In questo articolo esamineremo i diversi modi in cui l'acqua è coinvolta nei contesti chimici. Soprattutto, esamineremo il significato e la definizione di acqua nelle reazioni chimiche e il suo ruolo nei contesti chimici. Vedremo come la struttura dell'acqua conferisce proprietà specifiche, in particolare per quanto riguarda il modo in cui l'acqua è un dipolo. Impareremo come l'acqua possa essere coinvolta in diversi tipi di reazioni, sciogliendosi o legandosi a idrogeno con i composti.We will cover the meaning of water in chemical reactions.
- Vedremo come l'acqua può agire nelle reazioni basate sul legame a idrogeno e sui meccanismi acido-base.
- Tratteremo la struttura dell'acqua e il modo in cui essa contribuisce a conferirle le sue proprietà.
- Vedremo anche esempi e formule dell'acqua in contesti chimici e come reagisce con il cloro.
Significato dell'acqua nelle reazioni chimiche
Nelle reazioni chimiche, l'acqua può agire in molti modi. Alcuni di questi includono la funzione di donatore o accettore di legami idrogeno, nonché di donatore o accettore di protoni (H+), che consente all'acqua di facilitare le reazioni in molti modi.
Soprattutto, l'acqua funge da solvente in molte reazioni chimiche. In molti contesti chimici, la reazione chimica non ha luogo senza acqua. In questo caso, l'acqua permette a queste reazioni di procedere.
Ruolo dell'acqua nelle reazioni chimiche
In questa sede esamineremo come l'acqua sia in grado di facilitare diversi tipi di reazioni chimiche.
Soprattutto, grazie alle sue capacità di solvente, permette il libero movimento di ioni e composti, il che consente lo svolgimento di molte reazioni. Poiché gli ioni o i composti possono muoversi liberamente in uno stato disciolto (come quando sono disciolti nell'acqua), è più facile che avvengano reazioni chimiche, il che dimostra ulteriormente la capacità dell'acqua di facilitare le reazioni chimiche.
Ma cos'è l'acqua? E come può aiutare le reazioni chimiche?
Come agisce l'acqua in contesti chimici?
Che cos'è l'acqua? La formula chimica dell'acqua pura è: H2O. Ciò significa che è una molecola composta da due atomi di idrogeno, legati covalentemente a un atomo di ossigeno. Questo funziona nel contesto del legame atomico, perché l'ossigeno ha bisogno di guadagnare due elettroni aggiuntivi (lo stato di ossidazione dell'ossigeno è -2) che ottiene da due idrogeni, ognuno dei quali condivide un elettrone (lo stato di ossidazione dell'idrogeno è +1).
Figura 1. La geometria molecolare piegata di una molecola d'acqua.
Osservando la geometria molecolare dell'acqua, possiamo notare che è piegata.
Osservando più da vicino l'atomo centrale, in questo caso l'ossigeno, possiamo utilizzare la teoria VSEPR per determinare la forma della molecola. Poiché l'ossigeno ha quattro domini di elettroni (due coppie legate e due coppie solitarie), essi si disporranno in una geometria tetraedrica. Poiché ci sono solo due legami, solo questi saranno evidenziati e mostrati.
Questa forma conferisce all'acqua molte delle sue interessanti proprietà.
Quale pensate sia l'angolo tra i legami in una molecola d'acqua? In realtà è di 104,45°, un valore inferiore a quello atteso per una molecola a geometria tetraedrica (109,5°). Ma sapete perché?
Il motivo è che non tutti i domini di elettroni si respingono nella stessa misura. Le coppie solitarie di elettroni tendono a respingersi maggiormente rispetto alle coppie di elettroni legate. Nella molecola dell'acqua, ci sono due coppie di elettroni solitari sull'atomo di ossigeno, che respingono gli idrogeni legati. Questo fa sì che gli idrogeni legati siano costretti a stare più vicini l'uno all'altro, rendendo l'angolo tra loro più piccolo di quanto ci si aspetti.
Poiché l'acqua è una molecola ricurva e poiché esistono differenze di elettronegatività tra O e H, la molecola d'acqua è in realtà un dipolo.
Dipolo: una molecola che presenta un'estremità carica positiva e una carica negativa.
Questo permette all'acqua di formare legami idrogeno tra loro. Come si può vedere nel diagramma, le molecole d'acqua interagiscono tra loro attraverso queste cariche parziali, che conferiscono all'acqua tutte le sue proprietà fisiche e chimiche.
Ricorda: il legame a idrogeno si verifica solo quando un atomo di idrogeno è legato a ossigeno (O), azoto (N) o fluoro (F). Gli altri atomi non presentano legami a idrogeno.
Figura 2. Un diagramma che mostra la forma molecolare e l'angolo di una molecola d'acqua con i poli parziali in A e il legame a idrogeno dell'acqua in B.
Ma perché è importante che l'acqua sia un dipolo? Poiché l'acqua è un dipolo, cioè una molecola polare, è in grado di permettere lo svolgimento di molte reazioni chimiche. Ma come?
Formula dell'acqua nelle reazioni chimiche
In seguito, vedremo come l'acqua agisce in tre modi diversi nelle reazioni chimiche. Tra questi, la dissoluzione di composti ionici, la formazione di legami idrogeno con altri composti e l'azione nelle reazioni acido/base.
1. Dissoluzione dei composti ionici
In primo luogo, l'acqua è un ottimo solvente perché è una molecola con un dipolo. Ciò significa che l'acqua può sciogliere facilmente qualsiasi composto ionico, come ad esempio un sale. Scinde il legame ionico per lasciare due ioni, uno positivo e uno negativo. Poiché l'acqua è un dipolo, può schermare e proteggere gli ioni in entrambi i modi. Circonda il catione (lo ione positivo) con gli atomi di ossigeno con carica negativa e l'anione (lo ione con carica negativa) con gli idrogeni. Ciò consente un'adeguata stabilità del composto ionico in acqua. Come si vede di seguito, questo è ciò che accade.
Sale ionico (s) + H2O => Catione+(aq) + Anione-(aq) + H2O
2. Legame a idrogeno con i composti
Essendo l'acqua una molecola polare, è anche in grado di sciogliere qualsiasi sostanza polare. In modo simile all'esempio precedente dei composti ionici, le molecole d'acqua si dispongono in modo da proteggere parti specifiche necessarie di una molecola polare. Questo potrebbe non causare la scissione dei legami come nell'esempio dei sali ionici, ma piuttosto potrebbe fare affidamento sia sulle sue proprietà polari sia sulle sue proprietà di legame idrogeno.
L'acqua può interagire con le sostanze in grado di formare legami a idrogeno per dissolverle, rendendole così più mobili nell'acqua e permettendo lo svolgimento delle reazioni. Può agire sia come accettore che come donatore di legami a idrogeno. In questo caso, il composto in questione rimarrà invariato, ma la sua dissoluzione fornirà maggiori mezzi per lo svolgimento delle reazioni chimiche.
Compound(solid) + H2O => Compound(dissolved) + H2O
3. Ruolo di donatore/accettore di protoni
L'ultima proprietà chiave dell'acqua è la sua capacità di essere un donatore o un accettore di protoni.
H2O → H+ + OH−
H2O + H+ → H3O+
In questo caso, si forma uno ione idrossido (OH-) o uno ione idronio (H3O+). In questo caso, lo ione idrogeno positivo (H+) viene chiamato protone, in quanto è semplicemente un atomo con un protone e nessun neutrone o elettrone.
Grazie a questa proprietà, l'acqua può favorire lo svolgimento di molte reazioni. Soprattutto le reazioni acido-base, ma non solo. Questa proprietà dell'acqua è impiegata anche in molte reazioni di sintesi organica e persino nella catalisi di alcune reazioni.
Esempi dell'acqua nelle reazioni chimiche
Innanzitutto, la più elementare delle reazioni può essere considerata la dissoluzione dei sali solidi nell'acqua. Ecco l'esempio del comune sale da cucina (NaCl) disciolto, che crea ioni acquosi.
NaCl(s) + H2O → Na(aq)+ +H2O
In modo simile, l'acqua può essere utilizzata anche per sciogliere altre molecole legate covalentemente, di solito più grandi dei sali. In questo caso, il composto non si scinde in acqua, ma viene comunque disciolto. Un esempio è il glucosio. Questo zucchero formerà legami idrogeno con le molecole d'acqua e potrà essere sciolto dall'acqua circostante. Si noti come nell'esempio seguente la composizione del composto (il glucosio in questo esempio) non cambi dalla forma solida a quella acquosa.
C6H12O6(S) + H2O → C6H12O6(aq) +H2O
Un'altra reazione comune in cui l'acqua è coinvolta è quella mediata da acidi e basi. Come abbiamo visto in precedenza, la capacità dell'acqua di scindersi e creare ioni idrossido o idronio è la reazione che può essere utilizzata dalle reazioni acido e base. Di seguito, un esempio di come l'acido cloridrico sia in grado di formare un acido forte in acqua:
HCl(aq)+H2O→H3O++ Cl−
Inoltre, la capacità dell'acqua di accettare o donare protoni è un meccanismo chiave nelle reazioni organiche. Ecco un esempio di come l'acqua viene utilizzata nelle reazioni organiche. In questo caso, si tratta di un'addizione di acqua agli alcheni, attraverso un meccanismo catalizzato dagli acidi. Non è necessario conoscere questa reazione, ma se sei interessato dai un'occhiata al ruolo dell'acqua nel contesto di questa reazione chimica. In questo caso, l'acqua è in grado di aiutare direttamente le reazioni chimiche, in particolare quelle organiche.
Figura 3. Un meccanismo catalizzato da acidi per l'addizione di acqua agli alcheni, in cui l'acqua può agire come donatore di protoni nella reazione
Reazione chimica del cloro nell'acqua
Cosa succede quando si aggiunge cloro all'acqua? Se si esegue una semplice cartina al tornasole, si noterà che il pH diminuisce. Osservate l'equazione sottostante che giustifica questo comportamento.
Cl2+H2O→HOCl+HCl
Questa reazione è talvolta chiamata idrolisi. I suoi prodotti sono l'HCl, che è un acido forte, da cui deriva la diminuzione del pH con l'aggiunta del cloro. Un altro prodotto è l'ossigeno gassoso, quindi se si esegue questo esperimento si noterà la formazione di bolle di questo gas.
L'acqua nelle reazioni chimiche - Punti chiave
- L'acqua media e facilita le reazioni chimiche
- Lo fa essendo una molecola polare (ha un dipolo).
- L'acqua può essere coinvolta nella dissoluzione di composti ionici e covalenti.
- Può essere un accettore o un donatore di legami a idrogeno e di protoni.
- L'acqua può anche essere utilizzata nei meccanismi di catalisi e idrolisi (quando il cloro viene fatto reagire con l'acqua).
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