III INCONTRO CHIMICA( PROF. PAOLA BURANI) Calcolo stechiometrico,reazioni redox, le soluzioni unità di misura e proprietà

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1 III INCONTRO CHIMICA( PROF. PAOLA BURANI) Calcolo stechiometrico,reazioi redox, le soluzioi uità di misura e proprietà 1. Stechiometria Quado scriviamo l equazioe bilaciata 3H 2 + N 2 2NH 3 idividuiamo ad esempio il rapporto umerico di reazioe tra Idrogeo e Azoto che risulta essere pari a 3:1. Il rapporto tra Idrogeo ed ammoiaca è ivece di 3:2 e così via. Ma i coefficieti stechiometrici o rappresetao solo il umero di molecole, ma ache il umero di moli che reagiscoo. Esempio calcolo moli che reagiscoo (rapporti umerici) Calcoliamo quate moli di Idrogeo e di Azoto devoo reagire per otteere 0.35 moli di Ammoiaca. Il rapporto umerico tra Idrogeo e Ammoiaca è H 2 / NH 3 = 3/2. Tale rapporto deve sempre essere soddisfatto per cui, idicato co x il umero di moli di Idrogeo ecessarie per produrre 0,35 moli di Ammoiaca, impostiamo la seguete proporzioe 3 mol : 2 mol = x : 0,35 mol che risolta ci da x = H = 0,525 mol 2 Eseguiamo lo stesso calcolo per l Azoto, osservado che il suo rapporto umerico co l ammoiaca è N 2 / NH 3 = 1/2. Impostiamo quidi la proporzioe 1 mol : 2 mol = x : 0,35 mol che risolta ci da x = = 0,175 mol N 2 Nel caso i cui i reageti o siao preseti i proporzioi stechiometriche, uo di essi sarà presete i quatità isufficiete a permettere agli altri di cosumarsi completamete ella reazioe. Tale reagete è detto reagete limitate, metre gli altri soo detti reageti i eccesso. Metre il reagete limitate, essedo presete i difetto rispetto al corretto rapporto stechiometrico, reagisce completamete, i reageti i eccesso rimagoo i parte ialterati alla fie della reazioe. Ache la quatità di prodotti di reazioe che si geera dipede dal reagete limitate che codizioa ovviamete tutte le specie chimiche che partecipao alla reazioe. Esempio Reagete limitate Calcoliamo quati grammi di ammoiaca si sitetizzao facedo reagire 15 g di Idrogeo co 35 g di Azoto. Idividuiamo il reagete limitate e calcoliamo quato di esso rimae ialterato alla fie della reazioe. Il corretto rapporto stechiometrico Idrogeo/Azoto è 3/1 che corrispode ad u rapporto poderale 6/28. I base a tale rapporto poderale calcoliamo quati grammi di Azoto reagirebbero co 15 grammi di Idrogeo 6g : 28g = 15g : x che risolta forisce x = 70 g di Azoto, ua quatità superiore a quella dispoibile (35 g). L Azoto è quidi il reagete i difetto e quidi limitate la reazioe. Le quatità di tutte le altre specie chimiche che partecipao alla reazioe devoo essere calcolate rispetto all Azoto. Calcoliamo quato Idrogeo reagisce 6g : 28g = x : 35g x = 7,5 g di Idrogeo Duque solo metà dell Idrogeo reagisce. La quatità di Ammoiaca che si forma può essere calcolata sommado le quatità dei due uici reageti ,5 = 42,5 g di Ammoiaca. Più i geerale sarà ecessario risolvere la proporzioe impostata sul rapporto poderale Azoto/Ammoiaca = 28/34 28g : 34g = 35g : x

2 I molti casi le reazioi o si completao ed i prodotti di reazioe si formao i misura iferiore a quato cosetirebbero i reageti preseti. I tal caso è possibile calcolare ua resa percetuale della reazioe come rapporto tra la quatità di prodotto realmete otteuta e la quatità di prodotto stechiometrica. Esempio Resa di ua reazioe Facedo reagire 30 g di Idrogeo e Azoto i eccesso si ottegoo 136g di Ammoiaca. Calcoliamo la resa della reazioe. L Azoto i eccesso garatisce all Idrogeo la possibilità di reagire completamete. La quatità teorica di Ammoiaca che si può sitetizzare si calcola attraverso ua proporzioe impostata sul rapporto poderale Idrogeo/Ammoiaca = 6/34 6g : 34g = 30g : x x = 170 g di Ammoiaca La resa della reazioe è pertato (136/170)x100 = 80% 2. Reazioi di ossidoriduzioe Ossidazioe - U elemeto chimico si ossida quado, durate ua reazioe, il suo umero di ossidazioe aumeta. Ua reazioe di ossidazioe comporta quidi u trasferimeto di elettroi. U atomo che si ossida perde tati elettroi quati soo idicati dalla variazioe del suo umero di ossidazioe ( ox). Riduzioe - U elemeto chimico si riduce quado, durate ua reazioe, il suo umero di ossidazioe dimiuisce. Ua reazioe di riduzioe comporta quidi u trasferimeto di elettroi. U atomo che si riduce acquista tati elettroi quati soo idicati dalla variazioe del suo umero di ossidazioe ( ox). E' allora evidete che quado, durate ua reazioe chimica, u elemeto si ossida, perdedo elettroi, dovrà esistere u altro elemeto che, acquistadoli, si riduce. Le reazioi di ossidazioe e di riduzioe devoo perciò ecessariamete avveire cotemporaeamete. Si parla pertato di reazioi di ossidoriduzioe o di reazioi redox. Bilaciare ua reazioe redox è più complicato che bilaciare ua reazioe i cui o vi è trasferimeto di elettroi. I geerale per bilaciare ua reazioe redox è ecessario porre davati agli elemeti che si ossidao e che si riducoo dei coefficieti tali da garatire l'eguagliaza tra il umero di elettroi persi da u elemeto ed il umero di elettroi acquistati dall'altro (bilacio degli elettroi). Le reazioi redox possoo essere proposte i due modi: i forma molecolare o i forma ioica etta. 2.1 Strategia di bilaciameto delle reazioi redox i forma molecolare Prima di procedere al bilaciameto è ovviamete ecessario verificare che la reazioe sia effettivamete ua "redox". E' cioè ecessario verificare che almeo due elemeti abbiao subito durate la reazioe dei cambiameti ei umeri di ossidazioe. Ciò risulta particolarmete evidete quado u elemeto si trova da u lato della liea di reazioe allo stato elemetare (ox = 0) e dall'altro si trova legato all'itero di u composto (ox 0). I tutti gli altri casi è ecessario calcolare i umeri di ossidazioe, scrivedo i umeri di ossidazioe variati sopra i rispettivi elemeti N 2 + H 2 O NH 3 + O 2 1) Calcolo elettroi ceduti/acquistati. Si uiscoo co ua freccia gli atomi dell'elemeto che si ossida e co u'altra gli atomi dell'elemeto che si riduce, idividuado i tal modo le semireazioi di ossidazioe e di riduzioe. I corrispodeza di ciascua freccia si scrive il umero di elettroi persi ed

3 acquistati, calcolato come prodotto tra la variazioe (i aumeto o i dimiuzioe) del umero di ossidazioe ( ox), ed il umero di atomi (idice) dell'elemeto che reagisce. Nell esempio che segue: - l Azoto dimiuisce il suo ox (riduzioe) passado da 0 a -3 co ua variazioe di 3 elettroi ( ox = 3) che, moltiplicati per i 2 atomi di azoto preseti i N 2, cioè per l idice dell elemeto che si riduce, dao 6 elettroi acquistati - L ossigeo aumeta il suo ox (ossidazioe) pssado da -2 a 0, co ua variazioe di 2 elettroi che, moltiplicati per l uico atomo di Ossigeo presete i H 2 O, cioè per l idice dell elemeto che si ossida, dao 2 elettroi ceduti I altre parole i due atomi di azoto che si riducoo, acquistado ciascuo 3 elettroi, catturao complessivamete 6 elettroi, metre l'atomo di ossigeo presete ell'acqua, che si ossida, perde i tutto due elettroi. 2) Scrittura semireazioi e bilacio di massa - Si scrivoo le due semireazioi di riduzioe e di ossidazioe. Si bilaciao gli elemeti che si ossidao e che si riducoo (bilacio di massa). Nel caso i cui il bilacio di massa implichi ua variazioe del coefficiete che precede u reagete è ecessario moltiplicare per lo stesso umero ache gli elettroi trasferiti ella semireazioe, aggiorado il umero di elettroi persi o acquistati. N 2 + 6e - NH 3 (riduzioe) H 2 O O 2 + 2e - (ossidazioe) I questo caso: - aggiugiamo u 2 davati all ammoiaca per bilaciare l Azoto N 2 + 6e - 2NH 3 - aggiugiamo u 2 davati all acqua per bilaciare l Ossigeo e aggioriamo a 4 gli elettroi persi durate la semireazioe di ossidazioe (ogi molecola d acqua cede ifatti 2 elettroi, 2 molecole d acqua e cedoo 4) 2H 2 O O 2 + 4e - 3) Calcolo del rapporto di scambio elettroico e bilacio elettroico - Si calcola il rapporto di scambio elettroico tra la specie che si riduce e quella che si ossida (rapporto tra elettroi acquistati ed elettroi ceduti). I questo caso il rapporto sarà 6/4 = 3/2. I altre parole per ogi 3 elettroi assorbiti dalla semireazioe di riduzioe, 2 elettroi vegoo ceduti dalla semireazioe di ossidazioe. Si utilizzao umeratore e deomiatore del rapporto di scambio per moltiplicare, i croce, etrambi i membri delle due semireazioi.. I altre parole si usa il umero trovato i ua semireazioe per moltiplicare l altra (e viceversa) i modo che siao bilaciati (miimo comue multiplo) gli elettroi trasferiti (bilacio elettroico).

4 Ifatti 2 molecole biatomiche di azoto acquistao complessivamete 12 elettroi, metre i 6 atomi di ossigeo preseti elle 6 molecole di acqua perdoo complessivamete 12 elettroi. Sommado membro a membro le due semireazioi si ottiee ifie la reazioe bilaciata 2N e - 4NH 3 6H 2 O 3O e - 3. Soluzioi 2N 2 + 6H 2 O 4NH 3 + 3O 2 Ua soluzioe è u sistema omogeeo di due o più compoeti solidi, liquidi o gassosi, i cui i compoeti soo preseti allo stato atomico o molecolare e risultao pertato iosservabili. Per defiizioe si chiama solvete la sostaza presete i quatità maggiore e (o soluti) la sostaza (o le sostaze) presete i mior quatità. Le soluzioi gassose (gas i gas) vegoo ormalmete dette miscele gassose. Le soluzioi solide soo dette leghe. Noi ci occuperemo delle soluzioi liquide i cui u (solido, liquido o gassoso) si scioglie i u liquido ed essezialmete delle soluzioi acquose, i cui il solvete è l'acqua. 3.1 Cocetrazioe di ua soluzioe La cocetrazioe esprime la quatità relativa dei soluti rispetto al solvete. La cocetrazioe di u si idica mettedo tra paretesi quadre la formula chimica. Ad esempio [H2SO4] si legge "cocetrazioe dell'acido solforico". Esistoo diversi modi per esprimere la cocetrazioe di ua soluzioe. 1) Percetuale i peso C (p/p) E' il rapporto percetuale tra il peso del ed il peso della soluzioe (grammi di per 100 g di soluzioe) C W ( p / p) = Wsoluzioe 2) Percetuale i volume C (v/v) E' il rapporto percetuale tra il volume del ed il volume della soluzioe (ml di per 100 ml di soluzioe). Viee spesso utilizzata elle soluzioi i cui tutti i compoeti soo liquidi. La gradazioe delle bevade alcoliche è ad esempio espressa come percetuale i volume. C V ( v / v) = Vsoluzioe ) Rapporto peso-volume C(p/v) E' il rapporto tra il peso del espresso i grammi ed il volume della soluzioe espresso i litri (g/l). W C = g ( p / v) V L soluzioe

5 4) Frazioe molare (χ) E' il rapporto tra il umero di moli di ed il umero di moli totali. χ = totali = + solvete 5) Molarità (M) E' il rapporto tra il umero di moli di ed il volume della soluzioe espresso i litri. Idica il umero di moli di preseti i u litro di soluzioe (mol/l). ( mol ) L M = Vsoluzioe 6) Molalità (m) E' il rapporto tra il umero di moli di ed il peso del solvete espresso i kg. Idica il umero di moli di preseti per chilogrammo di solvete (mol/kg) 7) Normalità (N) m = W solvete mol kg E' il rapporto tra il umero di equivaleti di ed il volume della soluzioe espresso i litri. Idica quati equivaleti soo preseti i u litro di soluzioe (eq/l). N = V eq soluzioe eq L U equivalete (eq) o grammo-equivalete o peso-equivalete (P eq ) è ua quatità, espressa i grammi, il cui valore dipede dal tipo di sostaza e dal tipo di reazioe. a) Nel caso di ua reazioe redox il peso-equivalete è il rapporto tra il peso molare della sostaza che si ossida (o si riduce) e il umero di elettroi persi (o acquistati) P eq = 3.2 Diluizioi Diluire ua soluzioe sigifica aggiugere ua opportua quatità di solvete i modo da portare la sua cocetrazioe dal valore iiziale (M i ) al valore fiale (M fi ). Per calcolare la quatità di solvete che deve essere aggiuta, si cosideri che il processo di diluizioe o modifica il umero di moli di coteute ella soluzioe. Potremo pertato scrivere i = fi e ricordado che la molarità è pari a M = /V e duque = MV M i V i = M fi V fi Si defiisce solubilità la massima quatità di che può essere disciolta i ua data quatità di solvete. Il processo di solubilizzazioe può essere sia esotermico che edotermico. P M e

6 3.3 Elettroliti, o-elettroliti e grado di dissociazioe Le sostaze che si sciolgoo i acqua (ed i geerale ei solveti polari) si dividoo i elettroliti e oelettroliti. 1. I o-elettroliti soo sostaze che sciolte i acqua o si dissociao i ioi di carica opposta. Soo esempi di o elettroliti il glucosio, l'alcool etilico, l'aidride carboica. Il termie "o-elettrolita" fa riferimeto all'impossibilità per le soluzioi che cotegoo questo tipo di soluti di dare il processo dell'elettrolisi. 2. Gli elettroliti soo sostaze che disciolte i acqua si dissociao, i misura più o meo elevata, i ioi di carica opposta. Il termie "elettrolita" fa riferimeto al fatto che solo le soluzioi che cotegoo ioi di carica opposta soo i grado di dare processi elettrolitici. Si defiisce grado di dissociazioe α il rapporto tra il umero di moli dissociate ed il umero di moli iizialmete preseti. α = dissociate iiziali Il grado di dissociazioe è evidetemete uguale a 0 per i o-elettroliti, è pari a 1 per gli elettroliti forti e assume valori compresi tra 0 ed 1 per gli elettroliti deboli. 3.4 Proprietà colligative Si defiiscoo proprietà colligative di u sistema quelle proprietà il cui valore dipede dal umero delle particelle preseti e o dalla loro atura chimica e fisica. Ad esempio la pressioe ed il volume dei gas soo proprietà colligative. Per quato riguarda le soluzioi risultao proprietà colligative la pressioe osmotica, l'abbassameto relativo della tesioe di vapore elle soluzioi, l'ialzameto ebullioscopico e l'abbassameto crioscopico. Per soluzioi molecolari essu fattore di correzioe sulla formula base, per soluzioi ioiche si moltiplica per ν (somma del umero di ioi prodotti), per soluzioi parzialmete ioiche si moltiplica per [1 + α(ν 1)] Osmosi e Pressioe osmotica Il feomeo dell'osmosi si produce ogiqualvolta due soluzioi a diversa cocetrazioe soo separate da ua membraa semipermeabile (selettivamete permeabile), che permette il passaggio selettivo (diffusioe) solo di alcui compoeti la soluzioe e o di altri. Sperimetalmete si osserva che la pressioe osmotica prodotta da ua soluzioe rispetto al solvete puro obbedisce all'equazioe di stato dei gas perfetti π V = RT dove V = volume della soluzioe ed = umero di moli di Teedo coto poi che /V è la molarità della soluzioe, la relazioe diveta π = RT = MRT V 3.4 Legge di Raoult Il processo di evaporazioe iteressa, come sappiamo, solo le molecole preseti sulla superficie del liquido. I ua soluzioe i cui siao disciolti alcui soluti, elle quatità molari 1, 2, 3,..., le

7 molecole di ciascuo di essi sooo distribuite i modo uiforme su tutta la massa della soluzioe, e quidi ache sulla sua superficie, i modo proporzioale alla loro frazioe molare ( i / tot ). Ciascua delle specie chimiche preseti i soluzioe sarà soggetta ad u processo di evaporazioe e cotribuirà pertato alla formazioe di u vapore, costituito da ua miscela di aeriformi. Ciascu compoete la soluzioe cotribuirà alla tesioe di vapore della soluzioe i modo proporzioale alla frazioe di molecole che occupaoo la superficie della soluzioe ed alla sua maggiore o miore volatilità. I altre parole la tesioe di vapore della soluzioe dipederà dalla frazioe molare di ciascu compoete la soluzioe e dalla tesioe di vapore del compoete stesso. La legge di Raoult esprime quatitativamete tale feomeo, affermado che la tesioe di vapore (P) di ua soluzioe, a temperatura costate è data dalla somma delle tesioi di vapore di ciascu compoete la soluzioe allo stato puro (P o i ), moltiplicato per la frazioe molare ( i ) co cui il compoete compare ella soluzioe stessa. P o = P 1 o o χ + P χ + P χ P o χ I altre parole, la tesioe di vapore di ua soluzioe è ua media poderata delle tesioi di vapore dei suoi compoeti, dove le frazioi molari rappresetao i fattori di poderazioe. o Teedo coto che χ B = 1 χ A, l'equazioe della retta diveta P B = P B ( 1 χ A ) che potremo rappresetare sullo stesso grafico di A otteedo Le soluzioi che rispettao la leggee di Raoult si dicoo soluzioi ideali. 3.5 Ialzameto ebullioscopico ed abbassameto crioscopico Abbiamo visto come la temperatura di ebollizioe di u liquido sia la temperatura alla quale la tesioe di vapore eguaglia la pressioe estera. Si è ioltre osservato come l'aggiuta di u o volatile abbassi la tesioe di vapore di u solvete. Ciò ha duque come cosegueza che quado ua soluzioe raggiuge la temperaturaa di ebollizioe del suo solvete, la sua tesioe di vapore è iferiore a quella ecessaria per produrre l'ebollizioe. La temperatura di ebollizioe di ua soluzioe risulta quidi superiore a quella del solvete puro. La differeza tra la temperatura di ebollizioe della soluzioe e quella del solvete puro è detta ialzameto ebullioscopico ( t eb ) ed è proporzioale alla cocetrazioe molale della soluzioe t = k eb eb dove k eb è ua costate di proporzioalità, detta costate ebullioscopica, il cui valore dipede dalla atura chimica del solvete (o del ). E' possibile verificare il feomeoo osservado come, el diagramma di stato, la liea della tesioe di vapore del liquido slitti, el caso di ua soluzioe, verso destra ed icotri quidi l'ordiata di pressioe 1 atmosfera a temperature superiori. m

8 U effetto aalogo si ha ache sul puto di cogelameto (o di solidificazioe, o di fusioe). La preseza di u poco volatile abbassa ifatti il puto di cogelameto. La variazioe el puto di cogelameto viee detta abbassameto crioscopico ( t cr ) e si dimostra come ach'esso sia proporzioale alla molalità della soluzioe t cr = k cr m dove kcr è ua costate di proporzioalità, detta costate crioscopica, il cui valore dipede dalla atura chimica del solvete (o del ). Si tega presete che quado ua soluzioe cogela i realtà è solo il solvete (o comuque il compoete a più elevato puto di cogelameto) che solidifica, "espelledo" le molecole di dal reticolato solido che si va formado. I tal modo la soluzioe liquida che deve acora cogelare diveta via via più cocetrata i ed il suo puto di cogelameto si abbassa ulteriormete. Ciò spiega come le soluzioi o cogelio i realtà ad ua temperatura be defiita, ma si solidifichio gradualmete all'itero di u certo itervallo di temperatura. ESERCIZI 13. I ua reazioe ua specie si ossida se: A) accetta elettroi da u ossidate B) accetta elettroi da u riducete C) cede elettroi a u ossidate D) cede elettroi a u riducete 13 C

9 15. La pressioe osmotica di ua soluzioe acquosa molto diluita del B praticamete o volatile e o ioizzabile co [B] < 10 3 M: A) o varia co la temperatura B) o dipede dalla cocetrazioe del B C) o dipede dalla atura del B D) dipede dal puto di fusioe del solido B 15 C 17. La seguete reazioe: 2 AgBr(s) + Cl2(g) => 2 AgCl(s) + Br2(l) è di: A) sitesi B) decomposizioe C) acido-base D) redox 17 D 8. Idicare i coefficieti della seguete reazioe da bilaciare: As2O3 + KIO4 + KOH => K3AsO4 + KIO3 + H2O A) 1, 2, 6, 2, 2, 3 B) 1, 3, 6, 2, 2, 2 C) 1, 2, 6, 2, 3, 3 D) 1, 2, 5, 2, 2, 3 8 A 23. Idicare la molarità (M) di ua soluzioe acquosa di HCl (Mr = 36,46), coteete ua massa ota di acido (2,500 g) i u volume oto (135,00 ml) di soluzioe: A) 3,61 M B) 1,35 m C) 0,51 mol L 1 D) 1,02 mol 23 C 30. La molarità MB del B i u solvete A è: A) idipedete dalla temperatura B) dipedete dalla temperatura C) dipede dalla atura del B D) dipede dalla atura del e del solvete 30 B

10 31. Se da ua soluzioe acquosa di KOH (0,20) M) si vuol preparare u volume oto di ua soluzioe più diluita (200,00 ml; 0,09 M), l operatore deve usare: A) 90 ml B) 120 ml C) 112 ml D) 50 ml 31 A 50. Sapedo che la pressioe osmotica del sague è di 7,70 atm a 25 C, idicare la cocetrazioe molare di ua soluzioe di glucosio isotoica co il sague A) 0,62 M B) 0,155 M C) 0,31 M D) 0,82 M 50 C 12. Il bilaciameto di ua reazioe chimica permette, tra l altro, di: A) cooscere la velocità di formazioe dei prodotti B) prevedere la spotaeità della reazioe C) prevedere se la reazioe è esotermica o edotermica D) cooscere il rapporto poderale fra i reageti 12 D 37. Cosiderare la reazioe da bilaciare MO4 (aq) + Cl (aq) => Cl2 + M2+(aq) che avviee i ambiete acido acquoso e idicare i coefficieti delle specie idicate: A) 2, 10, 16, 5 B) 2, 10, 5, 2 C) 1, 5, 10, 2 D) 2, 5, 8, 5 37 B 5. Idicare la quatità chimica di Na+ che più si avvicia a quella coteuta i 20,00 ml di Na3PO4 0,400 M: A) 0,008 mol B) 0,024 mol C) 0,050 mol D) 0,200 mol 5B

11 30. Idicare la massa di NaOH ecessaria per preparare ua soluzioe acquosa di NaOH (500 ml; 1,00 M) (ANa = 23 u; AO = 16 u; AH = 1 u): A) 20,0 g B) 8,00 g C) 32,0 g D) 80,0 g 30 A 38. Bilaciata la seguete equazioe chimica, idicare il coefficiete di O2: NH3(g) + O2(g) => NO(g) + H2O(g) A) 1 B) 3 C) 5 D) 8 38C 13. Idicare la soluzioe più cocetrata tra le segueti, sapedo che esse cotegoo rispettivamete: A) 1 mol di B i 1 L di soluzioe B) 2 mol di B i 2 L di soluzioe C) 3 mol di B i 3 L di soluzioe D) 5 mol di B i 4 L di soluzioe 13D 50. Idicare la temperatura di ebollizioe (per P = 1 atm) di ua soluzioe acquosa ioica coteete 1,5 moli/kg di solfato di sodio(cosiderare keb =0,52 C kg mol 1 1): A) 101,02 C B) 102,34 C C) 100,78 C D) 100,63 C 50 B 51. Il grado di dissociazioe di u elettrolita NON dipede da: A) il tipo di elettrolita B) la temperatura C) la costate di dissociazioe dell elettrolita D) la pressioe estera sulla soluzioe 51D