STECHIOMETRIA E LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE

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1 Maurizio Bruschi STECHIOMETRIA E LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE Eserciziario

2 2011 Pearson Italia Milano, Torino Le informazioni contenute in questo libro sono state verificate e documentate con la massima cura possibile. Nessuna responsabilità derivante dal loro utilizzo potrà venire imputata agli Autori, a Pearson Italia S.p.A. o a ogni persona e società coinvolta nella creazione, produzione e distribuzione di questo libro. Per i passi antologici, per le citazioni, per le riproduzioni grafiche, cartografiche e fotografiche appartenenti alla proprietà di terzi, inseriti in quest opera, l editore è a disposizione degli aventi diritto non potuti reperire nonché per eventuali non volute omissioni e/o errori di attribuzione nei riferimenti. I diritti di riproduzione e di memorizzazione elettronica totale e parziale con qualsiasi mezzo, compresi i microfilm e le copie fotostatiche, sono riservati per tutti i paesi. LA FOTOCOPIATURA DEI LIBRI È UN REATO. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n Le riproduzioni effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello personale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, corso di Porta Romana n. 108, Milano, [email protected] e sito web Realizzazione editoriale: I.T.G. Torino Grafica di copertina: Walter Ardoli Stampa: Tip.Le.Co. S. Bonico (PC) Tutti i marchi citati nel testo sono di proprietà dei loro detentori Printed in Italy 1 a edizione: settembre 2011 Ristampa Anno

3 Sommario Prefazione VII Capitolo 1 Capitolo 2 Formule chimiche, masse molecolari, mole, e composizione percentuale Le formule chimiche e la nomenclatura dei composti La massa atomica e molecolare La mole e la massa molare La determinazione delle formule dei composti Problemi 20 Reazioni chimiche; bilanciamento e calcoli ponderali Calcoli ponderali nelle reazioni chimiche Reagente limitante Reazioni in soluzione acquosa, elettroliti e non elettroliti Reazioni di precipitazione; bilanciamento e calcoli ponderali Reazioni acido-base; bilanciamento e calcoli ponderali Numeri di ossidazione Reazioni di ossido-riduzione; bilanciamento e calcoli ponderali Gli equivalenti e la massa equivalente Problemi 69 Capitolo 3 I gas e le miscele gassose Massa molare e densità dei gas Le miscele gassose Gas reali Problemi 88

4 IV Sommario Capitolo 4 Termochimica e termodinamica chimica 93 Capitolo 5 Capitolo Calore, lavoro e primo principio della termodinamica Trasferimento di calore e capacità termica Entalpia La legge di Hess Secondo principio della termodinamica: entropia, energia libera e spontaneità di una reazione Problemi 112 Le soluzioni e le proprietà colligative delle soluzioni Diluizione di una soluzione Miscelazione di soluzioni con concentrazioni diverse Proprietà colligative delle soluzioni Problemi 134 Introduzione all equilibrio chimico ed equilibri in fase gassosa Determinazione della costante di equilibrio Quoziente di reazione e direzione della reazione Calcolo della composizione in condizioni di equilibrio Variazione delle concentrazioni, della temperatura e della pressione di un sistema all equilibrio Equilibri eterogenei Problemi 171 Capitolo 7 Equilibri in soluzione acquosa; acidi e basi Prodotto ionico dell acqua e ph Calcolo delle concentrazioni di soluzioni di acidi e basi; un approccio generale Acidi e basi forti 187

5 Sommario V Capitolo 8 Capitolo Acidi e basi deboli monoprotici Acidi poliprotici Miscele di acidi o di basi Soluzioni di sali Problemi 218 Equilibri in soluzione acquosa; soluzioni tampone, titolazioni e ioni complessi Soluzioni tampone Titolazioni Acidi e basi di Lewis, e ioni complessi Problemi 253 Equilibri chimici in soluzione acquosa; solubilità dei composti ionici e dei gas in soluzioni acquose Solubilità dei sali e prodotto di solubilità Reazioni di precipitazione: soluzioni insature, sovrasature, e condizioni per la precipitazione Solubilità dei gas in soluzioni acquose Problemi 284 Capitolo 10 Elettrochimica Celle voltaiche Potenziali standard di elettrodo e direzione di una reazione redox Forza elettromotrice, energia libera di Gibbs e costante di equilibrio di una reazione redox La dipendenza della FEM dalle concentrazioni; l equazione di Nerst Elettrolisi e celle elettrolitiche Problemi 323 Capitolo 11 Strumenti e operazioni in laboratorio La vetreria e i piccoli strumenti di laboratorio 329

6 VI Sommario 11.2 Reagenti comuni del laboratorio di chimica inorganica Le operazioni elementari del laboratorio di chimica generale 345 Capitolo 12 Esperienze di laboratorio 361 Appendice A 12.1 Operazioni di separazione Sintesi e manipolazione di sostanze inorganiche Titolazioni acido base Titolazioni redox Titolazioni complessometriche Titolazioni per precipitazione Analisi spettrofotometriche 389 Grandezze fisiche, unità di misura, cifre significative e operazioni matematiche 393 A.1 Notazione scientifica 394 A.2 Le cifre significative nei calcoli scientifici 395 A.3 Equazioni algebriche e sistemi di equazioni 397 Appendice B Tabelle di dati 401

7 Prefazione La traduzione in termini quantitativi dei concetti fondamentali insegnati in un corso di Chimica Generale viene in larga parte condotta attraverso esercitazioni numeriche di stechiometria, e attraverso lo svolgimento di esperienze di laboratorio con le quali vengono applicati nella pratica i calcoli numerici illustrati allo studente durante le esercitazioni. Da qui il proposito di scrivere un libro nel quale siano integrate una prima parte dedicata alla risoluzione di problemi di stechiometria e una seconda parte dedicata alle esercitazioni di laboratorio, con il quale lo studente possa meglio comprendere l importanza dei calcoli stechiometrici nella pratica di laboratorio. Alla parte di stechiometria sono dedicati i primi dieci capitoli del libro. Ogni argomento è introdotto da un breve richiamo ai concetti teorici seguito da alcuni problemi il cui svolgimento è accompagnato da una dettagliata descrizione di tutti i passaggi matematici. Al termine di ciascun capitolo sono presentati alcuni problemi di diversa complessità e di cui è fornita la risposta. L ordine dei problemi segue in linea di massima la successione degli argomenti trattati nel capitolo, anche se questi non sono esplicitamente raggruppati in base all argomento. Molti esempi e problemi proposti riguardano tematiche di interesse ambientale e biologico, oltre che puramente chimico. Alla parte di laboratorio sono dedicati i Capitoli 11 e 12. Nel Capitolo 11 vengono descritte le più semplici operazioni di laboratorio e il reagentario normalmente a disposizione dello studente. Nel Capitolo 12 vengono proposte alcune esperienze di laboratorio corredate da un cappello introduttivo in cui vengono richiamati i concetti utili all esperienza. Chiaramente, questa parte non può essere considerata un manuale di laboratorio ma solo una guida introduttiva alle esercitazioni di laboratorio per un corso di Chimica Generale. Mi scuso fin d ora per gli inevitabili errori presenti nel testo e sarò grato per eventuali suggerimenti e commenti che possano contribuire a rendere questo testo più utile agli studenti per i quali è stato scritto. Maurizio Bruschi

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9 A Laura e Alessio

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