L'equazione chimica e il suo bilanciamento

Quando si accende un fornello a gas della cucina, il metano ($\text{CH}_4$) reagisce con l'ossigeno dell'aria e si trasforma in anidride carbonica e vapore acqueo. Lo schema mostra le particelle di ciascuna sostanza:

Indica quali sono i reagenti e quali i prodotti di questa reazione.

Completa la frase con le parole mancanti: «In un'equazione chimica, le sostanze che si trasformano si chiamano $\dots$ e si scrivono a $\dots$ della freccia; le nuove sostanze che si formano si chiamano $\dots$ e si scrivono a $\dots$».

Nadia dice: «Quando si brucia un foglio di carta la materia scompare, perché le ceneri pesano molto meno della carta originale». Ha ragione? Motiva la risposta pensando a tutte le sostanze che intervengono e che si formano, compresi i gas.

Che cosa significa il pedice $2$ in $\text{H}_2$? E il coefficiente $2$ che compare davanti in $2\ \text{H}_2\text{O}$? Spiega con parole tue la differenza tra pedice e coefficiente.

Quanti atomi di ciascun elemento ci sono in totale in $3\ \text{CO}_2$? E in $2\ \text{H}_2\text{O}$? La figura mostra queste molecole:

Spiega come si contano gli atomi quando una formula ha un coefficiente davanti.

Per «bilanciare» l'equazione $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$, un alunno cambia il prodotto e scrive $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}_2$. Spiega perché questo trucco è vietato: quale sostanza è in realtà $\text{H}_2\text{O}_2$ e che cosa significa cambiare un pedice in una formula.

Conta gli atomi di idrogeno e di ossigeno presenti da ciascun lato dell'equazione $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$, rappresentata con particelle nella figura, e di' se è bilanciata o no, senza ancora modificarla. Giustifica la risposta.

Perché bisogna bilanciare le equazioni chimiche prima di usarle? Indica la legge su cui si basa il bilanciamento e spiegala con una frase semplice su ciò che accade agli atomi in una reazione.

In un recipiente chiuso si bruciano completamente $12\ \text{g}$ di carbonio con $32\ \text{g}$ di ossigeno e si forma anidride carbonica. Lo schema rappresenta il recipiente chiuso prima e dopo la reazione:

Quale massa di anidride carbonica si ottiene? Su quale legge ti basi per affermarlo senza doverla pesare?

Poniamo una candela accesa su una bilancia di precisione in due situazioni:

1. a) All'aria aperta: la bilancia segna via via meno man mano che la candela si consuma.
2. b) Sotto una campana di vetro ermetica: il valore segnato cambia appena.

La figura mostra i due montaggi:

Spiega i due risultati usando la legge di conservazione della massa e stabilisci se in uno dei due casi la materia «scompare» davvero.

Bilancia per tentativi l'equazione di formazione dell'acqua: $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Scrivi i coefficienti necessari a ciascuna sostanza.

Il gas naturale di molte case è metano. Bilancia per tentativi la sua combustione: $\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Indica i coefficienti nell'ordine in cui compaiono le sostanze.

L'ammoniaca si produce nell'industria a partire da azoto e idrogeno e poi si usa per fabbricare fertilizzanti. Bilancia l'equazione: $\text{N}_2 + \text{H}_2 \rightarrow \text{NH}_3$.

Il magnesio dei bengala e dei fuochi d'artificio brucia con una luce bianca molto intensa e si forma ossido di magnesio. Bilancia l'equazione: $\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MgO}$.

Quando il ferro si ossida completamente si forma ossido di ferro(III). Bilancia l'equazione: $\text{Fe} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}_2\text{O}_3$. Verifica poi contando gli atomi di ciascun elemento da entrambi i lati.

Il butano delle bombole del gas, $\text{C}_4\text{H}_{10}$, brucia con l'ossigeno dell'aria e forma anidride carbonica e acqua.

1. a) Bilancia l'equazione: $\text{C}_4\text{H}_{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$.
2. b) Verifica, contando gli atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno da entrambi i lati, che il tuo bilanciamento rispetta la conservazione degli atomi.

L'acqua ossigenata della cassetta del pronto soccorso, $\text{H}_2\text{O}_2$, si decompone lentamente in acqua e ossigeno.

1. a) Bilancia l'equazione: $\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$.
2. b) Il flacone di acqua ossigenata indica che va conservato ben chiuso e in un luogo fresco e buio. Collega queste istruzioni alla reazione precedente e spiega che cosa succederebbe se non fossero rispettate.

Il sottile strato che protegge dalla corrosione i pezzi di alluminio di un aereo si forma quando il metallo reagisce con l'ossigeno dell'aria.

1. a) Bilancia l'equazione: $\text{Al} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3$.
2. b) Spiega perché, bilanciando per tentativi, conviene cominciare da un elemento che compare in una sola sostanza da ciascun lato della freccia.

Leggi con attenzione l'equazione $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$ e spiega con parole tue cosa esprime: quante molecole di ciascuna sostanza reagiscono e quante molecole si formano.

L'equazione bilanciata della combustione del metano è $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$. Se si bruciano $5$ molecole di metano:

1. a) Quante molecole di ossigeno si consumano?
2. b) Quante molecole di anidride carbonica e quante di acqua si formano?

In un recipiente chiuso, $10\ \text{g}$ di una sostanza A reagiscono completamente con $5\ \text{g}$ di una sostanza B e si ottengono $12\ \text{g}$ di una sostanza C insieme a una certa massa di una sostanza D. Lo schema riassume le masse note:

1. a) Quale massa di D si è formata?
2. b) Giustifica il calcolo enunciando la legge che hai applicato.

L'equazione bilanciata della formazione dell'acqua è $2\ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}$. Qualcuno propone di dividere tutti i coefficienti per due e di scrivere $\text{H}_2 + \frac{1}{2}\ \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$.

1. a) Sarebbe ancora rispettata la conservazione degli atomi?
2. b) Quale problema c'è nel parlare di «mezza molecola» di ossigeno?
3. c) Giustifica perché, per convenzione, i coefficienti di un'equazione bilanciata sono numeri interi e i più semplici possibile.

Spiega, usando il modello particellare, che cosa accade esattamente agli atomi in una reazione chimica: che cosa succede agli atomi dei reagenti, perché il loro numero totale non cambia e in che cosa una reazione chimica differisce dal semplice mescolare sostanze. Illustra la spiegazione con la reazione dell'idrogeno con l'ossigeno per formare acqua, rappresentata con particelle nella figura:

Alcuni razzi usano l'idrogeno come combustibile, che brucia con l'ossigeno e forma vapore acqueo.

1. a) Scrivi l'equazione della reazione e bilanciala.
2. b) Se in una prova a terra si bruciano $100$ molecole di idrogeno, quante molecole di ossigeno si consumano e quante di acqua si formano?
3. c) Quanti atomi di idrogeno ci sono in totale prima della reazione? E dopo? Collega la risposta alla legge di conservazione.