LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE E INORGANICA

Transcript

1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MILANO Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Triennale in Chimica CORSO DI: LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE E INORGANICA Docente: Dr. Alessandro Caselli Anno Accademico

2 CAPITOLO 2 Prima parte Stechiometria II Percentuale degli elementi in un composto Percentuale degli elementi in una miscela Calcolo della formula minima di un composto dalla percentuale 1

3 Stechiometria II Composizione percentuale dei composti chimici Conoscendo la formula di un composto si può calcolare la percentuale in peso di ciascun elemento in esso contenuto; questo corrisponde a calcolare la quantità in grammi di ciascun elemento in 100 g di composto. Consideriamo una formula generale: A x B y M Ax B y = x M A + y M B Oppure, utilizzando le moli contenute in 100 g: La massa di A (o di B) contenuta in 100 g di composto è: Poiché la massa è riferita a 100 g di composto essa rappresenta anche la %. 2

4 Determinazione % elementi in un composto La formula chimica esprime sia la composizione qualitativa che quantitativa di un composto: Esempi: SO 2 zolfo e ossigeno 1 atomo di zolfo e 2 di ossigeno 1 mole di SO 2 1 mol S (32,07 g) 2 mol O (2 x 16,00 g = 32,00 g)) PM SO2 = 32,07 (S) + 2 x 16,00 (O) = 64,07 CO PA = 12,01 PA = 16,00 Somma PM = 28,01 Divido PA/PM 12,01/28,01 = 0,43 16,00/28,01 = 0,57 43% 57% 3

5 CO 2 PA = 12,01 PA = 16,00 x 2 = 32,00 Somma PM = 44,01 Divido PA/PM 12,01/44,01 = 0,27 32,00/44,01 = 0,73 27% 73% Na 2 SO 4 PA = 23,0 x 2 = 46,0 PA = 32,1 PA = 16,00 x 4 = 64,00 Somma PM = 142,1 Divido PA/PM 46,0/142,1 = 0,32 32,1/142,1 = 0,23 64,0/142,1 = 0,45 32% 23% 45% Esercizio (Es. 1 pag 48 - Clerici Morocchi) Il minerale magnetite (Fe 3 O 4 ) è usato nell industria per produrre ghise ed acciai. Calcolare la % in peso del ferro contenuta nel minerale. (PA Fe = 55,8; PA O = 16,0) M Fe3 O 4 = 3 x 55,8 + 4 x 16,0 = 231,4 g/mol 1 mol di Fe 3 O 4 è costituita da 3 mol Fe e 4 mol O, quindi: 4

6 Esercizio (Es. 2 pag 49 - Clerici Morocchi) Il rame metallico può essere ricavato dai seguenti minerali: cuprite (Cu 2 O); pirite di rame (CuFeS 2 ) malachite CuCO 3 Cu(OH) 2 calcolare la % di rame contenuta in ciascun minerale e calcolare quanto rame metallico è teoricamente ottenibile da 1 ton esatta di ciascun minerale. (PA Cu = 63,5; PA Fe = 55,8; PA S = 32,07; PA O = 16,0) M Cu2 O = 2 x 63,5 + 16,0 = 143,0 g/mol M CuFeS2 = 63,5 + 55,8 + 2 x 32,07 = 183,5 g/mol M CuCO3 Cu(OH) 2 = 2 x 63,5 + 12,0 + 2 x 1,0 + 5 x 16,0 = 221,0 g/mol La quantità teorica di rame ottenibile da 1 ton di ciascun minerale è ricavabile: 5

7 Esercizio (Es. 3 pag 49 - Clerici Morocchi) L ossido di calcio CaO, costituente base dei cementi, si ottiene per decomposizione termica del carbonato di calcio CaCO 3. Se si vuole preparare 1,0 ton di CaO, calcolare quanto CaCO 3 è necessario decomporre. (PA Ca = 40,1; PA C = 12,0; PA O = 16,0) M CaO = 40,1 + 16,0 = 56,1 g/mol M CaCO3 = 40,1 + 12,0 + 3 x 16,0 = 100,1 g/mol Iniziamo calcolando la % di CaO nel minerale: Da 1,0 ton di CaCO 3 si ottengono 0,56 ton di CaO; per ottenere 1,0 ton di CaO la quantità occorrente è data da: Possiamo risolverlo anche con le moli: CaCO 3 CaO + CO 2 Dall equazione chimica si vede che da 1 mol si ottiene 1 mol di CaO: 6

8 Esercizio (Es pag 44 Bertini-Luchinat-Mani) Na 2 CO 3 10H 2 O è la formula del carbonato di sodio deca idrato. Calcolare la % in peso degli elementi nel composto e la percentuale di acqua di cristallizzazione. Calcolare inoltre la massa di sale che contiene 10,00 g di acqua. (PA Na = 22,99; PA C = 12,01; PA O = 16,00; PA H = 1,01) Una mole di sale contiene 2 moli di Na, 1 mole di C, 13 moli di O e 20 moli di H, e la sua massa molare M è: M Na2 CO 3 10H 2 O = 2 x 22, , x 16, x 1,01= 286,19 g/mol La % in peso dei vari elementi è: Verifichiamo che la somma degli elementi sia 100: La % di acqua presente nel composto è data da: Poiché una mole di sale contiene 10 mol x 18,02 g/mol di H 2 O = 180,2 g, la quantità di sale che contiene 10,00 g di acqua sarà: 7

9 Molto più semplicemente, allo stesso risultato si arriva considerando che l acqua costituisce il 62,96% del composto, quindi: Esercizio (simile al precedente): Na 2 SO 4 10H 2 O è la formula del solfato di sodio deca idrato. Calcolare la % in peso del sale nel composto (Na 2 SO 4 ) e la percentuale di acqua di cristallizzazione. (PA Na = 22,99; PA S = 32,07; PA O = 16,00; PA H = 1,01) Una mole di sale contiene 2 moli di Na, 1 mole di S, 14 moli di O e 20 moli di H, e la sua massa molare M è: M Na2 SO 4 10H 2 O = 2 x 22, , x 16, x 1,01= 322,25 g/mol M Na2 SO 4 = 2 x 22, , x 16,00 = 142,05 g/mol M H2 O = 16, x 1,01= g/mol La % in peso del sale è: La % di acqua presente nel composto è data da: 8

10 Esercizio (Es. 1 pag 56 Sacco-Freni) Sapendo che la formula dell esacianoferrato(ii) di potassio è K 4 Fe(CN) 6 calcolare: a) Le % degli elementi; b) Quanti g di Fe sono contenuti in 30 g del composto puro; c) In quale quantità di esacianoferrato potassico sono contenuti 10 g di K. (PA K = 39,10 ; PA Fe = 55,84; PA C = 12,01; PA N = 14,01; PA H = 1,01). a) M K4 Fe(CN) 6 = 368,33 g/mol b) Risulta che 1 g di K 4 Fe(CN) 6 contiene 0,1517 g di Fe TOTALE = 100,00% Allo stesso risultato arriviamo anche facendo la proporzione c) Analogamente 1 g di K 4 Fe(CN) 6 contiene g di K 9

11 Composizione percentuale di un parcheggio In un parcheggio ci sono 72 veicoli fra autovetture e motocicli, per un totale di 168 ruote (escluse quelle di scorta). Quante auto e quante moto ci sono nel parcheggio? Facciamo subito un ragionamento preliminare: se i 72 veicoli fossero tutte auto ci sarebbero 288 ruote (72 x 4), cioè troppe; se i veicoli fossero tutte moto ce ne sarebbero la metà 144, cioè troppo poche. Quindi devono essere effettivamente presenti sia auto che moto. Si potrebbe procedere in modo empirico, trasformando progressivamente delle moto in auto fino ad arrivare al numero di ruote giusto: moto auto ruote Il risultato è che ci sono 60 moto e 12 auto. In modo più formale si può scrivere un sistema di due equazioni in due incognite: un equazione che esprima il numero totale di veicoli, l altra il numero totale di ruote. Chiamando x il numero di moto e y il numero di auto si ha: 10

12 Dove 2x è il numero di ruote delle moto e y è il numero di ruote delle auto. Il sistema si può risolvere per sostituzione. Da cui: 11

13 Esercizio (Es. 3 pag 58 Sacco-Freni) Una miscela è costituita dal 30% di manganese cloruro tetra idrato, MnCl 2 4H 2 O, e dal 70% di magnesio cloruro esa idrato, MgCl 2 6H 2 O. Calcolare la % di H 2 O nella miscela. (PA Mn = 54,9 ; PA Mg = 24,3; PA Cl = 35,5; PA O = 16,00; PA H = 1,01) La % di acqua in MnCl 2 4H 2 O è data da: La % di acqua in MnCl 2 4H 2 O è data da: La % di acqua totale è data dalla somma delle quantità percentuale di acqua contenuta in ognuno dei due composti ciascuna moltiplicata per la rispettiva percentuale in miscela: Il problema può anche essere risolto utilizzando le moli, supponendo di aver preso 100 g, cioè 30 g di MnCl 2 4H 2 O e 70 g di MgCl 2 6H 2 O. Le moli contenute in 30 g di MnCl 2 4H 2 O sono date da: Le moli di acqua per ciascuna mole di MnCl 2 4H 2 O sono 4, quindi: 12

14 Le moli contenute in 70 g di MgCl 2 6H 2 O sono date da: Le moli di acqua per ciascuna mole di MgCl 2 6H 2 O sono 6, quindi: Le moli di acqua totali sono date dalla somma: Quindi in 100 g di miscela sono contenuti: Che corrispondono al 48,1% in peso. Esercizio Da 100 g di una miscela di FeCl 2 e FeSO 4 si ottengono 40 g di ferro metallico. Calcolare la % della miscela iniziale. (PA Fe = 55,8 ; PA S = 32,1; PA Cl = 35,5; PA O = 16,00) M FeCl2 = 126,8 g/mol M FeSO4 = 151,9 g/mol La % di ferro in FeCl 2 è data da: La % di ferro in FeSO 4 è data da: 13

15 Per risolvere il problema posso impostare un sistema ponendo x = g FeCl 2 e y = g FeSO 4 : Questo vuol dire che la miscela iniziale contiene il 54,8% di FeSO 4 e il 45,2% di FeCl 2 Il problema può anche essere risolto utilizzando le moli: Le moli contenute in 40 g di Fe sono date da: Imposto un sistema ponendo x = moli FeCl 2 e y = moli FeSO 4 : 14

16 Da cui in 100 g: Questo vuol dire che la miscela iniziale contiene il 55,0% di FeSO 4 e il 45,0% di FeCl 2 La leggera differenza nei risultati è data dalle diverse approssimazioni utilizzate. Esercizio (Es. 6 pag 51 - Clerici Morocchi) 100,0 g di minerale costituito da CaCO 3 e MgCO 3 forniscono per decomposizione termica 47,34 g di CO 2. Calcolare le percentuali di CaCO 3 e MgCO 3 nel minerale. (PA Ca = 40,08 ; PA Mg = 24,30; PA C = 12,01; PA O = 16,00) M CO2 = 44,00 g/mol M CaCO3 = 100,09 g/mol M MgCO3 = 84,31 g/mol Dalle formule si nota che 1 mole di ciascun composto fornisce per decomposizione 1 mole di CO 2 15

17 Indicando con x e y rispettivamente il numero di moli di CaCO 3 e di MgCO 3 contenute in 100 g di minerale, si ha: x mol CaCO 3 x mol CO 2 y mol MgCO 3 y mol CO 2 Dalla decomposizione di 100 g di minerale si ottengono 47,34 g di CO 2 che corrispondono a: Per risolvere il problema posso impostare il seguente sistema: Da cui: In 100 g di minerale sono contenute: 0,592 mol di CaCO 3 e 0,484 mol di MgCO 3 Quindi 100 g di minerale contengono: Quindi questo vuol dire che il minerale contiene il 59,2% di CaCO 3 e il 40,8% di MgCO 3 16

18 Calcolo della formula minima La formula minima di un composto può essere determinata se dello stesso sono noti gli elementi di cui è costituito (analisi qualitativa) e se sono note le quantità di ciascun elemento in percentuale in peso (analisi quantitativa). Esercizio (Es. 1 pag 58 - Sacco Freni) Un composto ha dato i seguenti risultati: C = 76,93%; H = 5,12%; N = 17,95% Calcolare la formula minima. (PA C = 12,01 ; PA H = 1,008; PA N = 14,01) Posso supporre di partire da 100 g di composto. Calcolo quindi le moli di C, H, e N in 100 g: Il rapporto molare con cui gli elementi si trovano combinati in una mole di sostanza è uguale al rapporto numerico con cui gli atomi degli elementi sono contenuti in una unità formula della sostanza. Per cui la formula è: C 6,405 H 5,08 N 1,281 Per ottenere numeri interi, divido per il più piccolo: 17

19 Da cui la formula minima è: C 5 H 4 N Esercizio Un camion porta al mercato un carico di cassette di mele e torna alla sera con le cassette vuote. Sapendo che ogni mela pesa 200 g, una cassetta vuota pesa 500 g e che al ritorno il peso del carico del camion è il 9,4% di quello dell andata, calcolare quante mele contiene ogni cassetta. Se le cassette rappresentano il le mele rappresentano il 9,4% del totale 90,6% del totale divido le % per i pesi rispettivi: Divido per il più piccolo: Da cui la formula minima è: 24 mele per ogni cassetta. 18

20 Esercizio (Es. 3 pag 60 - Sacco Freni) Sapendo che l atomo di Mn pesa 3,434 volte più dell atomo di ossigeno, calcolare la formula minima dei seguenti ossidi: a) 77,45% Mn; 22,55% O; b) 69,60% Mn; 30,40% O; c) 63,19% Mn; 36,81% O; a) Posso supporre di partire da 100 g di composto. Le moli di Mn in 100 g: Divido membro a membro: Ma: Da cui la formula minima è: MnO 19

21 b) Da cui la formula minima è Mn 2 O 3 c) Da cui la formula minima è MnO 2 Esercizio (Es. 7 pag 53 - Clerici Morocchi) Un composto ha dato la seguente composizione: Na = 32,79%; Al = 13,02%; F = 54,19% Calcolare la formula minima. (PA Na = 23,0; PA Al = 27,0; PA N = 19,0) Le moli in 100 g di composto sono date da: 20

22 Divido per il più piccolo: Da cui la formula minima è: Na 3 AlFe 6 Questa formula minima corrisponde alla criolite. Esercizio (Es. 9 pag 54 - Clerici Morocchi) L analisi di un composto costituito da carbonio e idrogeno ha dato il seguente risultato: C = 83,72%; H = 16,28%; Calcolare la formula minima del composto. (PA C = 12,01; PA H = 1,008) Le moli in 100 g di composto sono date da: 21

23 Divido per il più piccolo: Che corrisponderebbe a: CH 2,32 Ma siccome nella formula minima devono apparire numeri interi, devo trovare il minimo multiplo di 2,33 che sia un numero intero (nei limiti dell errore); la formula minima quindi è: C 3 H 7 La formula C 3 H 7 non corrisponde a nessun idrocarburo possibile, la tetravalenza del carbonio non risulta rispettate. La formula molecolare possibile è dunque C 6 H 14 (esano). N.B nel libro c è un errore nell interpretazione del risultato: la formula molecolare C 12 H 28 proposta non è possibile, ha troppi idrogeni (idrocarburi saturi = 2n +2 atomi di H per n C). Esercizio (Es. 10 pag 56 - Clerici Morocchi) Il benzene, sostanza costituita da carbonio e idrogeno, brucia con ossigeno formando biossido di carbonio e acqua. Bruciando 1,53 g di benzene si ottengono 5,18 g di CO 2. Calcolare la % di C e H nel composto la sua formula minima. Sapendo che il PM è 78, determinare la formula molecolare del benzene. (PA C = 12,01; PA H = 1,008; PA O = 16,00) Tutto il carbonio originariamente contenuto nel benzene viene ritrovato nel 22

24 biossido di carbonio che si forma. Questo vuol dire che la quantità di carbonio contenuta in 5,18 g di CO 2 è uguale alla quantità di carbonio contenuta in 1,53 g di benzene. Calcolo le moli di C contenute in 5,18 g di CO 2 : Da cui i grammi di C: Lo stesso conto avrei potuto farlo anche passando attraverso la % di C in CO 2 : Da cui i grammi di C: Se in 1,53 g di benzene sono contenuti 1,41 g di C, la massa di H nel campione si calcola per differenza: La percentuale di ciascun elemento nel benzene è: Calcolo della formula minima: le moli in 1,53 g di benzene sono date da: 23

25 Quindi la formula minima è: CH Calcolo della formula molecolare. La formula molecolare è un multiplo intero n della formula minima; poiché il PM è 78, si ha: La formula molecolare è perciò: C 6 H 6 In realtà, quando è noto il PM della sostanza, il problema può essere risolto più semplicemente; vedi per esempio: Esercizio (Es. 11 pag 58 - Clerici Morocchi) Il peso molecolare dell acido acetico è 60. Il composto ha la seguente composizione percentuale: C = 40,00%; H = 6,66%; O = 53,33% Calcolare la formula minima del composto. (PA C = 12; PA H = 1,0; PA O = 16) Conoscendo il PM della sostanza e la composizione percentuale è immediato risalire alla formula molecolare. Indicando con C x H y O z la formula dell acido acetico (PM = 60), la % di ciascun elemento può essere calcolata come segue: 24

26 Da cui: In modo analogo per l idrogeno si ha. Per l ossigeno: Quindi la formula molecolare dell acido acetico è: C 2 H 4 O 2 25