Le reazioni chimiche avvengono quando gli atomi di due o più sostanze scambiano o condividono elettroni. La reazione produce atomi e molecole con gli elettroni disposti in modo diverso. La configurazione modificata degli atomi comporta un cambiamento di energia, il che significa che la reazione chimica emette o assorbe luce, calore o elettricità. A sua volta, per separare gli atomi nel loro stato originale, l'energia deve essere rimossa o fornita.
Le reazioni chimiche governano molti dei processi della vita quotidiana e possono essere estremamente complicate, sia con atomi che con molecole che entrano in una reazione e producono combinazioni completamente diverse di atomi e molecole come prodotti della reazione. I diversi tipi di reazioni e il modo in cui gli elettroni vengono scambiati o condivisi possono produrre prodotti così diversi come plastica, medicinali e detergenti.
TL; DR (troppo lungo; non letto)
Durante una reazione chimica, gli atomi delle sostanze originarie acquistano, perdono o condividono i propri elettroni con quelli delle sostanze con cui reagiscono. La reazione crea nuove sostanze costituite da una nuova combinazione di atomi e da una diversa configurazione di elettroni.
Atomi in una reazione chimica
Gli atomi sono costituiti da un nucleo e dagli elettroni circostanti. Gli elettroni si dispongono in gusci attorno al nucleo e ogni guscio ha spazio per un numero fisso di elettroni. Ad esempio, il guscio più interno di un atomo ha spazio per due elettroni. Il prossimo guscio ha spazio per otto. Il terzo guscio ha tre subshell che hanno spazio per due, sei e 10 elettroni. Solo gli elettroni nel guscio più esterno, o guscio di valenza, prendono parte alle reazioni chimiche.
Un atomo inizia sempre con un numero fisso di elettroni, dato dal numero atomico. Gli elettroni del numero atomico riempiono i gusci elettronici dall'interno verso l'esterno, lasciando gli elettroni rimanenti nel guscio esterno. Gli elettroni nel guscio di valenza esterno determinano come si comporta un atomo, se prendere, dare o condividere gli elettroni per prendere parte alle reazioni chimiche e per formare due tipi di legami chimici: ionico e covalente.
Legami ionici
Gli atomi sono più stabili quando i loro gusci di elettroni di valenza sono pieni. A seconda del numero atomico dell'atomo, ciò può significare avere due, otto o più elettroni nel guscio esterno. Un modo per completare i gusci è che gli atomi che hanno uno o due elettroni nel loro guscio di valenza li doni agli atomi a cui mancano uno o due nel loro guscio più esterno. Tali reazioni chimiche comportano lo scambio di elettroni tra due o più atomi con la sostanza risultante costituita da due o più ioni.
Ad esempio, il sodio ha numero atomico 11, il che significa che il guscio più interno ha due elettroni; il guscio successivo ne ha otto e il guscio di valenza più esterno ne ha uno. Il sodio potrebbe avere un guscio più esterno completo se donasse il suo elettrone in più. Il cloro, invece, ha numero atomico 17. Ciò significa che ha due elettroni nel suo guscio interno, otto nel guscio successivo, due nel subshell successivo e cinque nel subshell più esterno dove c'è spazio per sei. Il cloro può completare il suo guscio più esterno accettando un elettrone in più.
Infatti, sodio e cloro reagiscono con una fiamma giallo brillante per formare un nuovo composto, cloruro di sodio o sale da cucina. In quella reazione chimica, ogni atomo di sodio cede il suo singolo elettrone esterno a un atomo di cloro. L'atomo di sodio diventa uno ione caricato positivamente e l'atomo di cloro diventa caricato negativamente. I due ioni con carica diversa si attraggono per formare la molecola di cloruro di sodio stabile con un legame ionico.
Legami covalenti
Molti atomi hanno più di uno o due elettroni nel loro guscio di valenza, ma rinunciare a tre o quattro elettroni potrebbe rendere instabile l'atomo rimanente. Invece, tali atomi entrano in un accordo di condivisione con altri atomi per formare un legame covalente.
Ad esempio, il carbonio ha numero atomico sei, il che significa che ha due elettroni nel suo guscio interno e quattro nel secondo guscio con spazio per otto. In teoria, un atomo di carbonio potrebbe cedere i suoi quattro elettroni più esterni o ricevere quattro elettroni per completare il suo guscio più esterno e formare un legame ionico. In pratica, un atomo di carbonio forma un legame covalente con altri atomi che possono condividere elettroni, come l'atomo di idrogeno.
Nel metano, un singolo atomo di carbonio condivide i suoi quattro elettroni con quattro atomi di idrogeno, ciascuno con un singolo elettrone condiviso. La condivisione significa che otto elettroni sono distribuiti sugli atomi di carbonio e idrogeno in modo tale che i diversi gusci siano pieni in momenti diversi. Il metano è un esempio di legame covalente stabile.
A seconda degli atomi coinvolti, le reazioni chimiche possono dare luogo a molte combinazioni di legami poiché gli elettroni vengono trasferiti e condivisi in varie disposizioni stabili. Due delle caratteristiche più importanti di una reazione chimica sono le configurazioni elettroniche modificate e la stabilità dei prodotti della reazione.