Reazione completa con sviluppo di gas

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1 UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI CAMERINO SCUOLA DI SCIENZE E TECNOLOGIE Corso di Laurea in CHIMICA (Piano Lauree Scientifiche) Esperienza n. 1 Reazione completa con sviluppo di gas Materiali occorrenti cilindro graduato da 50 ml, sostegno e pinza, cristallizzatore da 2 litri, beuta da 25 ml, tubo in gomma con tappo in gomma forato. Sostegno Pinza Cilindro graduato Reagenti calcio elementare, acqua distillata. Tubo in gomma Reazione chimica Ca + 2H 2 O Ca(OH) 2 + H 2 Obiettivo dell esperienza Calcolare il volume teorico di idrogeno che si libera dalla reazione in base alla quantità di calcio pesata e verificare l esattezza del risultato sperimentalmente. Cristallizzatore Beuta da 25 ml Pezzetti di calcio Metodica Riempire il cristallizzatore con acqua fino a metà altezza. Riempire fino all orlo il cilindro da 50 ml poi, tappandolo con una mano, capovolgerlo ed immergere l estremità nell acqua del cristallizzatore. Fissare quindi il cilindro alla pinza come in figura. Introdurre nella beuta circa 20 ml di acqua distillata. Pesare in una navicella una quantità compresa fra 0,040 e 0,080 g di calcio elementare (circa 2 pezzetti). Introdurre la quantità pesata di calcio nella beuta e collegare immediatamente il tubicino in modo da convogliare l idrogeno che si sviluppa nel cilindro precedentemente riempito di acqua. Misurare il volume di idrogeno raccolto sull acqua. Esempio Immaginiamo di aver pesato 0,0561 g di calcio. Calcoliamo le moli di calcio corrispondenti a 0,0561 g. Le moli si calcolano dal rapporto tra grammi e massa atomica del calcio (40 uma). g 0,0561( g) n n 0, 0014 moli di calcio. MM 40( uma) Dalla stechiometria della reazione possiamo dedurre che le moli di calcio corrispondono anche alle moli di idrogeno, infatti da ogni atomo di calcio si ottiene una molecola di idrogeno. Conoscendo le moli di idrogeno possiamo calcolare il volume di idrogeno sviluppato tramite la legge dei gas. PV = nrt nrt V quindi P 0,0014( n) 0,082( l atm K V 1( atm) 1 ) 293( K) 0,0336 litri 1

2 0,0336 litri corrispondono a 33,6 ml. Quindi dalla reazione dovrebbe liberarsi un volume di 33,6 ml misurabile tramite il cilindro graduato in millilitri. Filtrazione dell idrossido di calcio Ca(OH) 2 Alla fine della reazione nella beuta si osserverà la presenza di un precipitato bianco, si tratta dell idrossido di calcio Ca(OH) 2 poco solubile in acqua. Tale precipitato può quindi essere separato dalla fase liquida per filtrazione. Utilizzando la carta da filtro realizzare un filtro da posizionare nell imbuto e versare tutto il contenuto della beuta di reazione nel filtro. Riprendere un po della soluzione satura per lavare la beuta e recuperare eventuali residui di Ca(OH) 2 rimasti sul vetro. Lasciare asciugare il precipitato sul filtro, e successivamente pesare la quantità di calcio idrossido Ca(OH) 2 ottenuta. Beuta di reazione in cui è contenuto il Ca(OH) 2 Anello di sostegno Imbuto con carta da filtro Becher per la raccolta della soluzione satura Determinazione della quantità di calcio incognita Lavare la beuta con acqua distillata e ripreparare tutto il sistema di raccolta dei gas sull acqua per una nuova esperienza in cui si dovrà determinare una quantità incognita di calcio metallico in base al volume di gas idrogeno liberato dalla reazione. 2

3 UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI CAMERINO SCUOLA DI SCIENZE E TECNOLOGIE Corso di Laurea in CHIMICA (Piano Lauree Scientifiche) Esperienza n. 2 Un esempio di reazione completa: l esplosione dell argento azide AgN 3 Materiali occorrenti filo di ferro ed accendino, supporto in cartone. Reagenti argento azide AgN 3. Reazione chimica 2AgN 3(solido) 2Ag (solido) + 3N 2(gas) Obiettivo dell esperienza Osservare e comprendere le caratteristiche di alcune reazioni di decomposizione estremamente veloci, definite reazioni esplosive. Metodica Si dispone, con molta cautela, su una superficie di cartone una piccolissima quantità di AgN 3 (circa 4-5 mg). Si scalda con un accendino l estremità di un filo di ferro che sia lungo almeno 30 cm. Avvicinando l estremità rovente alla piccola quantità di argento azide si osserverà l immediata esplosione, che lascia solo piccole tracce di argento metallico sull estremità del filo di ferro. L onda d urto dell esplosione genera un buco nel cartone usato come supporto. Tale esplosivo ha un forte effetto dirompente, che per le quantità utilizzate si limita ad un corto raggio d azione, circa 2-3 centimetri. Alcune informazioni L argento azide (o argento nitruro) AgN 3 è un composto estremamente instabile che può dar luogo facilmente a una reazione di decomposizione molto veloce, in grado di liberare azoto gassoso e calore. Il gas azoto N 2 viene liberato in una frazione di secondo, provocando un repentino aumento di volume che genera l onda d urto dell esplosione. L argento azide è estremamente pericolosa in quanto può esplodere molto facilmente anche per urto. L argento azide si può ottenere tramite una reazione di precipitazione tra argento nitrato AgNO 3 e sodio azide NaN 3 in acqua, come indicato nel seguente schema di reazione. AgNO 3 + NaN 3 2AgN 3 + NaNO 3 L airbag La sodio azide NaN 3 (o sodio nitruro) è un composto anch esso esplosivo ma più stabile rispetto all argento azide, e può essere conservato tranquillamente senza pericolo di esplosione per urto. La sodio azide viene utilizzata negli airbag, infatti quando NaN 3 viene innescata tramite un contatto elettrico, esplode liberando il gas azoto N 2 che immediatamente gonfia l airbag. È fondamentale che la 3

4 reazione sia estremamente rapida in modo da gonfiare l airbag prima che il conducente arrivi ad urtare lo sterzo, si tratta di tempi dell ordine dei centesimi di secondo. La reazione viene innescata elettricamente quando il veicolo decelera bruscamente L azoto liberato dalla sodio azide riempie l airbag in secondi (5 centesimi di secondo) Le collisioni tra veicoli durano mediamente circa secondi Esercizio Se volete riempire un airbag, che ha un volume di 28 L (ad una pressione di 1.09 atm a 22 C), quanta sodio azide NaN 3 è necessaria per generare la quantità richiesta di azoto N 2? Consideriamo la reazione chimica: 2NaN 3(solido) 2Na (solido) + 3N 2(gas) Prima di tutto dobbiamo calcolare le moli di azoto gassoso tramite la legge dei gas: PV = nrt Esplicitiamo rispetto al numero di moli n PV n RT Ora, poiché dalla stechiometria di reazione sappiamo che per ogni 2 moli di NaN 3 si ottengono 3 moli di azoto gassoso N 2, possiamo calcolare le moli di sodio azide NaN 3 necessarie tramite la seguente proporzione: (2 moli di NaN 3 ) : (3 moli di N 2 ) = (moli di NaN 3 incognite) : (moli calcolate di N 2 ) 2 n n 3 NaN 3 N 2 Dalle moli di sodio azide calcolate si risale ai grammi di sodio azide NaN 3 necessari a gonfiare l airbag da 28 L, sapendo che il suo peso molecolare è 65. 4

5 UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI CAMERINO SCUOLA DI SCIENZE E TECNOLOGIE Corso di Laurea in CHIMICA (Piano Lauree Scientifiche) Esperienza n. 3 Reazioni di precipitazione e riconoscimento di ioni metallici Materiali occorrenti 12 provette da saggio, porta provette, spruzzetta con acqua distillata, cilindro da 10 ml. Reagenti soluzioni al 5% di potassio ioduro KI, potassio solfato K 2 SO 4, piombo nitrato Pb(NO 3 ) 2, bario cloruro BaCl 2 e magnesio cloruro MgCl 2, acqua distillata. Obiettivo dell esperienza Realizzare alcune reazioni di precipitazione, osservare le caratteristiche dei prodotti ed acquisire conoscenze sul comportamento di alcuni ioni metallici. Successivamente, sulla base delle conoscenze acquisite, individuare il contenuto incognito di tre soluzioni. Metodica Introdurre circa 3 ml di acqua distillata in una provetta ed aggiungere 3 gocce della soluzione contenente piombo nitrato Pb ++ (NO 3 ) 2 e successivamente 3 gocce della soluzione contenente potassio ioduro K + I, osservare cosa si verifica e riportare nella tabella le osservazioni. Procedere in modo analogo con le altre reazioni indicate in tabella. Reazione chimica Scrivi cosa osservi Pb ++ (NO 3 ) K + I PbI K + NO 3 Pb ++ (NO 3 ) 2 + (K + ) 2 SO 4 PbSO K + NO 3 Mg ++ (Cl ) K + I Mg ++ (I ) K + Cl Mg ++ (Cl ) 2 + (K + ) 2 SO 4 Mg ++ SO K + Cl Ba ++ (Cl ) K + I Ba ++ (I ) K + Cl Ba ++ (Cl ) 2 + (K + ) 2 SO 4 BaSO K + Cl 5

6 Determinazione degli ioni metallici presenti nelle soluzioni (1), (2) e (3) Ciascuna delle 3 soluzioni fornite dai docenti viene suddivisa in due provette, in modo da poter effettuare i due saggi di riconoscimento, usando in un caso la soluzione di potassio ioduro K + I e nell altro la soluzione di potassio solfato (K + ) 2 SO 4. Procedere come riportato in tabella: Reazione chimica ione metallico incognito (1) + K + I Scrivi cosa osservi e ipotizza il prodotto _ ione metallico incognito (1) + (K + ) 2 SO 4 _ ione metallico incognito (2) + K + I _ ione metallico incognito (2) + (K + ) 2 SO 4 _ ione metallico incognito (3) + K + I _ ione metallico incognito (3) + (K + ) 2 SO 4 _ Cristalli di piombo ioduro PbI 2 (foglioline d oro) Versare il contenuto delle due provette contenenti il precipitato giallo di piombo ioduro PbI 2 in un matraccio da 20 ml e portare a volume con acqua distillata. Successivamente immergere il matraccio in acqua calda a gradi. A caldo il precipitato giallo dovrebbe disciogliersi e, per lento raffreddamento, sarà poi possibile osservare la formazione di cristalli di PbI 2 con forma di foglioline simili all oro. PbI 2 Si aggiunge acqua distillata fino al segno Matraccio 6

7 UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI CAMERINO SCUOLA DI SCIENZE E TECNOLOGIE Corso di Laurea in CHIMICA (Piano Lauree Scientifiche) Esperienza n. 4 Reazione di formazione del biossido di azoto. Equilibrio chimico tra biossido di azoto (NO 2 ) e tetrossido di diazoto (N 2 O 4 ). Materiali occorrenti beuta da 100 ml, cristallizzatore da 2 litri, ampolla sigillata contenente miscela all equilibrio di NO 2 e N 2 O 4. Reagenti rame metallico in fili, acido nitrico HNO 3 concentrato (soluzione al 65%). Reazioni chimiche Cu + 4HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O 2NO 2(gas) Rosso bruno N 2 O 4(gas) Incolore Obiettivo dell esperienza Osservare e comprendere l effetto della temperatura sull equilibrio chimico. Aspetti microscopici Temperatura ambiente 2NO 2(gas) Temperatura bassa N 2 O 4(gas) Rosso bruno Incolore 7

8 Metodica per la produzione del biossido di azoto NO 2 Alcuni fili di rame vengono messi in una beuta da 100 ml, in cui si aggiungono circa 10 ml di acido nitrico concentrato. Immediatamente si osserva la formazione di un gas di colore rosso bruno, molto denso e pesante, che fuoriuscendo dalla beuta scende verso il basso perché più pesante dell aria. Le molecole di biossido di azoto NO 2 tendono ad aggregarsi per formare un gas incolore costituito da molecole di tetraossido di diazoto N 2 O 4. Il biossido di azoto NO 2 (rosso bruno) è in equilibrio con la sua forma dimerica tetraossido di diazoto N 2 O 4 (incolore). Abbassando la temperatura l equilibrio chimico si sposta a favore della specie N 2 O 4 incolore, si osserva quindi la decolorazione del gas. Al contrario riscaldando, le molecole dimeriche incolore tendono a decomporre, formando nuovamente molecole NO 2 che impartiscono la colorazione rosso bruno. 8