I coefficienti stechiometrici esprimono i rapporti molari tra le specie presenti in una reazione.
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
Dalle moli ai grammi
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.