 + H2O
Ora bilancio:
Ca(OH)2 + 2 HA Ca(A)2 + 2 H2O
E riscrivo la formula:
Ca(OH)2 + 2 HNO3 Ca(NO3)2 + 2 H2O
Ca
A
O
H
R
1
2
2
4
P
1
2
2
4
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FORMULE DI STRUTTURA
La formula di struttura di una molecola è un tipo di formula chimica che indica sia la natura degli atomi che
compongono la molecola stessa, sia l'indicazione di come essi atomi sono legati tra loro, sia la
disposizione spaziale degli stessi.
È in effetti il miglior modo di rappresentare, su una superficie piana, la struttura atomica di una molecola.
Per disegnare la formula di struttura di una molecola occorre innanzitutto conoscere la valenza di ciascun
atomo. Nel cas o di un atomo con più valenze occorre colcolare il Numero di Ossidazione come già visto.
In seguito occorre disegnare il simbolo dell’atomo con le sue valenze (sotto forma di trattini solidi) e
collegarle con le valenze degli altri atomi che compongono la molecola.
Note:
Negli ossidi non c’è mai un legame diretto tra due metalli o due non metalli. E’ sempre l’ossigeno che fa da
ponte: Al2O3
O
Al
O
Al
O
Negli idrossidi è sufficiente disegnare il metallo al centro e collegare i gruppi –OH: Al(OH)3
OH
HO
Al
OH
Negli acidi ossigenati il Non metallo è al centro. L’idrogeno non è MAI attaccato direttamente al Non
metallo, ma ha l’ossigeno che fa da ponte: H2SO4 :
OH
O
S
O
OH
Nei Sali ternari è sufficiente disegnare la struttura dell’acido e sostituire gli H con il metallo. In caso di più
gruppi anionici, è il metallo a fare da ponte, sempre legato all’ossigeno: Questo è MgSO4
O
O
Mg
S
O
O
Nel caso di Ca(NO3)2
O
O
O
N
O
Ca
O
N
O
NOMENCLATURA
All’inizio dell’Alchimia ogni composto chimico o elemento veniva chiamato con nomi di fantasia che si
ispiravano all’aspetto, al luogo di origine, al nome delle scopritore o al suo comportamento chimico.
Al fine di razionalizzare il riconoscimento dei composti chimici e rendere universale la diffusione scientifica è
stato creata un sistema di nomenclatura che si adattava perfettamente ai composti inorganici, ma risultava
insufficiente, quando non errato, coi sistemi organici. A tale motivo il sistema di nomenclatura fu
rivoluzionato alla fine degli anni 80 dallaIUPAC (International Union of Pure and Apllied Chemistry).
Purtroppo la ricodifica del sistema organico finì con l’interessare anche i composti inorganici, avendo
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purtroppo l’effetto di peggiorare un codice che invece si adattava perfettamente alle esigenze di tutti i
chimici. Quindi tutt’ora per i composti inorganici esistono due sistemi di nomenclatura: la Tradizionale e la
Iupac. Poiché tutti i laboratori, i chimici e soprattutto i cataloghi continuano ad utilizzare la Nomenclatura
tradizionale, anche noi la utilizzeremo.
Ossidi acidi e basici
Si chiamano semplicemente: ‘Ossido acido/basico di …’ più il nome del metallo o non metallo seguito dalla
valenza in numero romano (notazione di Stock). La notazione di Stock è obbligatoria per tutti quegli
elementi che presentano una valenza multipla. Per cui MgO può essere chiamato semplicemente Ossido
basico di Magnesio, mentre As2O3 deve essere chiamato Ossido acido di Arsenico (III), in quanto se mi
fermassi solo ad Arsenico non potrei scrivere la formula corretta, non sapendo la valenza.
Gli ossidi acidi si chiamavano anche ‘Anidridi’, ma allora occorre seguire le stesse regole degli Acidi
Ossigenati descritte in seguito. Un esempio per tutti: CO2, anidride carbonica.
Idrossidi
Nomenclatura tra le più semplici. Si chiamano ‘Idrossido di ‘ seguito dal nome del metallo e dalla valenza in
numero romano come per gli ossidi basici.
Mg(OH)2 è l’idrossido di magnesio, mentre Pb(OH)4 è l’idrossido di piombo (IV)
Idracidi (acidi binari)
Sono Acidi che terminano tutti in ‘-idrico’. Quindi HCl è Acido cloridrico, H2S acido solfidrico eccetera.
Sali binari
Si usa il nome del Non metallo con desinenza sempre ‘-uro’ seguito dal nome del metallo.
NaCl è il Cloruro di Sodio. KF è il Fluoruro di Potassio. KI è Ioduro di Potassio eccetera.
Acidi ossigenati (o acidi ternari)
Per gli acidi ossigenati occorre innanzitutto ricavare sempre la valenza del non metallo. Poi si utilizza il
seguente schema:
IPO … non metallo… OSO
non metallo… OSO
non metallo… ICO
PER … non metallo… ICO
Valenza più bassa
Valenza bassa
Valenza alta
Valenza più alta
Nel caso di un elemento che non dispone di 4 valenze diverse, si parte sempre dalle valenze più basse. Solo
con la IV colonna (2 sole valenze) si usano le due righe centrali.
Esempio: HBrO4 Il Br è nella settima colonna, può avere 4 valenze diverse: 1, 3, 5 e 7. In questo composto
ha valenza 7. Quindi devo usare la riga della valenza più alta. Il nome sarà: Acido PERbromICO.
H2SO3 presenta lo zolfo con valenza 4. Lo zolfo ha 3 valenze: 2, 4 e 6. Con 4 devo usare la riga che
corrisponde alla valenza bassa. Il nome sarà: Acido solforOSO.
P.S: lo zolfo utilizza la radice latina del suo nome : solfor- (da sulfur), come l’azoto utilizza nitr- (da
nitrogenun). Quindi HNO3 sarà Acido nitrICO.
Sali ossigenati (o Sali ossigenati)
Si utilizza lo stesso criterio per gli acidi ossigenati, ma cambiano i prefissi e le desinenze e soprattutto si
deve indicare il nome del metallo:
IPO … non metallo… ITO
non metallo… ITO
non metallo… ATO
PER … non metallo… ATO
Valenza più bassa
Valenza bassa
Valenza alta
Valenza più alta
Quindi KBrO4 diventa: PERbromATO di Potassio. Mg(NO3)2 è il NitrATO di Magnesio. PbSO4 è il SolfATO di
Piombo (II). CaCO3 è il CarbonATO di Calcio.
