La conservazione della materia

Nelle reazioni in condizioni normali di laboratorio, la materia non viene né creata né distrutta, e gli elementi non si trasformano in altri elementi. Pertanto, le equazioni che descrivono le reazioni devono essere bilanciate; cioè, lo stesso numero di atomi di ogni tipo deve apparire sui lati opposti dell’equazione. L’equazione bilanciata per la reazione ferro-zolfo mostra che un atomo di ferro può reagire con un atomo di zolfo per dare una unità di formula di solfuro di ferro.

I chimici normalmente lavorano con quantità pesabili di elementi e composti. Per esempio, nell’equazione ferro-zolfo il simbolo Fe rappresenta 55,845 grammi di ferro, S rappresenta 32,066 grammi di zolfo, e FeS rappresenta 87,911 grammi di solfuro di ferro. Poiché la materia non viene creata o distrutta in una reazione chimica, la massa totale dei reagenti è uguale alla massa totale dei prodotti. Se si usa un’altra quantità di ferro, diciamo un decimo (5,585 grammi), solo un decimo dello zolfo può essere consumato (3,207 grammi), e solo un decimo del solfuro di ferro viene prodotto (8,791 grammi). Se 32,066 grammi di zolfo erano inizialmente presenti con 5,585 grammi di ferro, allora 28,859 grammi di zolfo sarebbero rimasti quando la reazione era completa.

La reazione del metano (CH4, un componente principale del gas naturale) con l’ossigeno molecolare (O2) per produrre anidride carbonica (CO2) e acqua può essere rappresentata dall’equazione chimica CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) Qui appare un’altra caratteristica delle equazioni chimiche. Il numero 2 che precede O2 e H2O è un fattore stechiometrico. (Il numero 1 che precede CH4 e CO2 è implicito.) Questo indica che una molecola di metano reagisce con due molecole di ossigeno per produrre una molecola di anidride carbonica e due molecole di acqua. L’equazione è equilibrata perché lo stesso numero di atomi di ogni elemento appare su entrambi i lati dell’equazione (qui un atomo di carbonio, quattro di idrogeno e quattro di ossigeno). Analogamente all’esempio ferro-zolfo, possiamo dire che 16 grammi di metano e 64 grammi di ossigeno produrranno 44 grammi di anidride carbonica e 36 grammi di acqua. Cioè, 80 grammi di reagenti porteranno a 80 grammi di prodotti.

Il rapporto tra reagenti e prodotti in una reazione chimica è chiamato stechiometria chimica. La stechiometria dipende dal fatto che la materia si conserva nei processi chimici, e i calcoli che danno i rapporti di massa sono basati sul concetto di mole. Una mole di qualsiasi elemento o composto contiene lo stesso numero di atomi o molecole, rispettivamente, di una mole di qualsiasi altro elemento o composto. Per accordo internazionale, una mole dell’isotopo più comune del carbonio (carbonio-12) ha una massa di esattamente 12 grammi (questa è chiamata massa molare) e rappresenta 6,022140857 × 1023 atomi (numero di Avogadro). Una mole di ferro contiene 55,847 grammi; una mole di metano contiene 16,043 grammi; una mole di ossigeno molecolare equivale a 31,999 grammi; e una mole di acqua è 18,015 grammi. Ognuna di queste masse rappresenta 6,022140857 × 1023 molecole.