Coefficienti stechiometrici

I rapporti quantitativi tra i reagenti e i prodotti di una reazione chimica costituiscono un aspetto fondamentale della stechiometria al fine di poter prevedere le quantità delle sostanze che reagiscono e quelle dei prodotti di reazione.

E’ quindi necessario prima di procedere a qualsiasi calcolo bilanciare la reazione chimica anteponendo a ciascuna specie un numero, detto coefficiente stechiometrico, per fare in modo che un elemento compaia lo stesso numero di volte a sinistra e a destra della reazione.

Le reazioni di ossidoriduzione vanno bilanciate seguendo due possibili metodi: il metodo del numero di ossidazione e il metodo delle semireazioni.

Molte reazioni, anche redox, tuttavia, possono essere bilanciate a vista e pertanto non è possibile fornire un metodo per il loro bilanciamento ma, al di là dell’esperienza, possono tornare utili alcune linee di carattere generale:

• Assegnare il coefficiente 1 alla specie più complesse ovvero a quelle in cui sono presenti, nella formula, il maggior numero di elementi diversi
• Bilanciare ogni singolo elemento senza mai cambiare le formule chimiche
• Eliminare eventuali coefficienti frazionari

Esempi:

Bilanciare la reazione: N₂ + O₂ → NO

La specie in cui compaiono più elementi diversi è NO a cui può essere assegnato il coefficiente 1. Pertanto la reazione bilanciata è:

½ N₂ + ½ O₂ → NO

Per eliminare i coefficienti frazionari moltiplichiamo per 2 tutte le specie presenti nella reazione:

N₂ + O₂ → 2 NO

Bilanciare la reazione:

N₂ + O₂ → N₂O₃

La specie in cui compaiono più elementi diversi è N₂O₃ a cui può essere assegnato il coefficiente 1.

N₂ + O₂ →1 N₂O₃

A sinistra compaiono 2 atomi di azoto e a destra pure quindi la reazione è bilanciata per l’azoto. Tuttavia a sinistra vi sono 2 atomi di ossigeno e a destra 3 quindi anteponiamo a O₂ il coefficiente 3/2

N₂ + 3/2 O₂ → 1 N₂O₃

Per eliminare i coefficienti frazionari moltiplichiamo per 2 tutte le specie presenti nella reazione:

2 N₂ + 3 O₂ → 2 N₂O₃

Bilanciare la reazione:

C₆H₁₂O₆ + O₂ → CO₂ + H₂O

La specie in cui compaiono più elementi diversi è C₆H₁₂O₆ a cui può essere assegnato il coefficiente 1.

1 C₆H₁₂O₆ + O₂ → CO₂ + H₂O

A sinistra vi sono 6 atomi d carbonio quindi anteponiamo il coefficiente 6 davanti a CO₂

1 C₆H₁₂O₆ + O₂ → 6 CO₂ + H₂O

A sinistra vi sono 12 atomi di idrogeno quindi anteponiamo il coefficiente 6 davanti ad H₂O

1 C₆H₁₂O₆ + O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

A questo punto contiamo gli atomi di ossigeno a destra che risultano essere (6∙2) + 6 = 18. A sinistra ve ne sono 6 nella molecola C₆H₁₂O₆ quindi ne devono essere aggiunti 18 – 6 = 12. Pertanto si antepone a O₂ il coefficiente 6 e quindi la reazione bilanciata, omettendo il coefficiente 1 che di norma viene sottinteso, è:

C₆H₁₂O₆ +6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Consideriamo quest’ultima reazione bilanciata: si può dire che una molecola di glucosio reagisce con 6 molecole di ossigeno per dare 6 molecole di biossido di carbonio e 6 molecole di acqua ovvero che i rapporti stechiometrici sono 1:6:6:6

Invece che parlare di molecole si fa riferimento alle moli ovvero 1 mole di glucosio reagisce con 6 moli di ossigeno per dare 6 moli di biossido di carbonio e 6 moli di acqua.

Dalle moli si può passare ai grammi attraverso la massa molecolare e quindi si può dire che 180 g di glucosio reagiscono con 6 ∙ 32 = 192 grammi di ossigeno per dare 6 ∙ 44 =264 g di biossido di carbonio e 6 ∙ 18 = 108 g di acqua.

Si noti che la somma delle masse dei reagenti ovvero 180 + 192 = 372 g è pari alla somma delle masse dei prodotti di reazione ovvero 264 + 108 = 372 g in ossequio al principio di conservazione della massa enunciato da Lavoisier che costituisce la prima delle leggi ponderali.