Stechiometria. Relazione quantitativa tra specie chimiche che reagiscono tra loro

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1 Stechiometria Relazione quantitativa tra specie chimiche che reagiscono tra loro

2 Massa molecolare (o peso molecolare) e massa formula Massa molecolare (o peso molecolare) di un composto è pari alla somma delle masse atomiche degli atomi presenti nella unità di formula. Esempio: massa molecolare di H 2 O= (2x1.008u) u = 18.02u Per i composti ionici si usa il termine massa formula poiché in essi non sono costituiti da molecole Esempio: massa formula di Ba(NO 3 ) 2 =137,3u+(2x14.01u)+(6x16.00)=261.3u

3 Mole La mole (mol)è la quantitàdisostanzache contiene tante entità elementari quanti sono gli atomiin 12 g of carbonio-12 ( 12 C). Il termine entità si riferisce ad atomi, ioni, molecole, unità formula, elettroni ogni tipo di particella. Unamole (1 mol) contiene6,022x10 23 entità, Numerodi Avogadro (N A ).

4 Massa di una mole di atomi di un elemento La massaatomicadi un elemento(m) espressain unità di massaatomica(u) é pariallamassadi 1 mole di atomi dell elemento(n) espressa in grammi. Massa di un atomo di ferro Fe 55.85u Massa di unamoledi atomi di Fe 55.85g Massa di un atomo di ossigeno O 16.00u Massa di una mole di ossigeno O 16.00g

5 Massa di una mole di un composto La massa molecolare (composti covalenti )o massa formula (composti ionici) di un composto (m) espressa in unità di massa atomica (u) é pari allamassadiunamoledicomposto(n)espressain grammi. Massa di una molecola di H 2 O18.02u Massa di unamoledi H 2 O18.02g Massa di una unità di formula di NaCl58.44u Massa di una mole NaCl58.44g

6 Massa molare (g/mol) La massa molare (M) di una sostanza è numericamente uguale alla massa di una mole di sue entità (atomi, molecole, unità formula) espressa in grammi. Elementi monoatomici: massa molare dell elemento massa molare(m) : Ne g/mol, Fe g/mol, Au g/mol Elementi molecolari: nota la formula molecolare e la massa molare dell elemento massa molare(m)di S 8 = 8 x g/mol=256.6 g/mol massa molare(m)di O 2 = 2 x g/mol=32.00 g/mol Composti: somma delle masse molari degli elementi presenti nella formula massa molare(m)di SO 2 = g/mol + (2 x g/mol)=64.07 g/mol massa molare(m)di K 2 S = (2 x g/mol) g/mol= g/mol

7 Una mole di carbonio, zolfo, rame, mercurio, ferro!

8 Informazionicontenutenellaformula chimicadel glucosio C 6 H 12 O 6 ( M= 180,16 g/mol) Carbonio (C) Idrogeno (H) Ossigeno (O) Atomi/molecola di composto Moli di atomi/moli composto 6 atomi 12 atomi 6 atomi 6 mol di atomi 12 mol di atomi 6 mol di atomi Atomi/mole di 6(6,022x10 23 ) atomi 12(6,022x10 23 ) atomi 6(6,022x10 23 ) atomi composto Massa/molecola di composto 6(12,01 u) = 72,06 u 12(1,008 u) = 12,10 u 6(16,00 u) = 96,00 u Massa/mole di composto 72,06 g 12,10 g 96,00 g

9 Massa (g), quantità (mol), numero massa(g) = numero di moli(n)mol x massa molare(m) g/mol m = n x M numero di moli(n)mol= massa(g)/massa molare(m) g/mol n = m / M numero di entità (N)= numero di moli(n)molx 6,022 x10 23 entità /mole N = nx N A numero di moli(n)mol=numero di entità (N)/ 6,022 x10 23 entità /mole n=n / N A

10 massa (g), quantità (mol), numero di entità

11 Determinare la massa di: Esercizi tipo 0.2 mol di Idrossido di Magnesio formula? Mg(OH) 2 massa formula? 58.32u massa molare? 58.32g/mol massa =0.2 mol x g/mol=11.66 g mol di Nitrito Stannoso formula? Sn(NO 2 ) 2 massa formula? u massa molare? g/mol massa= mol x g/mol=6.32 g mol di Solfato di Bario formula? BaSO 4 massa formula? 233,40u massa molare? 233,40g/mol massa= mol x g/mol=1.70 g mol di tricloruro di Alluminio Formula? AlCl 3 massa formula? u massa molare? g/mol massa=0.047 moli x g/mol= 6.27 g

12 Esercizi tipo Quanti atomi sono presenti in 2 g d Oro? Au massa atomica? u massa molare? g/mol moli? n = 2 g / gmol -1 = mol N = n x N A = mol x atomi/mol= atomi Quanto pesano atomi di Ferro? Fe massa atomica? 55.85u massa molare atomica? 55.85g/mol n = N/ N A = atomi / atomi mol -1 = mol m = n x M = mol x g/mol = 9, g Quante molecole sono presenti in 120 g di glucosio? C 6 H 12 O 6 massa molecolare? u massa molare? g/mol moli? n=120 g/ gmol -1 = 0.67 mol N = n x N A = mol x = molecole

13 Esercizi Quanti atomi di Fe sono presenti in 95.8 g di ferro? Quanto è la massa in grammi di moli di argento? Quante moli di carbonio vi sono in 315 g di grafite? Quanto è la massa in grammi di 3.22 x atomi di manganese, Quanto è la massa in grammi di 3.22 x atomi di manganese, pari al numero di atomi presente in 1 kg di tessuto osseo?

14 Reazioni chimiche ed equazioni chimiche Reazione chimica processo nel quale una sostanza (o più sostanze) si trasforma/no in una (o più) sostanza/e differente/i. Equazione chimica enunciato in formule che esprime le identità e le quantità delle sostanze che partecipano ad una trasformazione.

15 Come si scrive e come si legge un equazione chimica? Una freccia indica la trasformazione dei reagenti nei prodotti. Mg + O 2 MgO reagenti a sinistra prodotti a destra

16 Legge della conservazione di massa (o Legge di Lavoisier) In una reazione chimica la massa totale delle sostanze rimane invariata. Il numero di sostanze può variare ma la quantità totale di materia rimane costante.

17 Bilanciamento delle equazioni chimiche 1. Identificare reagenti e prodotti con le corrette formule chimiche 2. Bilanciare l equazione chimica utilizzando dei coefficienti (noti come coefficienti stechiometrici), numero presente davanti alla formula della sostanza, in modo che lo stesso numero e tipo di atomi sia presente nei due membri dell equazione e senza modificare gli indici(i.e. numeri a pedice delle formule chimiche) 3. Verificare che per ogni specie chimica il numero totale di atomi coincida da entrambe le parti dell equazione. 4. Aggiungere lo stato di aggregazione delle sostanze.

18 In pratica traduzione dell enunciato Magnesio e ossigeno gassoso reagiscono per dare ossido di magnesio: Mg + O 2 MgO bilanciare con i coefficienti stechiometrici senza modificare le formule 2Mg + O 2 2MgO sistemare gli altri coefficienti(se necessario) verificare specificare stato di aggregazione 2Mg (s) +O 2 (g) 2MgO (s)

19 Esercizio tipo: dall enunciato alla reazione bilanciata L ottano (C 8 H 18 ) è uno dei numerosi idrocarburi presenti nella benzina la cui combustione con ossigeno atmosferico forma diossido di carbonio e vapore acqueo. Scrivere equazione bilanciata della reazione. _C 8 H 18 + _O 2 _CO 2 + _H 2 O 1_C 8 H 18 + _O 2 _CO 2 + _H 2 O 1_C 8 H 18 + _O 2 1_C 8 H 18 + _O 2 1_C 8 H /2_O 2 2_C 8 H _O 2 8_CO 2 + _H 2 O 8_CO 2 + 9_H 2 O 8_CO 2 + 9_H 2 O 16_CO _H 2 O 2C 8 H 18 (l) + 25O 2 (g) 16CO 2 (g)+ 18H 2 O (g)

20 Altri esercizi tipo Scrivere le equazioni bilanciate per ciascuno dei seguenti enunciati chimici: Decomposizione esplosiva della dinamite: La nitroglicerina (C 3 H 5 N 3 O 9 ) liquida esplode producendo una miscela gassosa di diossido di carbonio, vapore acqueo, azoto ed ossigeno. Reazione caratteristica dei metalli del gruppo 1 A(1): Pezzetti di sodio reagiscono violentemente con acqua per formare idrogeno gassoso e idrossido di sodio. Scambio di partner di composti alogenati: Il trifluorurodi fosforo si ottiene dalla reazione di tricloruro di fosforo con fluoruro di idrogeno, l altro composto formato è il cloruro di idrogeno. Alla reazione prendono parte soltanto gas. Scomposizione di un composto in elementi: Il solfuro di mercurio (II) solido per riscaldamento si decompone nei suoi elementi. Ossidazione di un metallo in aria Alluminio metallico in presenza di ossigeno atmosferico forma ossido di alluminio.

21 Esercizio tipo: bilanciamento di equazioni chimiche KClO 3 KCl + O 2 (2-2,3) K + H 2 O KOH + H 2 (2,2-2,1) P + O 2 P 2 O 3 (4,3-2) Fe 2 O 3 + C CO + Fe (1,3-3,2) P + Cl 2 PCl 5 (2,5-2) 2 5 H 2 S + O 2 H 2 O + S (2,1-2,2) H 2 S + H 2 O 2 H 2 SO 4 + H 2 O (1,4-1,4) SO 2 + H 2 S H 2 O + S (1,2-2,3) HI +H 2 SO 4 SO 2 + H 2 O + I 2 (2,1-1,2,1) H 2 SO 4 + LiOH Li 2 SO 4 + H 2 O (1,2 1,2)

22 H 2 SO 4 + LiOH Li 2 SO 4 + H 2 O (1,2 1,2) SiO 2 + HF H 2 O + SiF 4 (1,4 2,1) AsCl 3 + H 2 S HCl + As 2 S 3 (2,3 6,1) HNO 3 + H 2 S NO + S + H 2 O (2,3-2,3,4) Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO + H 2 O (3,8-3,2,4) Br 2 + S + H 2 O HBr + H 2 SO 4 (3,1,4-6,1) Fe2O3 + C CO + Fe (1,3-3,2) CuO + CO Cu + CO 2 (1,1-1,1) P + Cl 2 PCl 5 (2,5-2) Zn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + H 2 (1,1-1,1) H 2 O 2 H 2 O + O 2 (2-2,1) HNO 3 + H 2 S NO + H 2 O + S (2,3-2,4,3)

23 Quantità di reagenti e prodotti Metodo della mole: i coefficienti stechiometrici in una reazione chimica possono essere interpretati come il numero di moli di ogni sostanza

24 Quantità di reagenti e prodotti

25 Quantità di reagenti e prodotti Reagenti C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) Prodotti 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O(g) Molecole 1 molecola C 3 H molecole O 2 3 molecole CO molecole H 2 O Quantità (mol) Massa (u) Massa (g) 1 mol C 3 H mol O 2 44,09 u C 3 H ,00 u O 2 44,09 g C 3 H ,00 g O 2 3 mol CO mol H 2 O 132,03 u CO ,06 u H 2 O 132,03 g CO ,06 g H 2 O Massa totale(g) 204,09 g 204,09 g

26 Esercizio tipo:equivalenza stechiometrica Il propano è un comune combustibile utilizzato per uso domestico. Nella combustione del propano C 3 H 8 (g), quante moli di ossigeno si consumano per produrre 10.0 moli di acqua? In base alla equazione chimica bilanciata: C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O(g) 5 moli di O 2 sono equivalenti stechiometricamentea 4 moli di H 2 O quindi: moli di O 2 consumate = (5molO 2 / 4molH 2 O) x 10mol H 2 O = 12.5 mol

27 Esercizio tipo:equivalenza stechiometrica In media un individuo adulto assume 2litri di acqua al giorno e ne elimina 2.4litri. La differenza è prodotta dal metabolismo del cibo come ad esempio l ossidazione del glucosio. Quanti grammi di acqua sono prodotti nell ossidazione di 1,00 g di glucosio (C 6 H 12 O 6 )? C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) Massa molare C 6 H 12 O g/mol n=m(g) / M (g/mol) = mol di glucosio 1 mole C 6 H 12 O 6 : 6 moli H 2 O= = mol C 6 H 12 O 6 : x moli H 2 O moli H 2 O = 6 x mol = mol Massa molareh 2 O 18 g/mol m H 2 O= mol x 18 g/mol =6 x 10-1 g

28 Altri esercizi: equivalenza stechiometrica L idrossido di litio solido è usato nei veicoli spaziali per rimuovere l anidride carbonica esalata dagli astronauti. L idrossido di litio reagisce con diossido di carbonio gassoso per formare carbonato di litio solido ed acqua allo stato liquido. Quanti grammi di anidride carbonica vengono rimossi da 1.00 g di idrossido di litio?

29 In sintesi

30 In sintesi

31 Reagente limitante Se in una reazione chimica uno dei reagenti si esaurisce, la reazione si arresta. Il reagente completamente consumato è detto reagente limitante, gli altri reagenti sono chiamati reagenti in eccesso. Esempio: Il più importante processo industriale per convertite l azoto presente nell aria in un composto contenente azoto è basato sulla reazione gassosa di azoto ed idrogeno gassoso per formare ammoniaca (NH 3 ). Quante moli di ammoniaca si formano a partire da 3.0 mol di azoto e 6.0 mol di idrogeno? N 2 (g)+ 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Agente limitante? Idrogeno! Quindi 3 moli idrogeno : 2 moli di ammoniaca = 6 moli di idrogeno : x moli di ammoniaca n = 4 moli di ammoniaca

32 Altri esercizi: reagente limitante A temperatura ambiente l alluminio ed il cloro reagiscono per formare tricloruro di alluminio. Nel caso in cui si abbiano 1.5 mol di alluminio e 3,00 moli di cloro determinare: (a) Quale è il reagente limitante? (b) quante moli si formano di tricloruro di alluminio? (c) Quante moli del reagente in eccesso rimangono al termine della reazione? Nelle celle a combustibile la reazione tra idrogeno ed ossigeno allo stato gassoso forma acqua con rilascio di energia. Se una cella a combustibile è caricata con 150 g di idrogeno gassoso oppure con 1500 g di gassoso quanti grammi di acqua si formano?

33 Resa teorica, effettiva e percentuale di una reazione La resa teorica è la quantità di prodotto calcolatain una reazione quando tuttoil reagente limitanteè consumato. La resa effettiva è sempre inferiore alla resa teorica. La resa percentuale correla la resa teorica e la resa effettiva in base alla relazione: Resa % = (resaeffettiva / resa teorica) x 100

34 Esercizio tipo L acido adipico(c 6 H 10 O 4 ) utilizzato per produrre il Nylonè prodotto dalla reazione tra cicloesano (C 6 H 12 ) allo stato liquido ed ossigeno, sapendo che il sottoprodotto di reazione è vapore acqueo: (a) Determinare la resa teorica assumendo che il cicloesano sia agente limitante pari a 25.0 g (b) Se si ottengono 33.5 g di acido adipicoquale è la resa percentuale del processo? 2 C 6 H 12 (l) + 5 O 2 (g) 2 C 6 H 10 O 4 (l) + 2 H 2 O (g) n = 25.0g / 84g/mol = 0.3 mol 2mol cicloesano : 2mol acido adipico= 0.3mol cicloesano : xmol acido adipico quindi mol acido adipico = 0.3 mol m=0.3 mol x 146 g/mol = 43.8 g (resa teorica!) Resa percentuale = (33.5 g / 43.8 g) x 100 = 76.5 %