Giancarlo Gioia Lobbia Esercizi svolti di stechiometria Manuale per gli studenti di Chimica generale e inorganica

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1 Giancarlo Gioia Lobbia Esercizi svolti di stechiometria Manuale per gli studenti di Chimica generale e inorganica

2 Copyright MMXI ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: ottobre 2011

3 Dedicato ai nipoti Alessandro, Eva, Tommaso, Agnese, Sara, ed Elisa

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5 Indice Capitolo I pag. 11 La nomenclatura chimica dei composti inorganici Capitolo II pag. 48 Significato quantitativo delle formule chimiche Capitolo III pag. 65 Formule minime e molecolari Capitolo IV pag. 84 Le equazioni chimiche Capitolo V pag. 114 Reazioni e rapporti quantitativi Capitolo VI pag. 159 Lo stato gassoso Capitolo VII pag. 205 Il volume dei gas nelle reazioni Capitolo VIII pag. 231 Gli equivalenti Capitolo IX pag. 264 Il contenuto delle soluzioni Capitolo X pag. 332 Proprietà colligative

6 Capitolo XI pag. 363 Equilibrio chimico Capitolo XII pag. 418 Il prodotto ionico e il ph Capitolo XIII pag. 460 Idrolisi Capitolo XIV Soluzioni tampone pag.494 Capitolo XV pag. 529 Titolazioni acido-base Capitolo 16 XVI Prodotto di solubilità pag.553 Capitolo XVII pag. 588 Elettrochimica Capitolo XVIII Esercizi di riepilogo pag.646

7 PREFAZIONE L editoria scientifica ha sempre fornito buoni testi di stechiometria, che ponendosi come obiettivo principale quello di verificare il grado di apprendimento dell argomento trattato, consentivano di realizzare una preparazione armonica e razionale. Infatti, da sempre il calcolo numerico, costituisce un supporto indispensabile per lo studio della Chimica di base a tutti i livelli, in quanto indirizza lo studente verso un approccio semplificativo degli argomenti toccati nel corso teorico. Perché un altro testo di calcoli chimici? La carente preparazione chimica, che caratterizza, ormai da anni, la maggior parte dei giovani che escono dalle scuole superiori, fa apparire oggi inadeguati alcuni di questi testi di calcolo numerico. Abbiamo, pertanto, sentito il bisogno di produrre questo testo di esercizi quasi tutti svolti, molti con una traccia di risoluzione solo alcuni di verifica, sperando, da una parte,di agevolare lo studente e dall altra, contribuire anche alla formazione di un valido metodo, che consenta poi, nel tempo, di risolvere ed impostare in maniera corretta problemi di carattere tecnologico. Il testo è stato concepito non solo per gli studenti del corso di laurea in chimica, ma anche per tutti quei corsi scientifici (biologia, scienze naturali, ambientali, biotecnologia, farmacia,c.t.f., ingegneria) dove il corso di Chimica Generale ed Inorganica è previsto al primo anno del loro curriculum e forse l unico di chimica del piano di studi, quindi un opportunità di apprendere fondamenti ed applicazioni.il manuale con soluzioni dei problemi complete e a volte dettagliate, coprono la maggior parte degli argomenti svolti in un corso di chimica a livello universitario e si propone di aiutare lo studente ad apprendere i principi teorici ed utilizzare i concetti fondamentali nella risoluzione di aspetti quantitativi. Lo studente viene guidato verso la soluzione del calcolo chimico sulla base dei principi e delle leggi, mentre viene scoraggiato l uso delle formule pre-confezionate o risolutive che, a nostro giudizio, non hanno valore formativo. E stato fatto anche un tentativo per aumentare la varietà dei problemi stechiometrici, specialmente nei capitoli riguardanti i gas, le reazione i rapporti quantitativi, le soluzioni. Nel capitolo esercizi di ricapitolazione sono stati inseriti alcuni problemi dati nelle verifiche d esame per i corsi di chimica, biologia, farmacia e CTF. La scelta degli argomenti trattati si è basata sull analisi dei programmi dei diversi corsi di chimica

8 tenuti nel primo anno delle laurea triennale di diverse facoltà delle università italiane. Ci auguriamo che questa impostazione incontri l interesse degli studenti e docenti; accoglieremo di buon grado suggerimenti e commenti che possono contribuire a rendere il testo ancora più utile. Abbiamo cercato, per quanto possibile, di esporre la maggior parte dei tipi di problemi che lo studente si troverà ad affrontare, senza tuttavia avere la pretesa di averli trattati tutti. L Autore

9 Capitolo I La Nomenclatura Chimica dei Composti Inorganici Lo scopo di questo capitolo è quello di guidare gli utenti nella costruzione del nome o della formula dei composti inorganici e di verificare che il nome o la formula obbedisca pienamente ai principi accettati. L enorme sviluppo della chimica ha creato milioni di composti e il principale scopo di una nomenclatura è quello di identificare ogni specie con un nome che sia utile nelle comunicazioni tra chimici e che quindi contenga una relazione esplicita o implicita con la struttura del composto. È necessario attribuire alle molecole un nome non arbitrario, ma fondato su un sistema logico che esprima, per quanto possibile, i loro gradi di parentela e le loro principali proprietà. È quello che hanno cercato di fare i chimici, classificando le molecole secondo la loro composizione e le loro proprietà, cercando di racchiudere per quanto è possibile, in una o poche parole, la natura della specie considerata. La grande varietà di molecole conosciute e le centinaia o migliaia di nuove molecole che ogni giorno vengono scoperte o sintetizzate rendono questo lavoro di classificazione sempre più complesso e difficile. La IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) è l organizzazione internazionale, la cui missione è il progresso della chimica e la cui autorità è riconosciuta per lo sviluppo degli standard riguardanti la nomenclatura chimica degli elementi e dei composti. In particolare la divisione della IUPAC denominate Division of Chemical Nomenclature and Structure Representation (costituita nel 2001) studia tutti gli aspetti della nomenclatura delle sostanze chimiche raccomandando le pratiche migliori per soddisfare gli specifici problemi che sorgono nello sviluppo della chimica. La nomenclatura chimica può essere considerata come una lingua e come tale essa è composta di parole e deve obbedire alle regole della sintassi. Tuttavia, la ricchezza 11

10 Capitolo I straordinaria del mondo molecolare appare difficilmente contenibile in un qualsiasi tipo di organizzazione linguistica. Per questo motivo e, in particolare, per le molecole più complesse, si è affermata la tendenza ad abbandonare la razionale nomenclatura ufficiale, per usare nomi di fantasia mutuati da quelli di oggetti che si incontrano nella vita di tutti i giorni. Tanto è vero che oggi, anche negli articoli delle riviste scientifiche più qualificate, si parla di molecole a pinza, farfalla, ponte, scatola, collare, gondola, filo, catena, ecc., identificando il nome della molecola con la sua forma. Limitatamente alla chimica inorganica, il problema della nomenclatura chimica può essere visto in modo generale come costituito da due problemi, l uno complementare all'altro: 1) data la formula chimica di un composto, definirlo con un nome scientifico, cioè con una sequenza di parole con suffissi e/o numeri che seguono delle regole ben precise; 2) noto il nome di un composto, scriverne la formula chimica. Entrambi i problemi necessitano, per essere risolti, di una serie di regole univoche. Certamente non si tratta di una questione recente, da sempre c è stata la necessità di nominare le sostanze utilizzate nei vari procedimenti; da qui nomi come candeggina (NaClO), acido muriatico (HCl), ammoniaca (NH 3 ), vetriolo (H 2 SO 4 ), vetriolo azzurro o ramato (CuSO 4 ), minio (PbO 2 ), bianco di titanio (TiO 2 ), giallo cromo (PbCrO 4 ), blu di Prussia (Fe 3 [Fe(CN) 6 )] 4 ), allumina (Al 2 O 3 ), silice (SiO 2 ), ecc. Con la nascita della chimica come scienza, l'introduzione dei simboli chimici portò via via all'uso delle formule nelle scritture delle reazioni e, di conseguenza, a una efficace scrittura sintetica e universale delle sostanze ovvero indipendente dalla lingua utilizzata dal singolo chimico per esprimersi. Così, in tutto il mondo H 2 O indica il composto "acqua", indipendentemente dal fatto che nella lingua del chimico che legge la formula essa si dica acqua, wasser, water, eau, ecc. Più complessa è invece la questione di indicare una sostanza con un opportuno nome scientifico oltre alla formula chimica. In questo caso, dovendo dare precise indicazioni sul tipo, numero e organizzazione degli atomi costituenti il composto, il diverso nome degli elementi nelle varie lingue nazionali porta a nomi scientifici intrinsecamente diversi, pur adottando le stesse regole di base. 12

11 La Nomenclatura Chimica dei Composti Inorganici Nel corso degli anni sono state introdotte diverse regole di nomenclatura. Le prime regole si devono a Lavoisier che ideò una nomenclatura chimica (Méthode de nomenclature chimique, 1787) le cui basi sopravvivono ancora oggi; ad esempio, i suffissi -ico, -oso, -ato, - ito e -uro, furono introdotti dal chimico francese. Ciò ha portato a diverse nomenclature, ciascuna miglioramento di quella precedente, con un non facile abbandono delle regole passate a favore di quelle nuove. Da un punto di visto di sviluppo storico della chimica, esistono per i composti inorganici tre principali metodi di nomenclatura: Nomenclatura tradizionale: trae origine dalla distinzione degli elementi in metalli e in non metalli; adotta esclusivamente suffissi (-idrico, -oso, -ico, ecc.) per indicare le variazioni di valenza; Nomenclatura Stock: mette in evidenza le valenze degli elementi senza evidenziarne il numero di atomi; adotta pochi suffissi sempre integrati con i numeri di ossidazione scritti in cifre romane (I, II, III, IV, ecc.) per indicare le variazioni di valenza; Nomenclatura I.U.P.A.C.: è quella più razionale e mette in evidenza il numero di atomi; adotta esclusivamente suffissi numerici latini e greci per contare tutti gli atomi presenti nel composto sulla base di una notevole semplificazione delle famiglie di composti. La IUPAC prende a sua volta in considerazione tre principali sistemi di nomenclatura nella chimica inorganica: a) sistema compositivo: definisce una serie di raccomandazioni utili per la costruzione dei nomi dei composti basandosi solo sulla composizione stechiometrica delle sostanze; i nomi dei componenti (parte elettropositiva e quella elettronegativa), che possono essere elementi o entità composite come gli ioni poliatomici, sono elencati insieme a prefissi moltiplicativi definiti dalla stechiometria del composto. b) Sistema sostitutivo: è usato estensivamente per i composti organici ed è basato sul presupposto che la specie in oggetto sia formalmente derivabile dal corrispondente idruro per sostituzione degli atomi di idrogeno con specifici atomi o gruppi atomici. Ad esempio la specie PCl 3 viene chiamata triclorofosfane. c) Sistema additivo: deriva il nome di un composto considerandolo come costituito dalla combinazione di un atomo centrale con un determinato numero di ligandi. Tale sistema è 13

12 Capitolo I usato in modo specifico per i composti di coordinazione ma trova applicazione anche per altre specie come ad esempio gli acidi inorganici e i composti organometallici. I tre sistemi di nomenclatura possono generare diversi ma non ambigui nomi per una stessa sostanza. La scelta del sistema di nomenclatura dipende quindi dalla classe a cui appartiene la specie chimica in esame e dal grado di dettaglio che si desidera comunicare. Nomi e simboli degli elementi Tabella con i primi 100 elementi chimici Z Simbolo Elemento Z Simbolo Elemento 1 H Idrogeno 57 La Lantanio 2 He Elio 58 Ce Cerio 3 Li Litio 59 Pr Praseodimio 4 Be Berillio 60 Nd Neodimio 5 B Boro 61 Pm Promezio 6 C Carbonio 62 Sm Samario 7 N Azoto 63 Eu Europio 8 O Ossigeno 64 Gd Gadolinio 9 F Fluoro 65 Tb Terbio 10 Ne Neon 66 Dy Disprosio 11 Na Sodio 67 Ho Olmio 12 Mg Magnesio 68 Er Erbio 13 Al Alluminio 69 Tm Tullio 14 Si Silicio 70 Yb Itterbio 15 P Fosforo 71 Lu Lutezio 16 S Zolfo 72 Hf Afnio 17 Cl Cloro 73 Ta Tantalio 18 Ar Argon 74 W Tungsteno (Wolframio) 19 K Potassio 75 Re Renio 14

13 La Nomenclatura Chimica dei Composti Inorganici 20 Ca Calcio 76 Os Osmio 21 Sc Scandio 77 Ir Iridio 22 Ti Titanio 78 Pt Platino 23 V Vanadio 79 Au Oro 24 Cr Cromo 80 Hg Mercurio 25 Mn Manganese 81 Tl Tallio 26 Fe Ferro 82 Pb Piombo 27 Co Cobalto 83 Bi Bismuto 28 Ni Nichel 84 Po Polonio 29 Cu Rame 85 At Astato 30 Zn Zinco 86 Rn Radon 31 Ga Gallio 87 Fr Francio 32 Ge Germanio 88 Ra Radio 33 As Arsenico 89 Ac Attinio 34 Se Selenio 90 Th Torio 35 Br Bromo 91 Pa Protoattinio 36 Kr Kripton 92 U Uranio 37 Rb Rubidio 93 Np Nettunio 38 Sr Stronzio 94 Pu Plutonio 39 Y Ittrio 95 Am Americio 40 Zr Zirconio 96 Cm Curio 41 Nb Niobio 97 Bk Berkelio 42 Mo Molibdeno 98 Cf Californio 43 Tc Tecnezio 99 Es Einstenio 44 Ru Rutenio 100 Fm Fermio 45 Rh Rodio 101 Md Mendelevio 46 Pd Palladio 102 No Nobelio 47 Ag Argento 103 Lr Laurenzio 48 Cd Cadmio 104 Rf Rutherfordio 49 In Indio 105 Db Dubnio 50 Sn Stagno 106 Sg Seaborgio 15