Esercitazioni di stechiometria - Corso di Chimica Generale ed inorganica C

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1 A.A. 2005/2006 Laurea triennale in Chimica Esercitazioni di stechiometria - Corso di Chimica Generale ed inorganica C ARGOMENTO 1: mole, bilanciamento di equazioni chimiche non redox, formule minime e molecolari, % in peso, reagente limitante (2 h) - 1 mole contiene x molecole o atomi - Consente il passaggio dalla scala molecolare a quella macroscopica (e quindi dalla teoria alla pratica di laboratorio) - Gli elementi ed i composti reagiscono fra loro secondo rapporti stechiometrici, cioè quantitativi, ben precisi. - Gli elementi si combinano a formare composti, all interno dei quali essi sono presenti in rapporti stechiometrici ben precisi: essi sono espressi nelle formule molecolari e nelle formule minime (per i composti non molecolari). - Unità di massa per atomi e molecole: Dalton (Da) = unità di massa atomica (u.m.a.) = 1/12 atomo di 12 C = 1,66054 x g per quantità macroscopiche: grammo (g) - % in peso di un elemento in un composto = g dell elemento/100 g di composto - Le reazioni si possono scrivere in forma molecolare o ionica - Quando si bilancia una reazione, il n di atomi di ciascun elemento e la carica netta che sono indicati a sinistra della freccia devono eguagliare il n di atomi di ciascun elemento e la carica netta indicati a destra della freccia (bilancio di carica e di massa), per il principio di conservazione della carica e della massa - I coefficienti stechiometrici di una reazione bilanciata rappresentano, in scala macroscopica, il n di moli di reagenti e prodotti coinvolti nella reazione. - Resa di reazione = Quantità di prodotto effettivamente ottenuta/quantità di prodotto teorica x Reazione quantitativa = reazione completamente spostata a destra. comporta il completo consumo dei reagenti e la loro conversione nei prodotti. Resa di reazione = 100% - Reazione non quantitativa = reazione non completamente spostata a destra. Comporta un parziale consumo dei reagenti. Resa di reazione <100% 1

2 ESEMPI 1. Quale dei 3 campioni seguenti contiene il maggior numero di atomi? 5 g Li 5 g Pb 5 g Co 2. Pesano di più 0,05 mol di N 2, 0,05 mol di W o 0,05 mol di CO? 3. In quale delle seguenti quantità è presente il maggior numero di atomi? 5 g He 50 g Pb 4. Calcolare la massa media in g di un atomo di Cr 5. L analisi elementare di un composto ha fornito i seguenti risultati: K 26,57 % Cr 35,36 % O 38,07 % Determinare la formula bruta del composto 6. Calcolare la formula minima e quella molecolare di un composto organico incognito che, all analisi elementare ha fornito i seguenti risultati: C 73,14 % H 7,367 % O 19,49 % Il suo P.M. è 164 Da. 7. Calcolare la massa di ciascun elemento e di H 2 O contenute in 1,00 g di NiSO 4.7H 2 O (solfato di nickel eptaidrato) 8. Calcolare la % in peso degli elementi del composto KNO 3 (nitrato di potassio) 9. Calcolare la % in peso dei singoli elementi e dell acqua di cristallizzazione nel composto Na 2 CO 3.10 H 2 O (carbonato di sodio decaidrato) 10. Bilanciare le seguenti reazioni: Al (OH) 3 + HCl AlCl 3 + H 2 O AgNO 3 + Na 2 Cr 2 O 7 NaNO 3 + Ag 2 Cr 2 O Bilanciare la seguente reazione: Fe 2 (SO 4 ) 3 Fe 2 O 3 + SO Bilanciare la seguente reazione: SiO 2 + HF SIF 4 + H 2 O 13. Un campione di 7,34 g NaClO dà origine a 3,24 g NaCl e a NaClO 3. Determinare la resa di reazione. 3 NaClO NaClO NaCl 14. La reazione della termite serve a scaldare le rotaie ferroviarie, ad accendere i motori dei razzi a combustibile solido, ecc. 2 Al + Fe 2 O 3 Al 2 O Fe + calore Quale massa in g di ossido ferrico e Al deve essere usata per produrre 15,0 g di Fe? Quale massa di ossido di Al si ottiene? 15. H 3 PO 4 ed i suoi composti vengono usati come fertilizzanti Ca 3 (PO 4 ) H 2 SO 4 3 CaSO H 3 PO 4 Quale massa di acido solforico deve essere usata per reagire con 100,0 g di fosfato di calcio? 16. Data la reazione: Ba(OH) 2. 8 H 2 O + 2 NH 4 SCN Ba(SCN) H 2 O + 2 NH 3 Quale massa di NH 4 SCN deve essere usata se deve reagire completamente con 6,5 g di idrossido di bario? Quali masse di prodotti si ottengono? 17. Considerata la reazione: 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 identificare il reagente limitante in ciascuna delle seguenti miscele: a) 1 mol Al e 1 mol O 2 b) 0,50 mol Al e 0,75 mol O 2 c) 75,89 g Al e 112,25 g O Calcolare quanta CO e quanta SO 2 si possono ottenere dalla combustione di 1 t di carbone che contiene il 93% w/w C e lo 0,99% w/w S, se il rendimento è del 95%. Determinare inoltre quanti Kg di ossigeno occorrono. 19. La reazione di sintesi dell ammoniaca è la seguente: N H 2 2 NH 3 Quale massa di NH 3 si ottiene da una miscela di 1000,0 g di azoto e 500,0 g idrogeno? Quale reagente rimane in parte inalterato e in quale entità? Qual è il reagente limitante? 20. Calcolare la quantità di Cl 2 necessaria per produrre 28,3 g CaCl 2, sapendo che la resa % della reazione è 78,5%. 2

3 6 Ca(OH) Cl 2 Ca(ClO 3 ) CaCl H 2 O 21. Considerata la reazione: 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 identificare il reagente limitante in ciascuna delle seguenti miscele: a) 2 mol Al e 4 mol O 2 b) 64,75 g Al e 115,21 g O 2 SOLUZIONI 1. A parità di peso, il campione che contiene il maggior numero di atomi sarà quello dell elemento più leggero, cioè il Li. Questo può essere facilmente verificato tramite il calcolo: 5,00 g Li/ 6,94 g/mol = 0,720 mol Li 5,00 g Pb/ 207,2 g/mol = 0,0241 mol Pb 5,00 g Co/ 58,9 g/mol = 0,0848 mol Co 2. Peseranno di più 0,05 mol dell elemento o del composto più pesante, cioè del W. La verifica dei calcoli mostra che: P.M. N 2 = 28,01 g/mol 0,05 mol x 28,01 g/mol = 1,400 g N 2 P.A. W = 183,85 g/mol 0,05 mol x 183,85 g/mol = 9,192 g W P.M. CO = 28,01 g/mol 0,05 mol x 28,01 g/mol = 1,400 g CO 3. P.A. He = 4,0026 g/mol 5,00 g/4,0026 g/mol = 1,25 mol He P.A. Pb = 280,9 g/mol 50,0 g/ 280,9 g/mol = 0,241 mol Pb 5 g di he contengono più atomi che 50 g di Pb 4. P.A. Cr = 51,996 g/mol 51,996 g/mol/6,022 x atomi/mol = 8,63 x g/atomo di Cr 5. Su 100 g di composto, avrò: K 26,57 g Cr 35,36 g O 38,07 g da cui ricavo che: 26,57 g/39,102 g/mol = 0,6795 mol K 35,36 g/51,9996 g/mol = 0,6801 mol Cr 38,07 g/15,9994 g/mol = 2,379 mol O Il rapporto tra n mol corrisponde al rapporto fra gli atomi di ogni elemento nella molecola. Potremmo scrivere: K Cr 0,6801 O 2,379 ma è più pratico utilizzare numeri interi. Quindi cerchiamo il massimo comun divisore: K 0,6795/0,6795 = 1,00 2 Cr 0,6801/0,6795 = 1,00 e moltiplicando per due ottengo 2 O 2,379/0,6795 =3,499 7 Quindi la formula bruta del composto è: K 2 Cr 2 O 7 dicromato di potassio (ossidante forte) 6. Su 100 g di composto, avrò: C 73,14 g/12,01115 g/mol = mol C H 7,367 g/1,008 g/mol= 7,309 mol H O 19,49 g/ 15,9994 g/mol = 1,218 mol O Divido per 1,281 e ottengo: C 6.089/1,218 = 4,999 5 H 7,309/1,218 = 6,001 6 O 1,218/1,218 = 1 La formula bruta del composto è: C 5 H 6 O e corrisponde a metà del peso molecolare. Perciò la formula molecolare sarà: C 10 H 12 O 2 7. P.M. NiSO 4.7H 2 O = 280,9 g/mol P.M. H 2 O = 18,01 g/mol NiSO 4. 7H 2 O 1,00g /280,9 = 0,00356 mol Ni 0,00356 x 58,7 g/mol = 0,209 g S 0,00356 x 32,1 g/mol = 0,114 g O 0,00356 x 11 x 15,9994 g/mol = 0,627 g H 0,00356 x 14 x 1,00797 g/mol = 0,0503 g Σ pesi in g = 1,00 g (controllo) H 2 O 0,00356 x 7 x 18,01 = 0,449 g 3

4 8. P.M. KNO 3 = 101,1 g/mol Su 1 mol di nitrato avrò: 1 mol K = 39,098 g 39,098 g/ 101,1 g x 100 = 38,7 % 1 mol N = 14,0067 g 14,0067 g/ 101,1 g x 100 = 13,8 % 3 mol O = 3 x 15,9994 g = 47,998 g 47,998 g/ 101,1 g x 100 = 47,5 % 9. P.M. Na 2 CO 3.10H 2 O = 286,2 g/mol Ogni mole di carbonato contiene: 2 mol Na = 45,98 g 45,98 g/286,2 g x 100 = 16,1 % Na 13 mol O = 207,99 g 207,99 g/286,2 g x 100 = 72,7 % O 1 mol C = 12,0115 g 12,0115 g/286,2 g x 100 = 4,20% C 20 mol H = 20,159 g 20,159 g/286,2 g x 100 = 7,04% H Σ % dei singoli elementi = 100% 10 mol acqua = 180,2 g 180,2 g/286,2 g x 100 = 63,0 % l acqua non rientra nella %!! 10. Al (OH) HCl AlCl H 2 O 2 AgNO 3 + Na 2 Cr 2 O 7 2 NaNO 3 + Ag 2 Cr 2 O Fe 2 (SO 4 ) 3 Fe 2 O SO SiO HF SIF H 2 O 13. P.M. NaClO = 74,442 g/mol P.M. NaCl = 58,443 g/mol mol NaClO = 7,34 g/74,442 g/mol = 9,86 x 10-2 mol mol NaCl che si otterrebbero se la resa fosse quantitativa: 9,86 x 10-2 mol x 2/3 =6,57 x 10-2 mol g NaCl che si otterrebbero se la resa fosse quantitativa: 6,57 x 10-2 mol x 58,443 g/mol = 3,84 g NaCl (teorici) Tuttavia si ottengono solamente 3,24 g di NaCl, quindi la resa della reazione è: 3,24/3,84 x 100 = 84,4 % 14. P.A. Fe = 55,847 g/mol P.A. Al = 26,9016 g/mol P.M. Fe 2 O 3 = 159,7 g/mol P.M. Al 2 O 3 = 101,96 g/mol 15,0 g Fe/55,847 g/mol = 0,269 mol Fe, le quali derivano da: 0,269 mol Al = 7,24 g (rapporto stechiometrico Fe:Al = 1:1) 0,269 mol/2 Fe 2 O 3 = 21,5 g (rapporto stechiometrico Fe: Fe 2 O 3 = 2:1) Ottengo: 0,269 mol/2 Al 2 O 3 =13,7 g Al 2 O 3 (rapporto stechiometrico Fe: Al 2 O 3 = 2:1) 15. P.M. Ca 3 (PO 4 ) 2 = 310,98 g/mol P.M. H 2 SO 4 = 98,08 g/mol 100 g di fosfato = 0,321 mol che reagiscono con: (0,321 x 3) mol H 2 SO 4 = 0,964 mol H 2 SO 4 = 94,62 g H 2 SO P.M. Ba(OH) 2. 8 H 2 O = 315,43 g/mol P.M. NH 4 SCN = 76,120 g/mol P.M. Ba(SCN) 2 = 253,50 g/mol P.M. H 2 O = 18,01 g/mol P.M. NH 3 = 17,03 g/mol 6,5 g di Ba(OH) 2. 8 H 2 O = 2,1 x 10-2 mol da cui: NH 4 SCN = 2,1 x 10-2 mol x 2 = 4,2 x 10-2 mol = 3,1 g Ba(SCN) 2 = 2,1 x 10-2 mol x 1 = 5,3 g H 2 O = 2,1 x 10-2 mol x 10 = 2,1 x 10-1 mol = 3,8 g NH 3 = 2,1 x 10-2 mol x 2 = 4,2 x 10-2 mol = 0,71 g 17. P.A. Al = 26,9016 g/mol e P.M. O 2 = 31,9988 g/mol Si avrà: a) Al (perché il rapporto Al:O 2 = 1:3/4) b) Al c) Al 18. S + O 2 SO 2 C + ½ O 2 CO PM CO = 28,0111 g/mol PM SO 2 = 64,063 g/mol 1,00 x 10 6 g carbone contengono: 9,30 x 10 5 g C = 7,74 x 10 4 mol C 9,90 x 10 3 g S = 3,09 x 10 2 mol S Rapporto C:CO = 1:1 4

5 da cui: x = 7,74 x 10 4 mol CO se la resa fosse del 100% (reazione quantitativa). Ma la resa è del 95%, perciò: 7,74 x 10 4 mol /100 x 95 = 7,35 x 10 4 mol effettive CO Rapporto S:SO 2 = 1:1 da cui: x = 3,09 x 10 2 mol SO 2 se la resa fosse del 100% (reazione quantitativa). Ma la resa è del 95%, perciò: 3,09 x 10 2 mol /100 x 95 = 2,93 x 10 2 mol effettive SO 2 mol di O 2 consumato = (7,74 x 10 4 )/2 mol + (3,09 x 10 2 )/2 mol = 3,90 x 10 4 mol g di O 2 consumato = 3,90 x 10 4 mol x 31,99 g/mol = 1,25 x 10 6 g O 2 = 1,25 x 10 3 Kg O P.M. N 2 = 28,01 g/mol P.M. H 2 = 2,0159 g/mol 1000,0 g N 2 = 35,70 mol N 2 500,0 g H 2 = 248,0 mol H 2 Il reagente limitante è N 2. Si formano 2x 35,70 mol NH 3 Restano inalterate: [248,0 (35,70x3)] mol H 2 = 140,9 mol H 2 = 284,0 g H P.M. CaCl 2 = 110,986 g/mol P.M. Cl 2 = 70,906 g/mol mol CaCl 2 = 28,3 g/110,986 g/mol = 0,255 mol effettive moli ipotetiche (considerando che la resa è del 78,5%) = 0,255 /78,5 x 100 = 0,325 mol CaCl 2 da cui si ricava che le moli di Cl 2 necessarie sono: 0,325 x 6/5 = 0,390 mol 27,6 g Cl P.A. Al = 26,9016 g/mol e P.M. O 2 = 31,9988 g/mol Si avrà: a) Al (perché il rapporto Al:O 2 = 1:3/4) b) Al 5

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