Argomenti 2 lezione. Bilanciamento delle reazioni chimiche. Resa teorica e resa effettiva. Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 2

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1 Un composto contenente sodio, cloro e ossigeno ha una percentuale in massa di sodio del Se 3.25 g di tale composto forniscono 4.33 x atomi di ossigeno, calcolare la formula minima. Na: % g in 100 g di composto. Moli Na = g / gmol -1 = mol : O: Moli O = 4.33 x / x = mol mol : 3.25 g composto = x mol : 100 g Mol O in 100 g = x 100 / 3.25 = 2.21 mol Cl : % Cl = (25.42 % %) = 39.2 % 39.2 g / gmol-1 = mol NaClO 2 Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 1

2 Argomenti 2 lezione Bilanciamento delle reazioni chimiche Resa teorica e resa effettiva Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 2

3 Bilanciamento delle reazioni chimiche -> Una reazione chimica esprime le identità e le QUANTITA delle sostanze che partecipano a una trasformazione chimica o fisica. -> Quantità reagenti & prodotti Bilanciamento : nei due membri della reazione deve comparire lo stesso numero di atomi di ciascuna specie -> molto importante avere ben chiaro il concetto di moli il confronto delle masse non indica il rapporto delle sostanze reagenti, mentre il confronto dei numeri di moli lo indica grandi popolazioni di che reagiscono tra di loro Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 3

4 Bilanciamento delle reazioni chimiche -> esempio: floruro di idrogeno (g) a partire da H 2 e F 2 2,016 g H ,00 g di F 2 reagiscono per formare g di HF la massa si conserva...altro proviamo a convertire le masse in reagisce con per formare H 2 + F 2 2HF x molecole di H x molecole di F x molecole di HF 1 molecola di H molecola di F 2 2 molecole di HF In un processo chimico gli atomi non possono essere essere creati, distrutti o trasformati ma possono essere soltanto riorganizzati in differenti combinazioni. Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 4

5 Bilanciamento delle reazioni chimiche Informazioni contenute in una reazione bilanciata: 2 Mg + 1 O 2 -> 2 MgO MOLECOLE 2 molecole di magnesio + 1 molecola di ossigeno 2 molecole di ossido di magnesio QUANTITA (mol) 2 moli + 1 mole 2 moli MASSA (g) 48,62 g + 32,00 g 80,62 g (2 mol x 24,31 g/mol) (2 mol x 16,00 g/mol) (2 mol x 40,31 g/mol) Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 5

6 Bilanciamento delle reazioni chimiche Regole per bilanciare una reazione chimica: uguagliare il numero di atomi di ciascuna specie in ciascun membro dell equazione mediante i coefficienti stechiometrici (moltiplicatori numerici di tutti gli atomi nella formula che lo segue). -> si parte dalla sostanza più complessa -> si arriva alla sostanza più semplice reazione BILANCIATA in termini di NUMERO e di SPECIE di atomi -> si preferiscono coefficienti costituiti dai numeri INTERI più piccoli (...non può esistere una metà di una molecola di O 2 ) 6

7 Esercizi Bilanciamento delle reazioni chimiche Bilanciare le seguenti reazioni chimiche -> l acido nitrico (HNO 3 ) reagisce con il carbonato di calcio (CaCO 3 ) per formare diossido di carbonio (CO 2 ), acqua e nitrato di calcio Ca(NO 3 ) 2. _HNO 3 +_ CaCO 3 _H 2 O +_CO 2 +_Ca(NO 3 ) 2 2HNO 3 + 1CaCO 3 1H 2 O + 1CO 2 + 1Ca(NO 3 ) 2 -> l acido solforico (H 2 SO 4 ) reagisce con l idrossido di sodio (NaOH) per formare solfato di sodio (Na 2 SO 4 ) e acqua _H 2 SO 4 + NaOH Na 2 SO 4 + H 2 O 1H 2 SO 4 + 2NaOH 1Na 2 SO 4 + 2H 2 O -> _H 3 PO 4 + _Ca(OH) 2 _Ca 3 (PO 4 ) 2 + _H 2 O 2 H 3 PO Ca(OH) 2 = Ca 3 (PO 4 ) H 2 O Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 7

8 Bilanciamento delle reazioni di ossido-riduzione L evento chimico essenziale che avviene durante questo tipo di reazione chimica è il movimento netto o parziale di elettroni da un reagente all altro. Trasferimento (composto ionico) o «spostamento» (composto covalente) di carica elettronica La forza motrice per queste reazioni è il fatto che il movimento (trasferimento o spostamento) di elettroni avviene in un verso speciale: dagli atomi del reagente a minor attrazione per gli elettroni agli atomi del reagente a maggior attrazione per gli elettroni. Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 8

9 Bilanciamento delle reazioni di ossido-riduzione Reazione redox con formazione di un composto ionico ogni atomo di sodio metallico cede un elettrone e ogni atomo di cloro acquista un elettrone Na + Cl 2 NaCl Reazione redox con formazione di un composto covalente Formazione di HCl a partire da idrogeno e cloro: due legami covalenti omopolari (H-H e Cl-Cl) si trasformano in due legami fortemente eteropolari (H-Cl) con trasferimento parziale di un elettrone da H a Cl). H 2 + Cl 2 HCl H H Cl Cl Cl H Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 9

10 Bilanciamento delle reazioni redox Terminologia essenziale: - Numero di ossidazione : la carica che l atomo avrebbe se gli elettroni non fossero condivisi bensì fossero trasferiti completamente; nel caso di composti ionici questo trasferimento è reale. - Ossidazione : cessione di elettroni ( Mg Mg e- ) aumento del numero di ossidazione - Riduzione : acquisto di elettroni ( ½ O 2 + 2e- O 2- ) diminuzione del numero di ossidazione - La cessione e l acquisto di elettroni sono simultanei - Agente ossidante : la specie che effettua l ossidazione (l ossigeno ha ossidato il magnesio) - Agente riducente : la specie che effettua la riduzione ( il magnesio ha ridotto l ossigeno) Agente ossidante viene ridotto perché rimuove gli elettroni (acquista e-), mentre l agente riducente viene ossidato perché cede gli elettroni (perde e-). Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 10

11 Bilanciamento delle reazioni redox Alcune regole per la determinazione di n Ox 1. Il n Ox di un atomo di qualsiasi specie chimica allo stato elementare è zero. Es: Na, Fe, C, H 2, Cl 2, P 4, n Ox =0 2. Il n Ox di qualsiasi ione monoatomico è uguale alla carica dello ione: Es: Na + n Ox = +1; Ba 2+ n Ox =+2; Fe 3+ n Ox =+3 3. La somma algebrica dei n Ox di tutti gli atomi in un composto neutro deve essere zero. 4. La somma algebrica dei n Ox di tutti gli atomi presenti in uno ione poliatomico deve essere uguale alla carica dello ione: Es: NH 4+, SO 4 2-, PO 4 3- Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 11

12 Bilanciamento delle reazioni redox 5. Il n Ox dell idrogeno nei suoi composti è sempre +1, eccetto che negli idruri metallici in cui è -1. Es: n Ox H = +1 in HCl, H 2 O, HNO 3, NH 3, NH 4+ ; n Ox H= -1 in NaH, CaH 2 6. Il n Ox dell ossigeno nei suoi composti è generalmente 2, eccetto che nei perossidi in cui è 1 e quando è legato al fluoro ( +2). Es: n Ox O = -2 in H 2 O, BaO, H 2 SO 4 ; n Ox O= -1 in H 2 O 2 ; n Ox O = +2 in OF 2 7. Gli elementi dei gruppi I, II, III del sistema periodico nei loro composti hanno n Ox sempre positivo che si identifica con il numero del gruppo di appartenenza. Es: gruppo I n Ox = +1; gruppo II n Ox = +2; gruppo III n Ox = Il n Ox massimo di un atomo di un elemento non può essere superiore al numero del gruppo di appartenenza. Es: gruppo IV n Ox max = + 4; gruppo V n Ox max = +5; gruppo VI n Ox max = +6; gruppo VII n Ox max = +7 Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 12

13 Bilanciamento delle reazioni redox I coefficienti stechiometrici devono soddisfare: Bilanciamento elettronico (numero di elettroni ceduti dalla specie riducente deve essere uguale al numero di elettroni acquistati dalla specie ossidante) - Determinare n.ox - Individuare la sostanza ossidante e la sostanza riducente - Calcolare il numero di elettroni coinvolti - Uguagliare il numero di elettroni scambiati - Bilanciare, se necessario, le specie che non hanno subito variazione del n.ox Principio di conservazione della massa (numero totale degli atomi dei prodotti = numero totale degli atomi dei reagenti) Principio di conservazione della carica (la somma algebrica delle cariche degli ioni presenti nei reagenti deve essere uguale alla somma algebrica delle cariche degli ioni presenti nei prodotti.) Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 13

14 Esercizi bilanciamento reazioni chimiche ai due membri dell equazione deve comparire lo stesso numero di atomi di ciascuna specie Bilanciare le seguenti reazioni redox mediante il metodo della variazione del numero di ossidazione Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO + H 2 O 3Cu + 8HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O Fe 2 O 3 + CO Fe + CO 2 Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 - Determinare n.ox - Individuare la sostanza ossidante e la sostanza riducente - Calcolare il numero di elettroni coinvolti - Uguagliare il numero di elettroni scambiati - Bilanciare, se necessario, le specie che non hanno subito variazione del n.ox SnCl 2 + HgCl 2 SnCl 4 + Hg 2 Cl 2 SnCl 2 + 2HgCl 2 SnCl 4 + Hg 2 Cl 2 NaClO NaCl + NaClO 3 3NaClO 2NaCl + 1NaClO 3 (Dismutazione di ipoclorito di sodio in clorato e cloruro di sodio) 30/10/2017 Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 14

15 Resa teorica e resa effettiva Situazione ideale: - esistenza di metodi ideali di separazione e purificazione per isolare il prodotto di una reazione - tecniche di laboratorio perfette per raccogliere tutto il prodotto formato - assenza di formazione di prodotti indesiderati Resa teorica (espressa in moli o in grammi): La quantità di prodotto indicata dal rapporto stechiometrico equivalente nella reazione bilanciata. Situazione reale - resa teorica non è ottenuta mai - anche se predomina la reazione principale, molti reagenti percorrono anche una o più reazioni collaterali - molte reazioni sembrano arrestarsi prima di completarsi - avvengono perdite quasi in ogni passaggio di un procedimento di separazione Resa effettiva (espressa in moli o in grammi): la quantità di prodotto che si ottiene effettivamente Resa percentuale : resa effettiva espressa come percentuale della resa teorica, quindi rapporto tra la quantità di prodotto realmente ottenuta e la quantità teoricamente ottenibile (in moli o in massa) moltiplicato per cento: η = moli ottenute moli teoricamente ottenibili x 100 = massa g ottenuta massa g teoricamente ottenibile x 100 Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 15

16 Calcolare la resa della seguente reazione sapendo che da 5.60 g di carburo di calcio si ottengono 2.10 g di acetilene: CaC2 + 2H2O Ca(OH)2 + C2H2 1. Scrivere e bilanciare la reazione 5.60 g 2.10 g CaC2 + 2H2O Ca(OH)2 + C2H2 2. Calcolare le moli ed i grammi attesi moli CaC2 = g/mm = 5.60 g/ g/mol = mol moli teoriche C2H2 = moli CaC2 = mol g teorici = moli MM = mol g/mol= 2.28 g 3. Calcolare la resa percentuale R(%) = (2.10 g/2.28 g) 100 = 92.1 % Esercitazioni di Chimica Generale ed Inorganica 16

17 Data la reazione (da bilanciare): Cl 2 + NaOH NaCl + NaClO 3 + H 2 O Sapendo che la resa della reazione è pari a 85.0%, calcolare la quantità (in grammi) di clorato di sodio che si ottiene facendo 1.22 moli di cloro con idrossido di sodio. 3Cl 2 + 6NaOH 5NaCl + NaClO 3 + 3H 2 O Moli NaClO 3 teoricamente ottenibili: Cl 2 : NaClO 3 3 : 1 Moli NaClO 3 = 1.22 mol x 1/3 = mol Moli NaClO 3 ottenute: Resa percentuale = (moli ottenute / moli teoricamente ottenibili) x 100 moli ottenute = (85.0 x 0.407) / 100 = mol Grammi NaClO 3 = moli x MM = mol x gmol -1 = 36.8 g