Aspetti quali-quantitativi delle reazioni chimiche unità 1, modulo B del libro unità 2, modulo E del libro

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1 Aspetti quali-quantitativi delle reazioni chimiche unità 1, modulo B del libro unità 2, modulo E del libro

2 Trovare una bilancia che possa pesare un atomo è un sogno irrealizzabile. Non potendo determinare la massa assoluta degli atomi, si ricorre alla sua misura relativa. Come unità di misura non si può, dunque, usare il grammo o il kilogrammo, ma si usa un atomo di riferimento: il carbonio. In particolare, si usa l isotopo 12: 12 C. Allora possiamo affermare che: LA MASSA ATOMICA (O PESO ATOMICO= PA) DI UN ELEMENTO É LA MASSA RELATIVA RISPETTO ALL ATOMO DI 12 C. La sua unità di misura è il g/mol; tutte le masse atomiche sono riportate nella TAVOLA PERIODICA. Se ora consideriamo una molecola, la sua massa dipende dalle masse dei singoli atomi che la compongono. Quindi si può affermare che: LA MASSA MOLECOLARE (O PESO MOLECOLARE=PM) DI UNA MOLECOLA É LA SOMMA DEI PESI ATOMICI DEI SINGOLI ELEMENTI. Naturalmente, anche la sua unità di misura è il g/mol. g indica il grammo; cosa indica mol? È presto detto. Tutto ciò appartiene al mondo del microscopico, che noi non vediamo. Però noi siamo immersi nel mondo macroscopico, fatto da ciò che vediamo. Ecco la necessità di stabilire un collegamento tra questi due mondi: la MOLE è lo strumento che ce lo permette. La MOLE rappresenta l unità di misura della quantità di sostanza ed è una delle sette unità di misura fondamentali nel Sistema Internazionale. Una MOLE è la quantità di sostanza che contiene un numero di particelle elementari uguale al numero di atomi contenuti in 12 g di 12 C. Vediamo alcuni esempi.

3 PESO MOLECOLARE del CaCO 3 CaCO 3 = PA Ca + PA C + 3 x PA O Ca: x 1 = C: x 1 = O: x 3 = CaCO 3 Molecola atomi 1 atomo di Ca 1 atomo di C 3 atomi di O Che collegamento c è tra PM e MOLE? 1 mole CaCO 3 1 mole di Ca 1 mole di C 3 moli di O Mole di sostanza moli di atomi Per fare i calcoli con le moli occorre ricordare che legame c è tra la massa del campione, in g, il suo peso molecolare, in g/mol, e il numero di moli, in mol: Numero di moli (mol) g n= PM Massa (g) Peso molecolare (g/mol) Esempio: quante moli sono contenute in 5 g di CaCO 3? g 5 g n= n= = mol PM g/mol

4 PERCENTUALI DEGLI ELEMENTI PRESENTI NEI COMPOSTI Quando è nota la formula di una sostanza è possibile determinare le percentuali dei vari elementi presenti, cioè le quantità in grammi degli elementi in 100 grammi esatti di sostanza. Esempio: dato un composto di formula H 2 SO 4, determinare le percentuali di idrogeno, zolfo e ossigeno presenti nel composto. Risoluzione: Dalla formula risulta che una molecola di H 2 SO 4 contiene 2 atomi di H, 1 atomo di S e 4 atomi di O. Il peso molecolare del composto è pari a 98 g/mol, per cui si imposta, ad esempio per l elemento H, la semplice proporzione: 98 g/mol : 100 = 2 g/mol : X Notare che il peso atomico dell H è raddoppiato perchè ci sono 2 atomi di H nella molecola H 2 SO x 2 g/mol X = = 2.0 % di H presente nel composto 98 g/mol Analogamente, per gli altri due elementi si trova 32.7 % per S e 65.3 % per O.

5 A questo punto ci domandiamo: quante particelle costituiscono una mole di sostanza? Sappiamo che si tratta di un numero molto grande, ma come facciamo a calcolarlo? Basta sapere che una mole di sostanza contiene un valore sempre uguale di molecole, che prende il nome di NUMERO DI AVOGADRO (N A ) ed è pari a X La sua unità di misura è: molecole/mol. Quindi, ad esempio, una mole di CaCO 3 contiene X molecole, così come 1 mole di Ca, 1 mole di C e 3 moli di O. Molecole di sostanza = moli (mol) x N A (molecole/mol) Esempio: Quante molecole sono contenute in 5 grammii di CaCO 3? PM = g/mol Per risolvere l esercizio devo determinare il numero di moli relative a 5 g, quindi: 5 g n = = mol g/mol Molecole = mol x 6.022x10 23 molecole/mol = 3.011x10 22 molecole

6 Quando si realizzano alcune opportune condizioni, le sostanze reagiscono tra loro, vanno cioè incontro a trasformazioni chimiche. Tali trasformazioni prendono il nome di REAZIONI CHIMICHE. REAZIONE CHIMICA: formazione di molecole tramite unione di atomi o, più in generale, formazione di sostanze dette PRODOTTI da parte di atomi, molecole o ioni, detti REAGENTI. Prodotti e reagenti vengono indicati tramite le loro formule. A + B ---> C (es: Na + + Cl - ---> NaCl) 1 atomo ( o 1 ione) A + 1 atomo (o 1 ione) B ---> 1 molecola C (formata da A e B) x unità di A x unità di B ---> x unità di C 1 mole di A + 1 mole di B ---> 1 mole di C NO + O > NO 2 2NO + O 2 ---> 2 NO 2 Non bilanciata (1 atomo N, 3 atomi O ---> 1 atomo N, 2 atomi O Bilanciata (2 atomi N, 4 atomi O)

7 Una reazione chimica deve essere in accordo con principio di conservazione della massa: il numero ed il tipo di atomi che compaiono prima della reazione, e cioè a sinistra della freccia, deve essere uguale al numero ed al tipo di elementi che compaiono dopo la reazione, e cioè a destra della freccia principio di conservazione della carica, per le reazioni redox (cioè di ossidoriduzione, nelle quali si verificano scambi di e - e quindi variazione dello stato di ossidazione degli elementi): la somma algebrica delle cariche dei reagenti deve essere uguale alla somma algebrica delle cariche dei prodotti. Il bilanciamento di alcune reazioni è praticamente immediato; i numeri che vengono scritti prima dei composti e che servono a bilanciare la reazione prendono il nome di COEFFICIENTI STECHIOMETRICI. Di seguito sono riportati alcuni esempi: Li + O 2 ---> Li 2 O bilanciando: 4 Li + O 2 ---> 2 Li 2 O H 2 + N 2 ---> NH 3 bilanciando: 3 H 2 + N 2 ---> 2 NH 3 Na(s) + Cl 2 (g) ---> NaCl bilanciando: 2 Na(s) + Cl 2 (g) ---> 2 NaCl CaCl 2 ---> Ca 2+ + Cl - bilanciando: CaCl 2 ---> Ca Cl - Notate che quando è importante lo stato dell elemento che interviene nella reazione, esso viene indicato tra parentesi: s per solido, l per liquido, g per gassoso

8 Altre reazioni, come le redox (reazioni di ossido-riduzione), sono più complicate da bilanciare. Per queste reazioni si procede nel seguente modo: prendiamo come esempio la reazione Fe 2 O 3 + CO ---> Fe + CO 2 1. Si prendono in esame solo gli elementi che cambiano stato di ossidazione e si moltiplica la variazione per il numero di atomi dell elemento presenti nella molecola: il ferro passa da stato di ossidazione +3 a stato di ossidazione 0, il carbonio da stato di ossidazione +2 a +4 Fe: > 0; C: > +4 Dunque il Fe acquista 3 x 2 elettroni = 6 elettroni (3 e-/atomo), mentre il C perde 2 elettroni; 6 e 2 sono numeri divisibili e quindi si trasformano rispettivamente in 3 e 1 2. Si invertono i due numeri trovati, mettendoli, come coefficienti, davanti ai due elementi Fe e C: il numero 3 diventa il coefficiente del C ed il numero 1 diventa il coefficiente del Fe: Fe 2 O 3 + 3CO ---> Fe + CO 2 3. Si bilancia la reazione in accordo con il principio di conservazione della massa: si pone un 3 anche davanti a CO 2 ; a questo punto ci sono 6 atomi di O nei reagenti ed analogamente nei prodotti; ponendo un 2 davanti ad Fe nei prodotti si conclude il bilanciamento: Fe 2 O 3 + 3CO ---> 2Fe + 3CO 2 La reazione è così bilanciata. Di seguito sono riportati alcuni esempi: provate a bilanciare le seguenti reazioni: 2Mg + O 2 ---> 2MgO Pb + HCl ---> PbCl 2 + H 2 P 4 + 5O 2 ---> 2P 2 O 5 Fe + H 2 SO 4 ---> FeSO 4 + H 2 Fe 2 O 3 + Al ---> Al 2 O 3 + 2Fe MnO 2 + 4HCl ---> MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O

9 Esercizi riassuntivi 29) Quanti grammi di idrossido ferrico si possono ottenere se si pongono a reagire 32 g di ossigeno con idrossido ferroso in eccesso secondo la seguente reazione? Peso molecolare O 2 32 g/mol; Peso molecolare Fe(OH) 2 = 90 g/mol; peso molecolare Fe(OH) 3 = 107 g/mol 4 Fe(OH) 2 + O H 2 O 4 Fe(OH) 3 a) 107 grammi b) 428 grammi c) 90 grammi d) 360 grammi 30) Indicare quale delle affermazioni è esatta facendo riferimento alla reazione SiO HF H 2 SiF H 2 O a) Reagiscono sei cationi fluoruro b) Reagiscono sei atomi di acido fluoridrico c) Reagiscono sei molecole di acido fluoridrico d) Reagiscono tre atomi di idrogeno 31) I coefficienti stechiometrici per la seguente reazione sono AgNO 3 + BaCl 2 AgCl + Ba(NO 3 ) 2 a) 1, 1, 2, 2 b) 1, 2, 2, 1 c) 2, 1, 2, 1 d) 1, 2, 1, 2 32) Quante moli ci sono in 15 grammi di H 2 SO 4? a) 0.15 mol b) 15 mol c) 150 mol d) 1.5 mol

10 Esercizi riassuntivi (puoi usare la tavola periodica) 33) Calcolare la percentuale di fosforo contenuta nell ortofosfato di potassio. Peso molecolare del sale = 212 g/mol a) 14.6% b) 1.46% c) 14.6 moli d) 14.6 grammi 34) Calcolare il numero di molecole di monossido di carbonio in un campione ottenuto mescolando 2.82 g e moli di tale composto a) 6.24 x molecole b) 6.24 molecole c) 6.24 x molecole d) 624 x molecole 35) Quanti grammi di biossido di carbonio si possono formare mettendo a reagire 360 g di glucosio (C 6 H 12 O 6 ) secondo la seguente reazione C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 a) 17.6 grammi b) 88 grammi c) 176 grammi d) 44 grammi 36) I coefficienti stechiometrici corrispondenti alla reazione sono CaCl 2 + Na 3 PO 4 Ca 3 (PO 4 ) 2 + NaCl a) 3, 2, 3, 6 b) 6, 4, 1, 6 c) 2, 3, 1, 6 d) 3, 2, 1, 6

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