Le sostanze si trasformano
Che cosa succede quando metti una compressa di aspirina in un bicchiere d’acqua? Sulla superficie della compressa si formano bolle di gas che salgono verso l’alto, fino a quando la compressa scompare. Ma da dove viene il gas?Non era chiuso all’interno della compressa, e non si tratta di aria o di vapore acqueo. Il gas si é formato nel bicchiere è una nuova sostanza, l’anidride carbonica, che prima non esisteva e che si è formata durante una trasformazione. In generale, chiamiamo reazioni chimiche tutte le trasformazioni della materia durante le quali una o più sostanze scompaiono e si formano nuove sostanze. Le sostanze di partenza si chiamano reagenti e le sostanze che si ottengono dalla trasformazione sono i prodotti.
Reagenti>prodotti
La formazione di un prodotto gassoso
Esperimento!
Mettiamo in una provetta del guscio d’uovo sbriciolato, in un’altra un cucchiaino di bicarbonato di sodio e in una terza un pezzetto di magnesio. Aggiungiamo in ogni provetta la stessa quantità di aceto; osserviamo la comparsa di un’efervescenza. Le bollicine indicano la formazione di un gas, che possiede caratteristiche e proprietà diferenti dalle sostanze che abbiamo mescolato. La comparsa di una nuova sostanza gassosa indica che è avvenuta una reazione chimica.
La formazione di un prodotto solido
In qualche casomescolando due liquidi è possibile accorgersi della formazione di una sostanza solida, spesso di un colore diverso da quello delle soluzioni di partenza. La comparsa di un solido è un altro segnale che ci permette di individuare una reazione chimica. La nuova sostanza solida che si forma all’interno di un liquido viene detta precipitato, poiché generalmente precipita sul fondo del recipiente. Osserviamo questo fenomeno mescolando insieme due soluzioni acquose: una soluzione di solfato di rame e una di ammoniaca.
Le reazioni dove cambia il colore
Avrai notato che spesso imateriali cambiano colore rimanendo esposti all’aria, quando vengono mescolati oppure dopo essere stati scaldati. Quando una sostanza si trasforma in un’altra attraverso una reazione chimica, infatti, può veri carsi una variazione di colore. I cambiamenti di colore sono dovuti al fatto che i prodotti della reazione hanno un colore diverso dai reagenti.
Esperimento!
Consideriamo alcuni esempi: il ferro che arrugginisce, il tè mescolato al succo di limone, il bianco d’uovo che cuoce. In tutti questi casi il cambiamento di colore ci indica che si sono formate nuove sostanze e ci conferma che è avvenuta una reazione chimica.
Il ferro
Il thé
L'uovo
Quando le reazioni si interrompono
Osserviamo una candela che brucia: anche questa è una reazione chimica in cui i reagenti si trasformano nei prodotti. Se poniamo un bicchiere di vetro sopra alla candela accesa, vediamo che in breve tempo la fiamma si spegne. Che cosa è successo? Possiamo spiegare questo fatto considerando che una reazione può avvenire solo fino a quando sono disponibili tutti i reagenti: la candela è ancora sotto al bicchiere, ma l’ossigeno intorno alla fiamma è stato tutto consumato ed è stato sostituito da anidride carbonica e vapore acqueo. Questa osservazione ci fa comprendere un’importante caratteristica delle trasformazioni chimiche: quando anche uno solo dei reagenti si esaurisce, la reazione si interrompe.
Trasformazioni fisiche e chimiche
Immaginiamo di dimettere a scaldare sul fornello una pentola d’acqua. Allo stesso tempo poniamo una compressa effervescente in un bicchiere, anch’esso pieno d’acqua.
Le sostanze non spariscono
Osserviamo ancora una candela che brucia: noi diciamo comunemente che la candela «si consuma». Infatti nel tempo la quantità di cera diminuisce; ma dove è nita la cera? In una reazione chimica la materia scompare? Per dare risposta a questa domanda possiamomisurare lamassa deimateriali prima e dopo una reazione: prendiamo come esempio quella tra bicarbonato di sodio e aceto.
I composti sono formati da elementi
Per noi è normale considerare l’acqua una «sostanza fondamentale». L'acqua è costituita da due sostanze gassose. Con un semplice esperimento è possibile decomporre l’acqua in ossigeno e idrogeno gassosi. Tutte le sostanze che, come l’acqua, possono essere scomposte in altre sostanze più semplici attraverso una reazione chimica sono chiamate composti. Le sostanze che, come l’ossigeno e l’idrogeno, non possono più essere scomposte in sostanze più semplici sono gli elementi. Gli elementi hanno una caratteristica importante: possono unirsi tra loro per dare origine a numerosi composti, ma nelle comuni reazioni chimiche non possono trasformarsi l’uno nell’altro. Non è possibile, per esempio, trasformare l’ossigeno in idrogeno.
Il linguaggio della chimica
A partire dal Settecento i chimici iniziarono a catalogare gli elementi. A ogni elemento furono attribuiti un nome, derivato dalle caratteristiche dell’elemento stesso, e un simbolo formato da una o due lettere, di solito iniziali del nome, derivato dalla lingua greca o latina. Quei simboli costituiscono tuttora un vero e proprio linguaggio universale, una sorta di alfabeto della chimica. Il numero degli elementi presenti in natura è relativamente piccolo: sono circa un centinaio. Invece i composti generati dalle loro possibili combinazionisono tantissimi.
Gli atomi... i "mattoni" della materia
All’inizio dell’Ottocento i chimici iniziarono a porsi delle domande sulla struttura della materia. Sappiamo che ogni sostanza è formata da particelle uguali tra loro e diverse da sostanza a sostanza. Le unità fondamentali che costituiscono la materia si chiamano atomi. Più atomi, uguali o diversi tra loro, si legano insieme per formare particelle chiamate molecole. Questa è chiamata teoria atomica della materia.
Sempre più piccolo: la struttura dell'atomo
Gli elettroni sono responsabili dei legami tra atomi
Gli elettroni si muovono a grande distanza dal nucleo: se immaginiamo il nucleo grande come una mela, gli elettroni si troverebbero a circa 1 km di distanza. Essi sono disposti in zone dette gusci elettronici, via via sempre più lontani dal nucleo. Consideriamo gli elementi del primo periodo: a parte il primo guscio, che può ospitare solo due elettroni, tutti gli altri ne possono contenere no a otto. Un atomo è in una situazione stabile se il suo guscio più esterno contiene il numero massimo di elettroni, cioè se è completo. Per raggiungere la stabilità un atomo tende a riempire il suo guscio più esterno: può farlo, per esempio, condividendo coppie di elettroni con un altro atomo. I due atomi ora sono uniti da un legame chimico che si chiama legame covalente. In altri casi, per raggiungere la stabilità un atomo può completare il proprio guscio «strappando» un elettrone a un altro atomo. L’elettrone in questo caso non èmesso in comune,ma è interamente trasferito da un atomo all’altro. Si formano così due particelle elettricamente cariche, chiamate ioni: essendo di carica opposta, i due ioni si attraggono come i poli di due calamite. Questo tipo di attrazione si chiama legame ionico.
Le combustioni
Quando guardiamo un fornello acceso, stiamo osservando una reazione chimica: il gas brucia e vediamo una amma che emette luce e calore. Queste reazioni sono chiamate combustioni. Nelle combustioni i reagenti sono i combustibili e l’ossigeno contenuto nell’aria; i principali prodotti sono il diossido di carbonio e l’acqua. I combustibili, cioè i materiali che bruciano, possono essere sostanze omiscele,ma tutti hanno una caratteristica comune: sono costituiti soprattutto da atomi di carbonio e di idrogeno.
I combustibili
L'estintore
L’ossigeno contenuto nell’aria è un reagente indispensabile per le combustioni; molti estintori contengono diossido di carbonio, che serve a «sofocare» la amma riducendo la percentuale di ossigeno nell’aria.
Le equazioni di reazione
Consideriamo la reazione di combustione del metano e utilizziamo diversi linguaggi per rappresentarla. Il metano, che ha formula CH4, reagisce conle molecole di ossigeno presenti nell’aria producendo diossido di carbonio e acqua. I reagenti e i prodotti si possono indicare con il loro nome, oppure con la formula chimica, oppure ancora per mezzo di un modello a sfere. È importante contare gli atomi in modo da averne lo stesso numero sia nei reagenti sia nei prodotti: questo significa bilanciare la reazione.
Le reazioni esotermiche e endotermiche
Come la combustione, che sviluppa calore, quasi tutte le reazioni chimiche sono associate a scambi di calore con l’ambiente esterno. Se controlliamo il valore della temperatura durante diverse reazioni, ci accorgiamo che essa può aumentare o diminuire anche di parecchi gradi. Per quanto riguarda l’aspetto del calore, le reazioni chimiche si possono dunque suddividere in due categorie. Le reazioni si dicono esotermiche quando viene prodotto calore e si verifica un aumento di temperatura. Le reazioni si dicono endotermiche quando viene speso calore e si veri ca una diminuzione di temperatura.