Reacții chimice și ciclurile materiei

Într-o reacție chimică, atomii se rearanjează. Într-un sistem închis, masa totală a reactanților este egală cu masa totală a produșilor. Combinația unește substanțe, descompunerea rupe un compus în substanțe mai simple, iar reacțiile de schimb schimbă partenerii între substanțe. Viteza reacției arată cât de repede se consumă reactanții sau se formează produșii; temperatura, concentrația, suprafața de contact și catalizatorii o pot influența. La echilibru dinamic, reacțiile directă și inversă continuă cu viteze egale.

Ciclurile naturale arată circulația elementelor între aer, apă, sol și organisme. Fotosinteza fixează carbonul din CO₂ în materie organică și eliberează oxigen; respirația și descompunerea readuc carbon în atmosferă. Azotul atmosferic trebuie transformat în forme utilizabile de multe organisme, prin fixare; bacteriile participă la nitrificare și denitrificare. Arderea combustibililor fosili adaugă carbon din depozite geologice în atmosferă. Materia circulă, iar energia intră și se disipează pe parcursul proceselor.

Tipuri de reacții. Combinarea: $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. Descompunerea: $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{CaO}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Substituția: $\mathrm{Zn}+2\mathrm{HCl}\to \mathrm{ZnC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2$. Schimbul dublu, cu formare de precipitat, de gaz sau de apă: $\mathrm{NaCl}+\mathrm{AgN}{\mathrm{O}}_3\to \mathrm{AgCl}\downarrow +\mathrm{NaN}{\mathrm{O}}_3$. Arderea este reacție cu oxigenul, exotermă.

Semne ale unei reacții. Schimbarea culorii, degajarea unui gaz, formarea unui precipitat, degajarea sau absorbția de căldură (reacție exotermă sau endotermă). Legea conservării masei: într-un sistem închis, masa reactanților este egală cu masa produșilor.

Ciclul azotului. Aerul conține aproximativ 78% N₂, 21% O₂ și 0,04% CO₂. Bacteriile fixatoare, din nodulii leguminoaselor, transformă azotul atmosferic în compuși utilizabili. Bacteriile nitrificatoare oxidează amoniacul la nitriți și nitrați, pe care plantele îi absorb. Bacteriile denitrificatoare readuc azotul în atmosferă sub formă de N₂.

Viteza de reacție și echilibrul. Un comprimat efervescent se dizolvă mai repede în apă caldă decât în apă rece, iar zincul pulbere reacționează cu acidul clorhidric mai repede decât o bucată de zinc de aceeași masă, fiindcă are suprafață de contact mai mare. Catalizatorul mărește viteza fără să se consume: în organism, enzimele sunt catalizatori, iar o bucată de cartof crud, cu enzima catalază, descompune rapid apa oxigenată cu degajare de oxigen. La echilibrul chimic concentrațiile reactanților și ale produșilor rămân constante, deși reacțiile continuă în ambele sensuri.

Ciclul oxigenului. Oxigenul din aer (aproximativ 21%) este produs prin fotosinteză de plante, alge și cianobacterii: $6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2$. Este consumat de respirație, ardere, ruginire și putrezire, care îl leagă în $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, apă și oxizi. Oxigenul dizolvat în apă întreține viața peștilor. Ciclul lui este legat de al carbonului, pentru că respirația face reacția inversă fotosintezei. La formarea a $180\mathrm{g}$ de glucoză se eliberează $192\mathrm{g}$ de oxigen: $6\cdot 44+6\cdot 18=372\mathrm{g}$ de reactanți dau $180+192=372\mathrm{g}$ de produși.

Ciclul carbonului. Fotosinteza consumă $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și apă și produce glucoză și oxigen. Respirația și arderea transformă compușii organici în $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Arderea cărbunelui, a petrolului și a gazelor adaugă în atmosferă carbon stocat în scoarță de milioane de ani, ceea ce mărește concentrația de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$.

Exemplu lucrat 1. Într-un vas închis reacționează 12 g carbon cu 32 g oxigen și se formează 44 g CO₂. Verifici conservarea masei: 12 g + 32 g = 44 g. Dacă măsurarea ar da 40 g produs, cauți pierderi de gaz sau eroare de măsurare înainte de a respinge legea.

Exemplu lucrat 2: masa în descompunere. La descompunerea a $100\mathrm{g}$ de $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ se obțin $56\mathrm{g}$ de $\mathrm{CaO}$ și $44\mathrm{g}$ de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Verificare: $56+44=100$. Dacă experimentul se face într-un vas deschis, balanța arată o masă a solidului de numai $56\mathrm{g}$, deoarece gazul a ieșit; masa totală se conservă doar dacă se numără și gazul.

Exemplu lucrat 3: echilibrarea unei ecuații. Magneziul arde: $\mathrm{Mg}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{MgO}$. Echilibrăm numărul atomilor de oxigen: $2\mathrm{Mg}+{\mathrm{O}}_2\to 2\mathrm{MgO}$. Cu masele atomice $24$ pentru Mg și $16$ pentru O, rezultă $48\mathrm{g}+32\mathrm{g}=80\mathrm{g}$ de oxid de magneziu, adică $2\cdot (24+16)$.

Greșeli frecvente

• Greșit: la echilibru reacțiile se opresc.
  Corect: cele două sensuri continuă cu viteze egale.
• Greșit: masa scade când se formează gaz într-un vas închis.
  Corect: masa totală se conservă.
• Greșit: ciclul carbonului este numai fotosinteză.
  Corect: include respirație, descompunere, schimburi cu oceanele și ardere.

Înainte și după