Tipi di reazioni chimiche

Immergi un filo di rame in una soluzione di nitrato d'argento: sul filo crescono cristalli d'argento e il liquido diventa blu. Il rame ha preso il posto dell'argento.

Si conoscono milioni di reazioni, ma la maggior parte segue pochi schemi. Impararli permette di prevedere i prodotti prima di vederli. Alcuni libri di testo classificano le reazioni in base a ciò che accade alle formule: sostanze che si uniscono, si dividono o si scambiano componenti. Altri le classificano in base a ciò che accade alle particelle: formazione di solidi, trasferimento di protoni o di elettroni. I due sistemi si sovrappongono ed è utile conoscerli entrambi.

Unirsi e separarsi

In una reazione di sintesi, o combinazione, due o più sostanze si uniscono per formare un solo prodotto: A + B → AB. Azoto e idrogeno si combinano formando ammoniaca, N₂ + 3H₂ → 2NH₃, la reazione usata industrialmente per produrla. Ferro e ossigeno si combinano formando ossido di ferro(III). Una reazione di decomposizione segue il percorso inverso: una sostanza si divide in due o più sostanze, AB → A + B. Il perossido di idrogeno si decompone lentamente in acqua e ossigeno, 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂, e il calcare riscaldato in una fornace si decompone in calce e diossido di carbonio.

Scambiarsi i componenti

In una reazione di scambio semplice un elemento prende il posto di un altro elemento in un composto: A + BC → AC + B. Il rame metallico in una soluzione di nitrato d'argento è l'esempio classico, Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag. Gli atomi di rame diventano ioni di rame blu nella soluzione e gli ioni d'argento si separano come metallo. Il magnesio nell'acido cloridrico sostituisce l'idrogeno e produce effervescenza: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.

In una reazione di doppio scambio due composti si scambiano i componenti: AB + CD → AD + CB. Mescola soluzioni limpide di nitrato d'argento e cloruro di sodio: compare subito un solido bianco, perché il cloruro d'argento non si scioglie in acqua: AgNO₃ + NaCl → AgCl + NaNO₃. Una reazione che produce un solido a partire da soluzioni, come questa, si chiama reazione di precipitazione. I chimici le prevedono con le regole di solubilità, brevi elenchi che indicano quali composti ionici si sciolgono e quali no.

Combustione, neutralizzazione e trasferimento di elettroni

Una combustione è una reazione rapida di un combustibile con l'ossigeno che libera calore e, di solito, luce. Se il combustibile contiene solo carbonio e idrogeno, oppure carbonio, idrogeno e ossigeno, la combustione completa produce diossido di carbonio e acqua, come per metano, propano ed etanolo. Una neutralizzazione è la reazione di un acido con una base che produce un sale e acqua: HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Le compresse antiacido agiscono così sull'acidità dello stomaco; il corso su acidi e basi lo spiega in dettaglio.

Molti di questi schemi condividono un aspetto più profondo: gli elettroni passano da una sostanza all'altra. Quando il sodio reagisce con il cloro, ogni atomo di sodio perde un elettrone e ogni atomo di cloro ne acquista uno. La perdita di elettroni si chiama ossidazione, l'acquisto riduzione. Poiché l'una non può avvenire senza l'altra, queste reazioni sono dette di ossidoriduzione, o redox. Combustione, formazione della ruggine e scambio semplice sono tutte reazioni redox. Precipitazione e neutralizzazione non lo sono, perché nessun elemento cambia numero di ossidazione.