24-25 maggio: Osservare e interpretare reazioni chimiche

Data pubblicazione: May 25, 2011 6:11:4 PM

In questa attività facciamo riferimento ad un caso concreto praticato in laboratorio il 17 e il 18 maggio scorso:

Consideriamo, ad esempio, la reazione tra cloro elementare in soluzione acquosa (acqua di cloro) e la sostanza composta ioduro di potassio (prima reazione del video, in cui iodide = ioduro, chlorine = cloro).

Il fatto che le due sostanze abbiano animato effettivamente una reazione chimica lo si deduce dal cambiamento di colore.

OSSERVAZIONI

Su ciò che si osserva tutti sono d'accordo, dagli studenti del 1°E al premio nobel per la chimica:

con il mescolamento delle due soluzioni, quella quasi incolore di cloro e quella incolore di ioduro di potassio, si ha la formazione di una colorazione marrone.

Sulle interpretazioni ci sono invece diversi livelli che riguardano le sostanze, gli atomi, le molecole, gli ioni e le spiegazioni profonde di ciò che accade.

SPIEGAZIONI

COSA SUCCEDE ALLE SOSTANZE, primo livello

È avvenuta una trasformazione chimica, testimoniata dalla comparsa di un colore marrone. Il colore è dovuto alla formazione di almeno una nuova sostanza che ha quel colore, generata dalla trasformazione di entrambe le sostanze reagenti.

Questa deduzione è poco precisa, poiché non dice nulla delle specifiche sostanze che abbiamo fatto reagire e quelle che possiamo aver ottenuto. Esistono molte reazioni chimiche diverse in cui da due liquidi incolori si ottiene un liquido marrone.

COSA SUCCEDE ALLE SOSTANZE, secondo livello

Le due sostanze mescolate, cloro elementare e ioduro di potassio, hanno formato due nuove sostanze, che sono iodio elementare (quella marrone) e cloruro di potassio (incolore), che sono rimaste nella soluzione acquosa.

Questa descrizione più dettagliata richiede la conoscenza: a) del comportamento chimico degli alogeni e in particolare della loro tendenza a trasformarsi in alogenuri e b) sapere che le soluzioni acquose di iodio elementare hanno proprio quel colore marrone. La deduzione potrebbe essere confermata facendo analisi chimiche specifiche per il cloruro e per lo iodio elementare. Queste analisi sarebbero delle prove definitive che i prodotti formati sono proprio lo iodio e il cloruro di potassio. Infine potremmo estrarre lo iodio ed evaporare la soluzione acquosa e ottenere il cloruro di potassio puro e lo iodio puro; quindi potremmo confrontare qualunque proprietà delle due sostanze preparate in laboratorio con quelle delle sostanze pure provenienti da fornitori di prodotti chimici, e verificarne l'esatta corrispondenza.

COSA SUCCEDE AD ATOMI, MOLECOLE, IONI

gli ioni ioduro negativi cedono il loro elettrone in più agli atomi del cloro, provenienti dalle molecole biatomiche di cloro. Gli atomi del cloro diventano così ioni cloruro. Gli ioni ioduro avendo perduto l'elettrone si trasformano in atomi di iodio normali (neutri), che andranno a formare le molecole biatomiche dello iodio. Gli ioni positivi di potassio, invece, non subiscono nessun cambiamento.

Gli atomi sono chiaramente invisibili. Se siamo in grado di dire tutto ciò è grazie a diversi scienziati, come Rutherford e Bohr, che circa un secolo fa hanno svelato la struttura degli atomi. Possiamo comunque introdurre un disegno che spiega lo scambio dell'elettrone:

SPIEGAZIONE CON FORMULE è la più usata perché è sintetica e comprende le sostanze e gli atomi

K⁺I^-(aq) + Cl₂(aq) → I₂(aq) + K⁺Cl^-(aq)

Questa è un'equazione di reazione. In essa le sostanze reagenti (a sinistra della freccia) e quelle prodotte (a destra della freccia) sono rappresentate dalle rispettive formule. Come già sappiamo, se dopo il simbolo dell'elemento c'è un numero al pedice (come il 2 a destra del cloro) ciò significa che nella molecola sono contenuti due atomi di quell'elemento. Per questo scriviamo H₂O e non HO per indicare l'acqua. Questi numeri sono chiamati indici. L'indicazione (aq) serve a precisare che la sostanza reagisce in soluzione acquosa. Altri simboli (g), (l), (s) significano rispettivamente gas, liquido, solido. Per le sostanze formate da ioni, come lo ioduro di potassio, le cariche degli ioni di solito non sono indicate e si scrive KI e KCl piuttosto che K⁺I^- e K⁺Cl^-. In questo caso l'equazione diventa:

KI(aq) + Cl₂(aq) → I₂(aq) + KCl(aq)

L'equazione di reazione può anche essere bilanciata, cioè riportare uno stesso numero di atomi di ciascun elemento nei reagenti e nei prodotti. Per esempio nei reagenti abbiamo un solo atomo di iodio (nella formula KI), mentre lo iodio è prodotto a coppie, I₂. Per bilanciare lo iodio dovremo impiegare due unità di KI. Lo stesso vale per i due atomi di cloro nella molecola di Cl₂, che dovranno andare in due unità distinte di KCl. Tutto ciò si può descrivere così:

KI(aq) + KI(aq) + Cl₂(aq) → I₂(aq) + KCl(aq) + KCl(aq)

piuttosto che ripetere le formule delle sostanze si preferisce introdurre dei coefficienti che, come in algebra, significano prendere un dato numero delle unità che seguono:

2 KI(aq) + Cl₂(aq) → I₂(aq) + 2 KCl(aq)

Come si sarà già compreso, il significato del numero 2 come coefficiente è completamente diverso dal ₂ usato come indice.

SPIEGAZIONI PIÙ PROFONDE ci chiediamo perché accade tutto ciò

Perché l'elettrone extra dell'atomo di iodio, che raggiunge l'ottetto completo nello strato di valenza, dovrebbe abbandonare l'atomo che lo attrae a sé e passare ad un altro atomo, come quello di cloro?

Se ciò accade è perché evidentemente gli atomi del cloro hanno maggiore affinità per l'elettrone degli atomi dello iodio.

Ciò è confermato dai valori sperimentali: 349 kJ/mol per il cloro e 295 kJ/mol per lo iodio.

SPIEGAZIONE ANCORA PIÙ PROFONDA

Perché il cloro vince la competizione per l'elettrone con lo iodio? Cosa ha di speciale l'atomo del cloro?

Ciò accade perché gli atomi di cloro e iodio, pur avendo un nòcciolo con la stessa carica (circa +7), hanno dimensioni molto diverse: 99 picometri (miliardesimi di millimetro) per l'atomo di cloro e 133 pm per quello di iodio (vedere l'andamento periodico dei raggi atomici su webelements), perciò gli elettroni di valenza -compreso quello extra - sono attratti da una minore distanza dal centro e sappiamo che, per la legge di Coulomb, dimezzando la distanza, la forza di attrazione si quadruplica.

Per la stessa identica ragione l'energia di ionizzazione del cloro (12,97 eV) è maggiore di quella dello iodio (10,45 eV).

SPIEGAZIONE A PARTIRE DALLE CAUSE PRIME

Perché l'atomo di iodio è più grande di quello di cloro? In ultima analisi ciò si verifica perché lo iodio ha molti più protoni: 53, del cloro, che ne ha 17. Perciò, in base al modello di Bohr di atomo e di sistema periodico, i 17 elettroni del cloro si disporranno su due strati di elettroni interni (nel nòcciolo) e nello strato di valenza, mentre nell'atomo di iodio avremo quattro strati nel nocciolo più lo strato esterno. Dato che gli strati elettronici non possono compenetrarsi (si respingono), nonostante la maggior attrazione del nucleo +53 causi un restringimento degli strati più interni, alla fine avremo un atomo più grande.

Se siete arrivati a capire ed avere una visione d'insieme di tutti questi livelli di spiegazione e dei collegamenti tra di essi, significa che avete raggiunto una buona comprensione della chimica degli alogeni, che vi frà meglio apprezzare questo bel video.