+ + Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Le equazioni chimiche e la stechiometria. CH 4 (g)+ 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 1

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1 Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Le equazioni chimiche e la stechiometria molecola di metano (CH 4 ) 2 molecole di ossigeno (O 2 ) 1 molecola di biossido di carbonio (CO 2 ) 2 molecole di acqua (H 2 O) CH 4 (g)+ 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 1 Alcune immagini sono state prese e modificate da Chimica di Kotz, Treichel & Weaver, Edises 2007, III edizione

2 Quando un getto di cloro gassoso (Cl 2 ) viene indirizzato su fosforo solido (P 4 ), la miscela esplode in fiamme e la reazione chimica produce tricloruro di fosforo liquido (PCl 3 ). Questa reazione chimica può essere rappresentata usando una equazione chimica bilanciata P 4 (s) + 6 Cl 2 (g) 4 PCl 3 (l) reagenti prodotti Le quantità relative in moli dei reagenti e dei prodotti sono indicate da numeri, i coefficienti stechiometrici, che precedono le formule (quì, 1, 6 e 4) Cl 2 PCl 3 P 4 2

3 Nel XVIII secolo Lavoisier introdusse la legge di conservazione della materia, la quale stabilisce che la materia non può essere né creata né distrutta. Applicata alla reazione tra fosforo e cloro la legge di conservazione della materia ci dice che per produrre 4 molecole di PCl 3 sono necessarie una molecola tetraatomica di fosforo P 4 (con 4 atomi di fosforo) e 6 molecole biatomiche di cloro Cl 2 (con 12 atomi di cloro). 6 x 2 12 atomi di Cl 4 x 3 12 atomi di Cl Antoine Lavoisier ( ) P 4 (s) + 6 Cl 2 (g) 4 PCl 3 (l) 4 atomi di P 4 atomi di P Lo stesso numero di atomi di ciascun elemento devono essere presenti nei reagenti e nei prodotti, anche se essi appartengono a composti diversi 3

4 I numeri che precedono ogni unità di formula in una equazione chimica bilanciata sono richiesti dalla legge di conservazione della materia. Il numero può riferirsi al numero di atomi o molecole o anche alle quantità di moli dei reagenti e dei prodotti. La relazione tra quantità di prodotti e reagenti chimici viene detta stechiometria, ed i coefficienti in una equazione chimica bilanciata sono i coefficienti stechiometrici. 2 Fe(s) + 3 Cl 2 (g) 2 FeCl 3 (s) coefficienti stechiometrici 4

5 Esempio 1: Nella seguente reazione: 2 Al(s) + 3 Br 2 (l) Al 2 Br 6 (s) a) assegnare il nome ai reagenti ed ai prodotti, indicando il loro stato fisico. alluminio solido, bromo liquido e bromuro di alluminio solido b) Quali sono i coefficienti stechiometrici in questa equazione? 2, 3 ed 1, rispettivamente c) Se si avessero a disposizione 8000 atomi di Al, quante molecole di Br 2 sarebbero necessari per consumarli completamente? dall equazione chimica bilanciata risulta che sono necessarie 3 molecole di Br 2 per consumare 2 atomi di Al. 3 : 2 x : 8000 x / molecole di Br 2 Si formeranno 4000 molecole di Al 2 Br 6 5

6 Bilanciamento delle equazioni chimiche Il bilanciamento garantisce che in entrambi i membri dell equazione chimica sia presente lo stesso numero di atomi di ciascun elemento. Una classe generale di reazioni è la reazione dei metalli o non metalli con l O 2 per dare gli ossidi di formula generale Me x O y. 2 Mg (s) + O 2 (g) 2 MgO (s) 4 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) P 4 (s) + 5 O 2 (g) P 4 O 10 (s) 6

7 Esempio 2: Se a, b e c sono i coefficienti stechiometrici, si bilanci la seguente equazione chimica a Fe (s) + b O 2 (g) c Fe 2 O 3 (s) Soluzione: Per bilanciare una equazione chimica si applica il principio di conservazione della materia: # a 2c " 2b 3c $ se c 1 # a 2 3 b " 2 attribuiamo un valore arbitrario ad un coefficiente stechiometrico, ad esempio c 1 coefficiente frazionario 4 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) si moltiplica il sistema per 2 $ c 2 # a 4 " b 3 verifica: si contino gli atomi alla destra e sinistra della freccia 7

8 La combustione, cioè la combinazione di un combustibile con l O 2 è accompagnata dallo svolgimento di calore (reazione esotermica). Ad esempio nei motori delle autovetture si bruciano componenti della benzina come l ottano (un idrocarburo che contiene solo C e H): 2 C 8 H 18 (l) + 25 O 2 (g) 16 CO 2 (g) + 18 H 2 O (g) becco bunsen Quando si bilanciano le equazioni chimiche: le formule di reagenti e prodotti devono essere corrette, altrimenti l equazione perde di significato non devono essere modificati i pedici nelle formule dei reagenti e dei prodotti CH 4 (l) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) 8

9 Esempio 3: Si bilanci la reazione di combustione del propano C 3 H 8. a C 3 H 8 (l) + b O 2 (g) c CO 2 (g) + d H 2 O (g) Soluzione: Si applica il principio di conservazione della materia: $ 3a c # 8a 2d " 2b 2c + d se c 3 $ c 3 a 1 # d 4 " b 5 C 3 H 8 (l) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O (g) verifica atomi di reagenti prodotti C H O

10 Esempio 4: Si bilanci la reazione di combustione dell ammoniaca NH 3. a NH 3 (g) + b O 2 (g) c NO (g) + d H 2 O (g) Soluzione: per il principio di conservazione della materia: " # $ + d c 2b 2d 3a c a " # $ b 2 3 d 1 a 1 c se c 1 " # $ 5 b 6 d 4 a 4 c moltiplico per 4 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 4 NO (g) + 6 H 2 O (g) atomi di reagenti prodotti N H O verifica

11 Relazioni tra le masse nelle reazioni: la stechiometria Una equazione chimica bilanciata mette in evidenza le relazioni quantitative tra i reagenti ed i prodotti in una reazione chimica. 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) Si supponga di usare in questa reazione 1 mole di O 2 ( 32 g). L equazione chimica bilanciata mostra che bisogna impiegare 2 moli di H 2 ( 4 g) per far reagire completamente 1 mole di O 2 e che vengono prodotte 2 moli di H 2 O ( 36 g). reagente o prodotto massa molare (g/mol) H 2 2 O 2 32 H 2 O 18 L equazione chimica bilanciata mette in evidenza i corretti rapporti molari fra reagenti e prodotti. Perciò l equazione per la reazione tra H 2 ed O 2 è valida indipendentemente dalla quantità di O 2 impiegata. La stechiometria studia, quindi, i rapporti quantitativi delle sostanze chimiche nelle reazioni chimiche. 11

12 Le relazioni tra le moli e le masse dei reagenti e dei prodotti sono riassunte in una tabella delle quantità: 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) + specie chimica H 2 O 2 H 2 O quantità iniziale (moli) variazione per effetto della reazione (moli) quantità a fine reazione (moli) 2 mol (4 g) 1 mol (32 g) 0 mol ( g) 2 mol 1 mol +2 mol 0 mol (0 g) 0 mol (0 g) 2 mol ( g) 12

13 Esempio 5: Nella reazione 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g), si valuti a) la massa di idrogeno necessaria per reagire completamente con 60 g di ossigeno e b) quanti grammi di acqua si potranno raccogliere. Soluzione 60 g di O 2 corrispondono a 60 / mol 1 mol O 2 : 2 mol H mol O 2 : x mol H 2 x 2 mol H 2 " mol O 2 1 mol O mol H g H 2 1 mol O 2 : 2 mol H 2 O mol O 2 : x mol H 2 O x 2 mol H 2 O " mol O 2 1 mol O mol H 2 O 67.5 g H 2 O 13

14 Tabella delle quantità 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) specie chimica H 2 O 2 H 2 O quantità iniziale (moli) variazione per effetto della reazione (moli) quantità a fine reazione (moli) 3.75 mol (7.5 g) mol (60 g) 0 mol (0 g) 3.75 mol mol mol 0 mol (0 g) 0 mol (0 g) 2 mol ( g) 14

15 Esempio 6: Il cromo metallico reagisce con l O 2 (g) per dare l ossido Cr 2 O 3. a) Scrivere l equazione bilanciata della reazione. b) Quale massa di Cr 2 O 3 (M 152 g/mol), in grammi, si ottiene dalla completa reazione di un pezzo di Cr (M 52 g/mol) di g? c) Quale massa di O 2, in grammi, è necessaria? Soluzione a) 4 Cr (s) + 3 O 2 (g) 2 Cr 2 O 3 (s) b) e c) g di Cr corrispondono a / mol specie chimica Cr O 2 Cr 2 O 3 moli iniziali mol (0.175 g) (3/4) mol (0.081 g) 0 mol (0 g) variazione mol mol +(2/4) mol moli finali 0 mol (0 g) 0 mol (0 g) mol ( g) 15

16 Reazioni nelle quali un reagente è presente in quantità limitata Le reazioni chimiche vengono spesso eseguite utilizzando un reagente in eccesso rispetto alle quantità richieste dalla stechiometria. Uno dei reagenti verrà completamente consumato lasciando qualche altro reagente parzialmente inutilizzato. Si immagini di bruciare un candelotto giocattolo, un filo ricoperto di magnesio. Il Mg brucia all aria, consumando O 2 e producendo ossido di magnesio MgO. 2 Mg (s) + O 2 (g) 2 MgO (s) Il candelotto brucia finchè il magnesio viene consumato completamente. Il Mg brucia all aria, consumando O 2 (presente in quantità molto maggiore) e producendo ossido di magnesio MgO. La quantità di MgO prodotta dipende da quanto Mg è presente inizialmente. Il Mg viene chiamato reagente limitante, perché la sua quantità limita la quantità di prodotto che si forma. 16

17 L equazione bilanciata per la reazione fra il monossido di carbonio (CO) ed ossigeno per dare CO 2 è: 2 CO (g) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) Si supponga di avere una miscela di 4 molecole di CO e 3 molecole di O 2. reagenti: 4 CO e 3 O 2 prodotti: 4 CO 2 e 1 O Le 4 molecole di CO richiedono solo 2 molecole di O 2 (e producono 4 molecole di CO 2 ). Quando la reazione è completata, una molecola di O 2 rimane non reagita. Poichè sono presenti molecole di O 2 in eccesso, il numero di molecole di CO 2 che si formano è fissato dal numero di molecole di CO disponibili. Il CO è il reagente limitante. 17

18 Un calcolo stechiometrico con un reagente limitante Il primo stadio nella produzione di acido nitrico è la ossidazione dell ammoniaca ad NO su rete di platino. 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 4 NO (g) + 6 H 2 O (l) Si supponga di miscelare quantità uguali di NH 3 (M 17 g/mol) e O 2 (M 32 g/mol): 750 g di ciascuno. Vi è un reagente in difetto? Qual è la composizione della miscela a reazione completata? n NH / moli disponibili e n O2 750 / moli disponibili Il rapporto stechiometrico dei reagenti richiesto dall equazione bilanciata è: 5 mol O2 4 mol NH mol O 1 mol NH Il rapporto tra i reagenti effettivamente disponibili è: 23.4 mol O mol NH mol O 1 mol NH L O 2 presente non è sufficiente per far reagire tutta l NH 3 : è limitante. 18

19 L O 2 presente è limitante e reagirà completamente 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 4 NO (g) + 6 H 2 O (l) 5 mol O 2 : 4 mol NH mol O 2 : x mol NH 3 x (4/5) mol NH 3 che reagiscono 5 mol O 2 : 6 mol H 2 O 23.4 mol O 2 : y mol NH 3 y (6/5) mol H 2 O che si formano specie chimica NH 3 O 2 NO H 2 O moli iniziali variazione (4/5) (4/5) (6/5) moli finali

20 Esempio 7: L etano (C 2 H 6, M 30 g/mol) brucia in atmosfera di ossigeno. a) quali sono i prodotti della reazione b) scrivere l equazione bilanciata della reazione c) quale massa di O 2, in grammi, è necessaria per la combustione di 13.6 g di C 2 H 6? Soluzione a) CO 2 ed H 2 O b) 2 C 2 H 6 (g) + 7 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 6 H 2 O (g) c) numero di moli di C 2 H / mol numero di moli di O 2 (7/2) mol massa di O g specie chimica C 2 H 6 O 2 CO 2 H 2 O moli iniziali (7/2) variazione (4/2) (6/2) moli finali