Reacții chimice – tipuri și clasificare

Elevii sistematizează tipurile de reacții chimice studiate și condițiile în care acestea au loc.

Reacția chimică și legea conservării masei

O reacție chimică este transformarea în urma căreia substanțele inițiale, numite reactanți, se transformă în substanțe noi, numite produși de reacție, cu proprietăți diferite.

Cum recunoști că a avut loc o reacție chimică, și nu doar un fenomen fizic: apare cel puțin unul dintre semnele reacției chimice:

• schimbarea culorii (cuiul de fier care se acoperă cu cupru roșiatic)
• degajarea unui gaz (efervescența la turnarea oțetului peste bicarbonat)
• formarea unui precipitat (soluția care se tulbură)
• degajarea sau absorbția de căldură și lumină (arderea, stingerea varului)
• apariția unui miros nou

Deosebirea de fenomenele fizice este esențială și se cere des: topirea gheții, dizolvarea zahărului, spargerea unui pahar sunt fenomene fizice — substanța rămâne aceeași. Arderea lemnului, ruginirea fierului, coacerea pâinii sunt fenomene chimice — apar substanțe noi.

Toate reacțiile respectă legea conservării masei, formulată de Lavoisier: într-o reacție chimică, masa totală a reactanților este egală cu masa totală a produșilor. Explicația modernă: atomii nu se creează și nu dispar, ci doar se rearanjează.

De aici vine obligația de a egaliza ecuațiile chimice — de a pune coeficienți astfel încât numărul de atomi din fiecare element să fie același în stânga și în dreapta:

• 2H2 + O2 → 2H2O
• CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
• 4Al + 3O2 → 2Al2O3

Regula de aur a egalizării: se schimbă doar coeficienții, niciodată indicii din formule. Dacă schimbi indicele, ai schimbat substanța: H2O este apă, iar H2O2 este cu totul altceva.

Reacții de combinare și de descompunere

Reacția de combinare (sinteză): din două sau mai multe substanțe rezultă o singură substanță nouă. Schema: A + B → AB.

Exemple din toate capitolele parcurse:

• 2Mg + O2 → 2MgO (metal + oxigen)
• S + O2 → SO2 (nemetal + oxigen)
• 2Na + Cl2 → 2NaCl (metal + nemetal)
• CaO + H2O → Ca(OH)2 (oxid bazic + apă)
• SO3 + H2O → H2SO4 (oxid acid + apă)
• CaO + CO2 → CaCO3 (oxid bazic + oxid acid)
• N2 + 3H2 → 2NH3 (sinteza amoniacului)

Semnul de recunoaștere la un item: în dreapta săgeții este un singur produs. Dacă vezi două substanțe în dreapta, nu este combinare, oricât de simplă ar părea reacția.

Reacția de descompunere: dintr-o singură substanță rezultă două sau mai multe substanțe. Schema: AB → A + B. Este exact inversul combinării și cere de obicei energie — căldură, curent electric sau lumină.

Exemple:

• CaCO3 → CaO + CO2 (descompunerea termică a calcarului, în cuptoarele de var)
• Cu(OH)2 → CuO + H2O (bazele insolubile se descompun la încălzire)
• 2H2O → 2H2 + O2 (electroliza apei, cu ajutorul curentului electric)
• 2H2O2 → 2H2O + O2 (descompunerea apei oxigenate, accelerată de un catalizator)
• 2KClO3 → 2KCl + 3O2 (metodă de laborator pentru obținerea oxigenului)

Aceste două tipuri sunt cele mai ușor de recunoscut: numeri substanțele din fiecare parte a săgeții. Confuzia apare doar atunci când elevii se uită la ce fel de substanțe sunt, în loc să numere câte sunt.

Reacții de substituție (înlocuire)

Reacția de substituție: un element (o substanță simplă) înlocuiește un alt element dintr-o substanță compusă. Schema: A + BC → AC + B.

Semnul de recunoaștere: în ambele părți ale săgeții există și o substanță simplă (un element), și una compusă.

Cele două situații care se cer în clasa a VII-a:

1. Metal activ + acid → sare + hidrogen

• Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
• Mg + H2SO4 → MgSO4 + H2↑
• 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑

2. Metal mai activ + sarea unui metal mai puțin activ → sare nouă + metal

• Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
• Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu
• Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag

Ambele se supun aceleiași reguli, dată de seria activității metalelor:

K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au

Substituția are loc doar dacă metalul care intră în reacție este la stânga (mai activ) față de cel pe care vrea să-l înlocuiască. De aici cele două verdicte cerute la itemii de tip „are loc sau nu”:

• Zn + CuSO4 — are loc, zincul este înaintea cuprului
• Cu + ZnSO4 — nu are loc, cuprul este după zinc
• Cu + HCl — nu are loc, cuprul este după hidrogen
• Ag + HCl — nu are loc, argintul este și mai departe după hidrogen

O observație de bun-simț chimic: metalele foarte active de la începutul seriei (K, Ca, Na) reacționează întâi cu apa din soluție, nu cu sarea, de aceea nu se folosesc pentru a scoate alte metale din soluțiile lor.

Reacții de schimb (dublă înlocuire)

Reacția de schimb: două substanțe compuse își schimbă între ele componentele. Schema: AB + CD → AD + CB.

Semnul de recunoaștere: toate cele patru substanțe sunt compuse — nu apare niciun element liber. Aceasta este diferența clară față de substituție și este exact ce se testează la itemii de clasificare.

Condiția obligatorie: reacția are loc doar dacă cel puțin unul dintre produși iese din soluție — un precipitat, un gaz sau apa.

Exemplele-tip, grupate după ce se formează:

Cu formare de precipitat:

• AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3
• BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4↓ + 2NaCl
• CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + Na2SO4

Cu formare de gaz:

• Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2↑
• CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑

Cu formare de apă (neutralizarea):

• HCl + NaOH → NaCl + H2O
• H2SO4 + 2KOH → K2SO4 + 2H2O

Neutralizarea este cazul particular cel mai important: este o reacție de schimb în care produsul care „iese din joc” este apa, un electrolit foarte slab.

Un item frecvent cere să explici de ce NaCl + KNO3 nu reacționează: produșii posibili, KCl și NaNO3, sunt amândoi solubili, deci în vas rămân aceiași ioni liberi ca înainte. Nu s-a format nimic care să părăsească soluția, deci nu s-a întâmplat nimic.

Metoda de lucru la clasificare, care rezolvă orice item: numeri substanțele simple. Zero substanțe simple în ambele părți înseamnă schimb; o substanță simplă de fiecare parte înseamnă substituție; o singură substanță în dreapta înseamnă combinare; o singură substanță în stânga înseamnă descompunere.

Condițiile de desfășurare a reacțiilor chimice

Nu este suficient ca două substanțe să fie compatibile chimic — reacția trebuie să aibă și condițiile potrivite. Programa cere patru factori.

1. Contactul dintre reactanți. Substanțele trebuie să se atingă. De aceea reacțiile merg mult mai bine în soluție decât între solide, iar mărunțirea accelerează procesul: pulberea de zinc reacționează mult mai repede cu acidul decât o bucată compactă, pentru că are suprafață de contact mai mare.

2. Temperatura. Aproape toate reacțiile se accelerează la încălzire, iar unele nu pornesc deloc fără căldură. Descompunerea calcarului cere temperaturi de peste 900 de grade. Invers, frigul încetinește reacțiile — exact de asta ține frigiderul alimentele proaspete: reacțiile de alterare devin mult mai lente.

3. Concentrația soluțiilor. Cu cât soluția este mai concentrată, cu atât particulele se ciocnesc mai des și reacția merge mai repede. Acidul clorhidric concentrat atacă zincul mult mai viguros decât cel diluat.

4. Catalizatorii. Un catalizator este o substanță care mărește viteza unei reacții și se regăsește nemodificată la sfârșit. Exemplul de laborator: dioxidul de mangan, MnO2, adăugat peste apă oxigenată, face să se degaje oxigen rapid, dar el nu se consumă. În organism, catalizatorii se numesc enzime.

Două precizări cerute des la teste. Prima: catalizatorul nu se consumă și nu apare printre produși — de aceea se scrie deasupra săgeții, nu în ecuație. A doua: catalizatorul nu face posibilă o reacție care oricum nu ar avea loc; el doar grăbește una care se petrece deja, poate prea lent ca să fie observată.

După efectul termic, reacțiile se împart în:

• exoterme — degajă căldură: arderile, stingerea varului, neutralizarea
• endoterme — absorb căldură: descompunerea calcarului, electroliza apei, fotosinteza

Regula practică de recunoaștere: dacă reacția are nevoie de încălzire continuă ca să meargă, este endotermă; dacă odată pornită se întreține singură, ca arderea, este exotermă.

Test — 6 întrebări ca la examen