CorsI di Laurea in Ingegneria Aereospaziale-Meccanica-Energetica. FONDAMENTI DI CHIMICA Docente: Cristian Gambarotti. Esercitazione del 05/10/2010

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1 CorsI di Laurea in Ingegneria Aereospaziale-Meccanica-Energetica FONDAMENTI DI CIMICA Docente: Cristian Gambarotti Esercitazione del 05/10/010

2 ARGOMENTI TRATTATI DURANTE LA LEZIONE Esercizi di riepilogo su stechiometria Concetto di densità di una sostanza Percentuale in peso, in volume, frazione molare Unità di misura della concentrazione molarità e molalità

3 Un idrocarburo, bruciato all aria produce 3,669g di CO e 1,751g di acqua. Calcolare la formula empirica del composto. Se il peso molecolare è pari a 86,0g/mol calcolare anche la formula molecolare. Gli idrocarburi sono composti formati esclusivamente da C e Es.: C 4 (metano), C 6 (etano), C 4 (etilene o etene), C 6 6 (benzene) Sia C x y la formula molecolare dell idrocarburo incognito con x e y da determinare Scriviamo la reazione di combustione: C + O CO + x y O che deve essere opportunamente bilanciata: C C + O xco + y x y + x + y O 4 xco O y x y + O Bilancio su C e Bilancio su O

4 C + x + y O 4 xco y x y Calcoliamo le moli di CO e di acqua prodotte: + O n CO massa CO 3,669g n. moli CO 8, M 44g / mol CO mol n O massa O 1,751g n. moli O 9,78 10 M 18g / mol O x In base alla stechiometria della reazione per ogni mole di acqua si producono y moli di CO QUINDI il rapporto tra le moli di CO e acqua prodotte deve essere uguale al corrispondente rapporto dei coefficienti stechiometrici mol n. molco n. mol O 0, ,857 0,0978 x y x 0,485 y y x, La formula minima è: C 3 7

5 Per calcolare la formula molecolare occorre conoscere la massa molare Pertanto si ha: formula della massa molare x 1 + y 1 86 y x 7 3 x 1 + y 1 86 M C M M Cxy X6 y14 La formula molecolare è C 6 14 Gli alcani sono idrocarburi saturi che hanno formula generale C n n+ C 4 (metano), C 6 (etano), C 3 8 (propano), C 4 10 (butano), C 5 1 (pentano), C 6 14 (esano)

6 ALCUNE CONSIDERAZIONI L esercizio presentato oltre ad avere un contenuto didattico (n. moli, bilanciamento reazione f. minima, f.molecolare, impostazione matematica del problema) rappresenta un esempio di indagine sperimentale. 1. Si ha a disposizione un composto incognito (però si sa già che è un idrocarburo). Si brucia il composto ottenendo solo O e CO Siamo sicuri? 3. Si pesa l acqua e la CO 4. Si misura la massa molare del composto Come? Spettrometro di massa L informazione. non è sufficiente per stabilire che il composto è un idrocarburo. Cioè, è vero che la combustione completa di ogni idrocarburo fornisce CO e acqua. Ma non è vero che acqua e CO derivano esclusivamente dalla combust. completa di idrocarburi. Es. C 5 O + 3O CO +3 O (l etanolo non è un idrocarburo)

7 Per essere sicuri di avere ottenuto solo CO e acqua (combustione completa) la reazione deve avvenire in eccesso di O. Se il processo avviene in difetto di O si può produrre anche monossido di carbonio (CO) Es. Supponiamo di volere bruciare 1mole di metano C 4 +O CO + O moli di O per ogni mole di metano Se si alimentasse un numero di moli di O inferiore a per ogni mole di metano potrebbe verificarsi la seguente reazione competitiva: C 4 +3/O CO+ O 1,5moli di O per ogni mole di metano Nell incertezza si alimenta al reattore un numero di moli di O per ogni mole di C 4 >

8 Come si pesa l acqua e la CO? O e CO gas + O residuo Recupero acqua Recupero CO CO gas + O residuo solo O residuo condensazione oppure reazione chimica con substrato solido (es. P O 5 ) reazione chimica con una sostanza basica (es. ossido di calcio, CaO, oppure idrossido di sodio, NaO) C x y + O (in eccesso) P O 5 +3 O 3 PO 4 CO +CaO CaCO 3 La differenza tra il peso finale e il peso iniziale fornisce la quantità di acqua prodotta La differenza tra il peso finale e il peso iniziale fornisce la quantità di CO prodotta

9 Calcolare la quantità di bromobenzene (C 6 5 Br) teoricamente ottenibile da 78,0 g di benzene (C 6 6 ) e 10,0 g di Br. Calcolare, inoltre, la resa percentuale se si ottengono 85,6 g di C 6 5 Br C 6 6 (l) + Br (l) C 6 5 Br(l) + Br(g) n.moli benzene massa benz M benz 78,0g 78g/mol 1mol massa bromo 10g n. moli bromo 0,751mol M 159,8g / mol bromo Benzene in eccesso Br reagente limitante n.moli C 6 5 Br teoriche n.moli Br 0,751 Massa C 6 5 Br teorica (0,751mol)x(156,9g/mol)117,83g Resa% massa C 5Br effettiva 85,6g massa C Br teorica 117,8g 6 5 7,6%

10 DENSITÀ Massa di sostanza contenuta in un volume unitario massa d Unità di misura: g/cm volume 3, g/ml, kg/l, kg/dm 3, kg/m 3 Può essere definita qualunque sia lo stato di aggregazione della sostanza (solido, liquido, gassoso) Dipende dalla temperatura La densità dei gas dipende anche dalla pressione Es. acqua liquida 1g/cm 3 1g/mL 1kg/dm 3 1kg/L 1000kg/m 3 benzina ~70kg/m 3 Aria (gas) a 0 C e 1atm 1,9kg/m 3 mercurio (metallo liquido a temp.ambiente): 13600kg/m 3 13,6g/mL ~ 1000 più piccola della d dell acqua Acciaio 7850kg/m 3 Alluminio 700kg/m 3 Fibre di carbonio 1800kg/m 3

11 Percentuale in peso, percentuale in volume e frazione molare Consideriamo una miscela costituita, per semplicità, da due sole sostanze A e B Percentuale in peso A ma ma % W m + m m A B m A massa A m B massa B TOT B B mb % W m + m m m A % % 100 A B TOT W + B W Percentuale in volume A VA V B VB VB A % V % V V + V V VA + VB VTOT A B V A Volume A V B Volume B TOT A % % 100 V + B V Frazione molare n A x A na + nb n n A TOT n B x B na + nb n n B TOT x A + x B 1 n A numero moli A n B numero moli B

12 Esempi 500g di una soluzione acquosa di NaCl al 10% in peso 1ton di Combustibile Derivato dai Rifiuti (C.D.R.) a la seguente composizione (in peso) Materie plastiche: 17% Carta e cartone: 67% Residui di tessuti: 10% Gomma, residui di legno e pellame: 5% Scarti metallici e vetrosi: 1% 50 g NaCl disciolti in 450g di acqua 670kg carta e cartone 170kg materie plastiche... 1 bottiglia di birra (66cL) ha un contenuto di alcol pari al 4,5%vol (66cL)x0,045,97cL (9,7mL 0,097L) alcol Una miscela gassosa costituita da 3moli N, 8moli Ar e 5mol O fraz.molare N : 3/160,1875 fraz.molare Ar: 8/160,5 fraz.molare O : 5/160,315

13 Si consideri la reazione di produzione dell etanolo a partire dal glucosio: C61O6 ( aq) C 5O ( aq) + CO a) Quanto alcool etilico (in kg) si produce facendo fermentare 100 kg di materiale contenente il 90% in peso di glucosio? b) Quanti litri di etanolo si ottengono sapendo che la densità dell alcool è pari a 0,785 kg/l? c) Quanto vale la resa del processo se si ottengono 49,7 L di alcool? ( g) 100 kg al 90% in peso di glucosio 90 kg di glucosio 90kg n.moli glucosio 0,5 kmol 500mol 1kmol alcol prodotto (teoricamente) 180 kg kmol massa alcol kg kmol ( 1kmol) 46 46kg massa (kg) massaeto 46kg densità d VETO 58,6L volume(l) d kg ETO 0,785 L resa(%) massaeto n ETO VETO 49,7 L ,8% TEOR TEOR TEOR massa n V 58,6L ETO ETO ETO

14 Dalla combustione completa di 10g di una miscela di propano, C 3 8, e butano, C 4 10 si liberano 16g di acqua. Scrivere e bilanciare le equazioni di reazione e determinare la composizione ponderale della miscela. C3 8 + O CO + O C O CO + O C O 3CO + 4 O O 4CO + 5 C Due sono le informazioni a disposizione: la massa di miscela e la massa di acqua prodotta O 1) ) ( C ) + massa( C ) 10g TOT m massa tot.combustibile massa COMB n C 44 + n C 58 10(g) M C38 M C410 m TOT O massa tot.acqua massa acqua (1) + massa acqua () 16g ( 4 + n 5) 18 16(g) n 38 C4 10 C n 1 n 3 8 C4 10 C 1 m 44g m 3 8 C4 10 C 58g M O La composizione ponderale della miscela è infine data da: 44g % C % % W C410 10g 58g g W 56.9%

15 Quanti litri di SO 4 al 65% peso (d1,55g/ml) si possono ottenere da 100kg di pirite (FeS ) considerando una resa del 90% (con rif.alla reazione (1)) Le reazioni da considerare sono le seguenti: 4FeS (s)+11 O (g) Fe O 3 (s) + 8SO (g) (1) SO (g) + O (g) SO 3 (g) () SO 3 (g) + O(g) SO 4 (aq) (3) Gas insolubili (N, O residuo) 4FeS (s)+11 O (g) Fe O 3 (s) + 8SO (g) SO (g) + O (g) SO 3 (g) aria ~900 C SO ~400 C SO 3 soluz. acquosa SO 4 (oleum) FeS acqua arrostimento piriti aria ossidazione SO SO 3 (g) + O(g) SO 4 (aq)

16 4FeS (s)+11 O (g) Fe O 3 (s) + 8SO (g) SO (g) + O (g) SO 3 (g) SO 3 (g) + O(g) SO 4 (aq) n.moli pirite massa pirite M FeS 100kg 119,98kg/kmol 0,834kmol 8 n.moli teoricheso 4 ( 0,834kmol) 1,668kmol (moli di SO per ogni mole di FeS ) ( 1,668kmol) resa% ( 1,668kmol) ( 0,9) 1,501kmol n.molieffettiveso Dalla ) si ha: n.moli SO n.moliso 3 1,501kmol (1moli di SO 3 per ogni mole di SO ) Dalla 3) infine: kg kmol n.moli SO4 n.moliso3 1,501kmol massa SO4 puro ( 1,501kmol) 98,1 147,3kg QUINDI 147,3kg 6,6kg massa SO4 al65%in peso 6,6kg volume SO4 al65%in peso 146,L 0,65 1,55 kg L

17 Misure di concentrazione molarità e molalità M molarità n.molisoluto volume Soluzione(L) Soluzione NaCl in acqua 1M (leggi 1 molare): 1mole NaCl (58,5grammi) in acqua fino ad avere 1litro di soluzione m molalità n.molisoluto massa Solvente (kg) Soluzione NaCl in acqua 1m (leggi 1 molale): 1mole NaCl (58,5grammi) in 1kg acqua

18 Calcolare il volume di una soluzione di Cl al 38% in peso (d1,19g/ml) necessario per preparare 1,5L di soluzione 4,0M. Qual è la concentrazione molare della soluzione al 38%?

19 n.moli soluto (Cl) nel matraccio B(1,5L) x (4,0moli/L)6moli 6moli Cl 19 grammi CL (6moli) x (36,5g/mol) La soluzione nel matraccio A è al 38% in peso Massa Cl (38% W ) prelevata da A vale: 19grammi/0,38576,3grammi QUINDI Il volume prelevato da A vale: (576,3grammi)/densità(576,3grammi)/(1,19g/mL)484,3mL 1kg di soluzione al 38% contiene 380 grammi di Cl cioè 10,41 moli di Cl 1kg di soluzione al 38% ha un volume di 0,84L (1kg/densità) La concentrazione molare della soluzione al 38% è pari a: (10,41mol)/(0,84L)1,4M