La stechiometria studia i rapporti quantitativi fra le masse delle sostanze coinvolte in una reazione chimica.

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1 La Stechiometria La stechiometria studia i rapporti quantitativi fra le masse delle sostanze coinvolte in una reazione chimica. La stechiometria di reazione indica in che rapporti due o più sostanze reagiscono tra di loro. Il calcolo stechiometrico permette di calcolare le quantità di reagenti e prodotti coinvolti in una reazione chimica.

2 Le Equazioni Chimiche Un processo chimico è rappresentato da un equazione chimica. Esempio: reazione del magnesio con l ossigeno. Mg + O 2 MgO Le sostanze a sinistra della freccia sono dette reagenti. Le sostanze a destra della freccia sono dette prodotti. Un equazione chimica bilanciata ha lo stesso tipo e numero di atomi fra i reagenti ed i prodotti. 2 Mg + O 2 2 MgO

3 Le Equazioni Chimiche Si usa indicare anche lo stato fisico di reagenti e prodotti: 2 Mg (s) + O 2(g) 2 MgO (s) (s): solido (l): liquido (g): gassoso (aq): soluzione acquosa

4 Le Equazioni Chimiche Esempio di bilanciamento: combustione del butano. La combustione è la reazione di un composto contenente C, H (e/o O) in eccesso di O 2 per produrre CO 2 e H 2 O. C 4 H 10 + O 2 CO 2 + H 2 O C 4 H 10 + O 2 4CO 2 + 5H 2 O C 4 H 10 + O 2 4CO 2 + 5H 2 O 2C 4 H O 2 8CO H 2 O

5 Le Equazioni Chimiche In una reazione di combinazione due o più sostanze formano un composto singolo. ( ) + ( ) ( ) In una reazione di decomposizione, un composto singolo forma due o più nuove sostanze. ( ) ( ) + ( )

6 Relazioni di Massa nelle Reazioni Chimiche Una equazione chimica fornisce informazioni quantitative sulla reazione. Pesando reagenti e prodotti, possiamo determinare le masse relative dei loro atomi: 2 H 2 O (l) 2 H 2(g) + O 2(g) 36 g 4 g 32 g Da qui possiamo ricavare che: la massa di O è 16 volte la massa di H

7 La Scala di Massa Atomica La scala delle masse atomiche era originariamente basata sull idrogeno: 1 H atomo = 1 uma(unità di massa atomica, g mol -1 ) 16 O atomo 16 uma 12 C atomo 12 uma Ora, la scala è basata sul 12 C: 12 C atomo = esattamente 12 uma 1 H atomo = 1, uma 16 O atomo = 15, uma

8 La Massa Atomica Media La massa media di un atomo si calcola mediando sulle abbondanze naturali dei suoi isotopi. Esempio: Litio 6 Li: 6,015 uma(7,42%) 7 Li: 7,016 uma(92,58%) Massa media = = (6,015 umax 0,0742) + (7,016 umax 0,9258) = = 6,941 uma

9 La Massa Atomica Media La massa media di un atomo si calcola mediando sulle abbondanze naturali dei suoi isotopi. Esempio: Cloro 35 Cl: 34, uma (75,53%) 37 Cl: 36, uma (24,47%) Massa media = = (34, uma x 0,7553) + (36, uma x 0,2447) = = 35,46 uma

10 La Composizione Percentuale di un Composto Massa Percentuale degli elementi in H 2 O: 2 H = 2 x 1,0078 uma= 2,0156 uma 1 O = 15,9994 uma 1 H 2 O = 18,0150 uma %(H) = ( 2,0156 uma / 18,0150 uma ) x 100 = 11,19% %(O) = ( 15,9994 uma / 18,0150 uma ) x 100 = 88,81%

11 La Mole: l Unità di Misura della Quantità di Sostanza Un atomo di 12 C pesa 1,9933 x g In 12 g di 12 C ci sono 6,02 x atomi (6,02 x ) x (1,9933 x g) = 12 g Una mole è costituita da 6,02 x specie chimiche. Questo numero si chiama Numero di Avogadro(N A ). Il numero di Avogadro è stato scelto cosicché 12 grammi esatti di 12 C corrispondono a 1 mole di 12 C.

12 La Massa Molare La massa molare di una sostanza è la massa di una mole espressa in grammi. La massa molare è, in numero, uguale al peso formula in uma. Massa media di 1 atomo di C = 12,011 uma Massa di 1 mole di C = 12,011 g Massa di 1 molecola di H 2 O = uma Massa di 1 mole di H 2 O = 18,015 g Massa di 1 MgO = 40,304 uma Massa di 1 mole di MgO= 40,304 g

13 Moli e Reazioni Chimiche Invece di contare le molecole in una reazione, contiamo le moli di molecole. N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g) 1 mole di N 2 reagisce con 3 moli di H 2 per dare 2 moli di NH 3 O in altre parole per ogni mole di N 2 reagiscono 3 moli di H 2 per dare 2 moli di NH 3.

14 La Stechiometria La stechiometriautilizza relazioni quantitative tra le sostanze coinvolte in una reazione. La stechiometria consente di calcolare le quantità delle sostanze reagenti o dei prodotti di una reazione a partire dalle equazioni chimiche bilanciate. Dai coefficienti stechiometrici è possibile stabilire le quantità di reagenti da impiegare o prevedere le quantità di prodotti che si possono ottenere. Numero di moli = massa / (somma delle masse atomiche) Massa = numero di moli x (somma delle masse atomiche)

15 La Stechiometria 1 g di N 2 corrisponde a: N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g) 1 g / (2 x 14,01 uma) = 3,57 x 10-2 moli di N 2 Poiché per ogni mole di N 2 reagiscono 3 moli di H 2 : 3x 3,57 x 10-2 moli = 1,07 x 10-1 moli di H 2 (1,07 x 10-1 moli) x (2 x 1,008 uma) = 0,216 g di H 2

16 La Stechiometria 1 g di N 2 corrisponde a: N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g) 1 g / (2 x 14,01 uma) = 3,57 x 10-2 moli di N 2 Per fare sì che 1 g si N 2 reagisca completamente per dare NH 3, servono0,216 g di H 2. Inoltre, per ogni mole di N 2 si ottengono 2 moli di NH 3 : 2x 3,57 x 10-2 moli = 7,14 x 10-2 moli di NH 3 (7,14 x 10-2 moli) x (3 x 1,008 uma+ 14,01 uma) = 1,216 g di NH 3

17 Il Reagente Limitante Selezionare un reagente della reazione e calcolare il numero di moli formate da ogni reagente assumendo di consumarlo tutto. Il reagente limitante fornisce il numero più piccolo di moli di prodotto. Esempio. Considerare la reazione: 2 Al (s) + 3 Cl 2(g) 2 AlCl 3(s) Quante moli di AlCl 3 sono formate a partire da: 40,0 g di Al 213 g di Cl 2???

18 Il Reagente Limitante La reazione termina quando uno dei reagenti è stato completamente consumato. Il reagente che si consuma per primo è il reagente limitante. Gli altri reagenti sono reagenti in eccesso.

19 Il Reagente Limitante 2Al (s) + 3Cl 2(g) 2AlCl 3(s) Moli iniziali di Al: Moli iniziali di Cl 2 : 40,0 g / 26,98 uma= 1,48 moli 213 g / (2 x 35,45 uma) = 3,00 moli Per formare 2moli di AlCl 3 servono: 2moli di Al 3moli di Cl 2 1,48 moli di Al / 2= 0,74 Reagente limitante! 3,00 moli di Cl 2 / 3= 1,00

20 La Resa La resa teorica di un prodotto è la quantità formata quando il reagente limitante è stato completamente consumato. La resa sperimentale è la quantità di prodotto ottenuta effettivamente nella reazione quando la si esegue in laboratorio. La resa percentuale è data da: Resa% = (resa sperimentale / resa teorica) x 100

21 La Resa 2Al (s) + 3Cl 2(g) 2AlCl 3(s) Moli iniziali del reagente limitante (Al): 1,48 moli Da 2moli di Al si ottengono 2moli di AlCl 3 2: 2= 1,48: = (1,48x 2) / 2= 1,48 moli di AlCl 3 g di AlCl 3 = 1,48 moli x (26,98 uma+ 3 x 35,45 uma) = 167,7 g Resa teorica = 167,7 g di AlCl 3

22 Problemi di Stechiometria Il fosfato di calcio è utilizzato come fertilizzante in agricoltura. Calcolare la quantità di CaOche reagisce con 58 g di H 3 PO 4 per dare Ca 3 (PO 4 ) 2 e acqua. Inoltre calcolare la quantità di fosfato di calcio che si forma nella reazione. (Masse molari (g/mol): H=1,008; P=30,97; O=15,9994; Ca=40,078).

23 Problemi di Stechiometria Un composto ha fornito i seguenti dati analitici: 12,1% in massa: carbonio, 16,2% in massa: ossigeno, 71,7% in massa: cloro. La massa molare è 98,9 g/mol. Scrivere la formula molecolare del composto.

24 Problemi di Stechiometria Per secoli gli aborigeni australiani hanno adoperato le foglie degli eucalipti per alleviare il mal di gola e altri dolori. L ingrediente più attivo a tal fine è stato identificato e denominato eucaliptolo. L analisi di un campione di eucaliptolo di 3,16 g ha fornito i seguenti dati ponderali assoluti: 2,46 g di carbonio; 0,373 g di idrogeno e 0,329 g di ossigeno. Determinare la percentuale in massa di C, H, e O e la formula empirica dell eucaliptolo sapendo che le masse molari di C, H e O sono, rispettivamente, 12,011; 1,0079 e 15,9994 g/mol.

25 Problemi di Stechiometria Una delle rocce più comuni sulla Terra è il feldspato. Un tipo di feldspato ha formula CaAl 2 Si 2 O 8. Quanti grammi di alluminio si possono ottenere da 1276 kg di questa roccia?

26 Problemi di Stechiometria Il ferro reagisce con l'ossigeno formando tre composti: FeO, Fe 2 O 3, e Fe 3 O 4. Uno di questi composti, conosciuto come magnetite, è costituito dal 72,36% di Fe e 27,64% di O in massa. Qual è la formula della magnetite? (masse atomiche: Fe = 55,85; O = 15,9994 g/mol).