Stechiometria

Cosa è la stechiometria? La stechiometria si occupa di rispondere a domande come quella posta nell'introduzione a questa sezione: è risaputo che l'acqua è formata da atomi di idrogeno e ossigeno. Ma di quanto idrogeno e di quanto ossigeno ho bisogno per preparare esattamente 1 grammo di acqua?

Secondo la IUPAC:

il termine stechiometria si riferisce alla relazione sussistente tra le quantità delle sostanze che reagiscono assieme in una particolare reazione, e le quantità di prodotti che si formano.

E ancora con il termine equazione stechiometrica si intende

un'equazione chimica del tipo: a A + b B → c C + d D la quale fornisce l'informazione che a moli di A reagiscono con b moli di B a dare c moli di C e d moli di D.

Una equazione è detta quindi stechiometrica o bilanciata quando ogni sostanza è preceduta da un coefficiente stechiometrico tale che l'equazione nel suo insieme soddisfi la legge di Lavoisier.

Si consideri la reazione: $H_{2(g)}+O_{2(g)}\rightarrow H_{2}O_{(l)}$ Questa reazione dà un'informazione di tipo qualitativo: ci dice che per reazione diretta tra idrogeno e ossigeno gassosi si può ottenere acqua liquida. Non vengono date, invece, informazioni di tipo quantitativo. Questo perché i coefficienti stechiometrici della reazione (in questo caso tutti uguali a 1) non sono tali da rendere soddisfatta la legge di Lavoisier. Come in questo caso, spesso capita di conoscere i reagenti e prodotti di una certa reazione, ma non i rapporti tra le quantità di reagenti e prodotti. La stechiometria si occupa di calcolare questi rapporti tramite un processo chiamato bilanciamento di reazione.

Bilanciamento di reazioni

Il bilanciamento di reazione prevede che siano soddisfatte le seguenti leggi di conservazione:

• La legge di Lavoisier: se abbiamo un certo numero di atomi di un elemento a sinistra dell'equazione di reazione, a destra ne dovremo avere la stessa quantità;
• La legge di conservazione della carica elettrica: la somma delle cariche elettriche presenti a sinistra dell'equazione di reazione dev'essere pari alla somma delle cariche elettriche presenti a destra dell'equazione di reazione.

Affinché tali leggi siano rispettate si agisce solo sui coefficienti stechiometrici. Quando si agisce affinché sia rispettata la legge di Lavoisier si parla di bilanciamento di massa o delle masse; se si agisce, invece, affinché sia rispettata la legge di conservazione della carica elettrica si parla di bilanciamento delle cariche. Solitamente il bilanciamento di massa è quello che viene effettuato per primo.

Bilanciare una reazione può essere facile nel caso in cui la reazione coinvolga un numero esiguo di reagenti e prodotti.

Riprendendo la reazione summenzionata:

$H_{2(g)}+O_{2(g)}\rightarrow H_{2}O_{(l)}$

si nota che la legge di Lavoisier è bilanciata nel caso dell'idrogeno: ne abbiamo due atomi tra i reagenti e due atomi tra i prodotti. Lo stesso non può dirsi per l'ossigeno: abbiamo due atomi tra i reagenti e uno fra i prodotti. Per bilanciare la reazione è sufficiente dimezzare il coefficiente stechiometrico dell'ossigeno:

$H_{2(g)}+{\frac {1}{2}}O_{2(g)}\rightarrow H_{2}O_{(l)}$

o, equivalentemente (vedi la precisazione):

$2H_{2(g)}+O_{2(g)}\rightarrow 2H_{2}O_{(l)}$

È immediato notare che, essendo tutti i reagenti e tutti i prodotti molecole elettricamente neutre, il bilanciamento delle cariche è soddisfatto qualsiasi siano i coefficienti stechiometrici assegnati a reagenti e prodotti.

Bilanciare una reazione può diventare più complesso nel caso in cui ci siano numerosi reagenti e/o prodotti, o nel caso in cui siano presenti ioni. Al fine di bilanciare agevolmente le reazioni chimiche è bene seguire alcune linee guida.

Una precisazione

È consuetudine fortemente consolidata bilanciare le reazioni in modo tale che i coefficienti stechiometrici siano tutti interi. Questo permette di evitare calcoli frazionari talora complessi e di utilizzare numeri che la nostra mente realizza immediatamente. Per raggiungere questo obiettivo si può effettuare il bilanciamento usando coefficienti stechiometrici frazionari e poi moltiplicare i coefficienti di tutti i reagenti e prodotti per il minimo comune multiplo di tutti i denominatori.

Nel precedente esempio si è passati dall'equazione:

$H_{2(g)}+{\frac {1}{2}}O_{2(g)}\rightarrow H_{2}O_{(l)}$

all'equazione:

$2H_{2(g)}+O_{2(g)}\rightarrow 2H_{2}O_{(l)}$

semplicemente moltiplicando tutti i coefficienti di reazione per 2.

Bilanciamento di massa

Generalmente si comincia il bilanciamento di massa col bilanciare metalli e/o non metalli, ad eccezione di idrogeno e ossigeno. Questo perché (generalmente) essi fanno parte di un minor numero di reagenti e prodotti. Successivamente si passa a bilanciare eventuali anioni che compaiono sia a destra che a sinistra dell'equazione chimica. Infine, si bilanciano gli atomi di ossigeno e idrogeno. Seguono alcuni esempi:

Bilanciamo la reazione:

$H_{2(g)}+N_{2(g)}\rightarrow NH_{3(g)}$

Non sono bilanciati né l'idrogeno, né l'azoto:

• Idrogeno: nei reagenti, 2; nei prodotti, 3;
• Azoto: nei reagenti, 2; nei prodotti, 1;

Per bilanciare la reazione si può pensare di agire sui coefficienti dei soli reagenti lasciando unitario il coefficiente dell'unico prodotto. Per bilanciare la reazione è necessario che il coefficiente dell'idrogeno sia 3/2 e quello dell'azoto sia 1/2.

${\frac {3}{2}}H_{2(g)}+{\frac {1}{2}}N_{2(g)}\rightarrow NH_{3(g)}$

Il bilanciamento è completo:

• Idrogeno: nei reagenti, 3; nei prodotti, 3;
• Azoto: nei reagenti, 1; nei prodotti, 1;

Come precisato prima, si può pensare di rendere interi tutti i coefficienti di reazione moltiplicandoli tutti per 2:

$3H_{2(g)}+N_{2(g)}\rightarrow 2NH_{3(g)}$

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Wikipedia

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