Un'equazione di reazione chimica è la rappresentazione di una reazione mediante formule di sostanze, in cui il numero di atomi di ciascun elemento è uguale a sinistra e a destra. Affinché uno schema si trasformi in un'equazione, è necessario anteporre dei coefficienti alle formule: ciò è richiesto dalla legge di conservazione della massa. Qui viene spiegato in cosa differisce uno schema da un'equazione, viene fornito un algoritmo passo-passo per il bilanciamento (metallo → non metallo → idrogeno → ossigeno), una tabella dei tipi di reazioni, errori comuni e un simulatore interattivo su cui è possibile consolidare subito l'argomento.
Schema di reazione ed equazione di reazione: qual è la differenza
Quando il ferro brucia nell'ossigeno e si forma ossido di ferro(III), la prima registrazione appare così: a sinistra le formule delle sostanze iniziali, a destra le formule dei prodotti, tra di esse una freccia. Questo è uno schema di reazione.
Lo schema non è ancora un'equazione. Dice cosa si trasforma in cosa, ma non dice quanto di ciascuna sostanza viene preso: il numero di atomi di ferro e ossigeno nella parte sinistra e destra è diverso. Secondo la legge di conservazione della massa, ciò non può accadere.
La registrazione diventa un'equazione di reazione quando vengono anteposti dei coefficienti alle formule: numeri che bilanciano il numero di atomi di ciascun elemento. Confronta le due registrazioni della stessa reazione.
| Atomo | Sinistra | Destra |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 2 | 3 |
| Atomo | Sinistra | Destra |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 4 | 4 |
| $\mathrm{O}$ | 6 | 6 |
Legge di conservazione della massa: perché servono i coefficienti
La legge di conservazione della massa delle sostanze fu formulata da M. V. Lomonosov (1748) e successivamente confermata indipendentemente da A. Lavoisier: la massa delle sostanze che hanno reagito è uguale alla massa delle sostanze che si sono formate.
La ragione è semplice: durante una reazione chimica, gli atomi non scompaiono né appaiono dal nulla. I legami vecchi si rompono, se ne formano di nuovi, e gli atomi stessi si riorganizzano. Quanti atomi di ferro c'erano prima della reazione, tanti ne rimarranno dopo — semplicemente ora fanno parte di un'altra sostanza.
Da qui deriva il requisito principale per l'equazione: il numero di atomi di ciascun elemento a sinistra deve essere uguale al numero di atomi di quell'elemento a destra. L'unico modo legittimo per ottenerlo è scegliere i coefficienti.
Il coefficiente viene posto davanti alla formula e moltiplica tutti gli atomi in essa contenuti, compresi gli atomi all'interno delle parentesi. Ad esempio, la notazione \(\mathrm{3Ca(OH)_2}\) significa tre unità formula di idrossido di calcio: atomi di \(\mathrm{Ca}\) — 3, atomi di \(\mathrm{O}\) — 6, atomi di \(\mathrm{H}\) — 6. Il coefficiente 1 non viene scritto, ma è sottinteso.
Come bilanciare i coefficienti in un'equazione di reazione: algoritmo
Il bilanciamento dei coefficienti non è un'estrazione a caso, ma una procedura breve. L'ordine è importante: prima si bilanciano gli elementi che si trovano esattamente in una sostanza a sinistra e in una a destra, e solo dopo idrogeno e ossigeno — questi di solito sono distribuiti in più sostanze e vengono aggiustati per ultimi.
L'ordine scolastico si ricorda con la catena: metallo → non metallo → idrogeno → ossigeno. Sei passi dell'algoritmo — di seguito.
Se a un certo passo si ottiene un coefficiente frazionario (ad esempio, 3/2 davanti a una molecola biatomica di un gas), non è un errore né un vicolo cieco: porta a termine il bilanciamento, e poi moltiplica tutti i coefficienti per 2 — le frazioni scompariranno, l'equilibrio si manterrà.
Nelle classi superiori, per le reazioni di ossidoriduzione viene aggiunto un metodo più potente: il metodo del bilancio elettronico. Si basa sul grado di ossidazione, ma le reazioni di doppio scambio e di sintesi vengono ancora bilanciate proprio con questo semplice algoritmo.
Perché non si possono modificare gli indici nelle formule delle sostanze
Questo è l'errore numero uno per gli studenti dell'ottava classe. Nello schema \(\mathrm{Na + Cl_2 \rightarrow NaCl}\) il cloro non è bilanciato: a sinistra 2 atomi, a destra 1. La tentazione è forte: aggiungere un indice e ottenere \(\mathrm{NaCl_2}\). Gli atomi si bilancerebbero formalmente, ma la sostanza scritta non esiste: il cloruro di sodio ha formula \(\mathrm{NaCl}\), e nessun'altra.
L'indice è parte della formula. È determinato dalla composizione della sostanza, cioè dalla valenza e dal grado di ossidazione degli elementi, e non si può scegliere a piacimento. Modificando l'indice, si modifica la sostanza stessa: \(\mathrm{H_2O}\) è acqua, mentre \(\mathrm{H_2O_2}\) è perossido di idrogeno, un composto completamente diverso con proprietà diverse.
Il coefficiente è un moltiplicatore davanti alla formula. Indica solo la quantità di particelle, non la loro composizione, quindi è consentito bilanciare esclusivamente con i coefficienti.
La risposta corretta per lo schema sopra è: \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\). Sodio 2 e 2, cloro 2 e 2, le formule non sono state modificate.
Tipi di reazioni chimiche
Le equazioni vengono classificate in base a quante sostanze reagiscono e quante se ne ottengono. Nella scuola primaria si distinguono quattro tipi: sintesi, decomposizione, sostituzione e doppio scambio.
È utile determinare il tipo prima di bilanciare i coefficienti: suggerisce quali sostanze si troveranno nella parte destra e quante ce ne saranno, aiutando così a non commettere errori nello schema stesso.
| Tipo di reazione | Schema generale ed esempio |
|---|---|
| Sintesi | $\mathrm{A + B \rightarrow AB}$$\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ |
| Decomposizione | $\mathrm{AB \rightarrow A + B}$$\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$ |
| Sostituzione | $\mathrm{A + BC \rightarrow AC + B}$$\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ |
| Doppio scambio | $\mathrm{AB + CD \rightarrow AD + CB}$$\mathrm{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O}$ |
Somma dei coefficienti in un'equazione di reazione chimica
Nei test e nei compiti in classe viene spesso chiesta non l'intera equazione, ma la somma dei coefficienti — è un modo rapido per verificare se è stata scritta correttamente. Si calcola semplicemente: si sommano tutti i coefficienti della parte sinistra e destra.
Per l'equazione \(\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}\) la somma è 4 + 3 + 2 = 9.
Tre punti in cui si perdono più spesso punti:
- l'uno invisibile conta anch'esso. Nell'equazione \(\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}\) tutti e tre i coefficienti sono uguali a 1, quindi la somma è 3;
- gli indici non rientrano nella somma — si sommano solo i numeri davanti alle formule;
- i coefficienti devono essere i più piccoli numeri interi. La registrazione \(\mathrm{4Na + 2Cl_2 \rightarrow 4NaCl}\) è corretta per quanto riguarda gli atomi, ma tutti i numeri sono divisibili per 2, quindi viene semplificata in 2, 1, 2 — e la somma corretta è 5, non 10.
Calcoli basati su equazioni di reazioni chimiche: i coefficienti sono moli
I coefficienti non servono solo per bilanciare gli atomi. Indicano il rapporto tra le quantità delle sostanze (in moli) in cui le sostanze reagiscono e si formano. Questo è il ponte verso i problemi di calcolo.
L'equazione \(\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}\) si legge così: 1 mole di azoto reagisce con 3 moli di idrogeno e produce 2 moli di ammoniaca. Il rapporto 1 : 3 : 2 si mantiene con qualsiasi quantità di sostanza.
Da qui il normale schema di calcolo basato sull'equazione: convertire la massa o il volume dato in quantità di sostanza, trovare la quantità della sostanza cercata in base ai coefficienti e tornare alla massa o al volume. I problemi di calcolo stessi sono già un argomento separato e ampio, ma inizia sempre qui: con coefficienti bilanciati in modo errato, qualsiasi calcolo di questo tipo darà una risposta errata.
Esempi di bilanciamento dei coefficienti
Esempio 1. Combustione del metano
Problema: bilanciare i coefficienti nello schema \(\mathrm{CH_4 + O_2}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{CO_2 + H_2O}\).
Passo 1–2. Contiamo gli atomi. A sinistra: carbonio 1, idrogeno 4, ossigeno 2. A destra: carbonio 1, idrogeno 2, ossigeno 2 + 1 = 3.
Passo 3. Non ci sono metalli nello schema — passiamo subito al non metallo.
Passo 4. Carbonio: 1 a sinistra e 1 a destra, già bilanciato.
Passo 5. Idrogeno: a sinistra 4, a destra 2 — mettiamo il coefficiente 2 davanti all'acqua, l'idrogeno a destra diventa 4. Ora l'ossigeno: a destra 2 (in \(\mathrm{CO_2}\)) + 2 (in due \(\mathrm{H_2O}\)) = 4 atomi, a sinistra 2 — mettiamo 2 davanti a \(\mathrm{O_2}\).
Passo 6. Non ci sono frazioni. Verifica: carbonio 1 e 1, idrogeno 4 e 4, ossigeno 4 e 4.
Risposta: \(\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}\), somma dei coefficienti 1 + 2 + 1 + 2 = 6.
Esempio 2. Alluminio e acido solforico
Problema: bilanciare i coefficienti nello schema \(\mathrm{Al + H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + H_2}\).
Passo 3. Iniziamo dal metallo. Alluminio a sinistra 1, a destra 2 — mettiamo 2 davanti ad \(\mathrm{Al}\).
Passo 4. Il residuo acido \(\mathrm{SO_4}\) è comodo da considerare come un blocco unico: a destra ce ne sono 3, a sinistra 1 — mettiamo 3 davanti ad \(\mathrm{H_2SO_4}\).
Passo 5. Idrogeno: a sinistra sono diventati 3 · 2 = 6 atomi, quindi a destra servono 3 molecole di \(\mathrm{H_2}\). L'ossigeno lo verifichiamo per ultimo: a sinistra 3 · 4 = 12, a destra 3 · 4 = 12.
Passo 6. Verifica per tutti gli elementi: alluminio 2 e 2, zolfo 3 e 3, ossigeno 12 e 12, idrogeno 6 e 6.
Risposta: \(\mathrm{2Al + 3H_2SO_4}\) \(\rightarrow\) \(\mathrm{Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}\), somma dei coefficienti 2 + 3 + 1 + 3 = 9.
Esempio 3. Quando appare una frazione
Problema: bilanciare i coefficienti nello schema \(\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\).
Passo 3. Metallo: ferro un atomo a sinistra e uno a destra — per ora bilanciato.
Passo 4. Cloro: a sinistra gli atomi vanno a coppie, a destra ce ne sono 3. Per ottenere 3 atomi, davanti a \(\mathrm{Cl_2}\) serve un coefficiente 3/2 — otteniamo \(\mathrm{Fe + 1{,}5Cl_2 \rightarrow FeCl_3}\). Gli atomi si sono bilanciati, ma non è consuetudine lasciare un coefficiente frazionario nella risposta.
Passo 6. Moltiplichiamo tutti i coefficienti per 2: ferro 1 · 2 = 2, cloro 1,5 · 2 = 3, prodotto 1 · 2 = 2.
Verifica: ferro 2 e 2, cloro 6 e 6.
Risposta: \(\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}\), somma dei coefficienti 2 + 3 + 2 = 7.
Errori comuni nel bilanciamento dei coefficienti
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"Ho bilanciato" modificando la formula della sostanza: per bilanciare gli atomi nello schema della combustione dell'idrogeno, si aggiunge un indice e si ottiene perossido di idrogeno invece di acqua.
\(\mathrm{H_2O_2}\) è una sostanza diversa, e la reazione sarebbe stata diversa. Gli indici sono intoccabili, sono determinati dalla composizione della sostanza. La risposta corretta si ottiene solo con i coefficienti: \(\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}\).
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Il coefficiente viene posto all'interno della formula: si scrive $\mathrm{Na2Cl}$ invece di $\mathrm{2NaCl}$.
Il coefficiente si pone solo davanti all'intera formula e si riferisce all'intera sostanza. Il numero all'interno della formula è già un indice, cioè una composizione diversa. Se davanti alla formula non è scritto nulla, il coefficiente è uguale a 1.
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Si dimentica che il coefficiente moltiplica tutti gli atomi della formula: nella notazione $\mathrm{2H_2SO_4}$ si contano 2 atomi di idrogeno.
Bisogna moltiplicare ogni indice: in \(\mathrm{2H_2SO_4}\) gli atomi di idrogeno sono 2 · 2 = 4, di zolfo 2 · 1 = 2, di ossigeno 2 · 4 = 8. Lo stesso vale per le parentesi: in \(\mathrm{2Ca(NO_3)_2}\) l'azoto è 2 · 2 = 4, l'ossigeno 2 · 6 = 12.
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Si inizia a bilanciare dall'ossigeno o dall'idrogeno.
L'ossigeno e l'idrogeno entrano in più sostanze, quindi i loro coefficienti si scombineranno dopo ogni passo successivo. L'ordine metallo → non metallo → idrogeno → ossigeno fa risparmiare tempo: alla fine rimane solo un elemento da aggiustare.
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Si abbandona il bilanciamento vedendo un coefficiente frazionario, o si lascia la frazione nella risposta.
La frazione è un risultato intermedio normale. Porta a termine il bilanciamento, e poi moltiplica tutti i coefficienti per il denominatore della frazione, di solito per 2. L'equilibrio degli atomi non verrà disturbato, e i numeri diventeranno interi.
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Si calcola la somma dei coefficienti, saltando le unità invisibili.
Il coefficiente 1 non viene scritto, ma nella somma partecipa. Nell'equazione \(\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}\) la somma è 2 + 1 + 2 = 5, non 4.
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Non si fa la verifica finale e si consegna un'equazione in cui non ogni elemento è bilanciato.
L'ultimo passo dell'algoritmo è obbligatorio: scorri tutti gli elementi in ordine e confronta il numero di atomi a sinistra e a destra. L'errore si nasconde più spesso nell'ossigeno, perché viene contato per ultimo.
Domande e risposte
In cosa differisce uno schema di reazione da un'equazione di reazione?
Uno schema di reazione mostra solo quali sostanze reagiscono e quali si ottengono: formule a sinistra, formule a destra, tra di esse una freccia. Diventa un'equazione dopo il bilanciamento dei coefficienti, quando il numero di atomi di ciascun elemento a sinistra è uguale al numero di atomi a destra. In parole povere, lo schema risponde alla domanda "cosa si trasforma in cosa", mentre l'equazione risponde anche alla domanda "quanto".
Cos'è un coefficiente in un'equazione di reazione e in cosa differisce da un indice?
Il coefficiente è un numero davanti alla formula di una sostanza, indica la quantità di particelle e moltiplica tutti gli atomi della formula, compresi gli atomi tra parentesi. L'indice è un piccolo numero in basso a destra all'interno della formula, indica la composizione della sostanza stessa. Durante il bilanciamento si scelgono i coefficienti, mentre gli indici non si possono modificare: modificando un indice, si ottiene una sostanza diversa e una reazione diversa.
Come trovare la somma dei coefficienti in un'equazione di reazione chimica?
Prima bilancia correttamente i coefficienti, e poi somma tutti i numeri davanti alle formule nella parte sinistra e destra. Il coefficiente 1 non viene scritto, ma nella somma viene considerato. Gli indici non rientrano nella somma. E i coefficienti devono essere i più piccoli numeri interi: se sono tutti divisibili per un fattore comune, l'equazione deve essere semplificata, altrimenti la somma risulterà gonfiata.
Con quale elemento si inizia a bilanciare i coefficienti?
Con quello che si trova esattamente in una sostanza a sinistra e in una a destra. In pratica, è l'ordine metallo → non metallo (eccetto idrogeno e ossigeno) → idrogeno → ossigeno. L'ossigeno e l'idrogeno si lasciano per ultimi, perché entrano in più sostanze e si adattano ai coefficienti già trovati.
È possibile usare coefficienti frazionari?
Nei calcoli intermedi — sì, è un metodo comodo: davanti a una molecola biatomica di un gas si ottiene spesso 3/2 o 5/2. Ma nella risposta finale i coefficienti devono essere interi, quindi alla fine tutti i coefficienti dell'equazione vengono moltiplicati per il denominatore della frazione, di solito per 2. L'equilibrio degli atomi non viene alterato da questo.
Quali tipi di reazioni chimiche esistono?
In base al numero e alla composizione delle sostanze iniziali e dei prodotti, si distinguono quattro tipi principali: sintesi (da più sostanze si ottiene una), decomposizione (da una sostanza si ottengono più), sostituzione (una sostanza semplice sposta un elemento da una complessa) e doppio scambio (due sostanze complesse si scambiano parti). A parte, le reazioni si dividono in ossidoriduzioni e quelle che avvengono senza variazione dei gradi di ossidazione, nonché in esotermiche ed endotermiche.
Come fare un calcolo basato su un'equazione di reazione chimica?
I coefficienti dell'equazione stabiliscono il rapporto tra le quantità di sostanze in moli. L'ordine è questo: scrivere l'equazione e bilanciare i coefficienti, convertire la massa o il volume noto in quantità di sostanza, trovare la quantità della sostanza cercata in base al rapporto dei coefficienti, e poi riconvertirla in massa o volume. Se i coefficienti sono bilanciati in modo errato, anche l'intero calcolo sarà errato.
Perché nell'equazione si usa il segno di uguale, mentre nello schema una freccia?
La freccia significa "si trasforma in" e ammette che gli atomi non siano ancora bilanciati. Il segno di uguale indica che entrambe le parti sono effettivamente uguali per numero di atomi di ciascun elemento, cioè la legge di conservazione della massa è soddisfatta, quindi l'uguale si usa solo dopo aver bilanciato i coefficienti. Nella pratica scolastica, la freccia viene spesso mantenuta anche nell'equazione completata — non è un errore, se l'equilibrio è stato raggiunto.
