LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE E INORGANICA

Transcript

1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MILANO Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Triennale in Chimica CORSO DI: LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE E INORGANICA Docente: Dr. Alessandro Caselli Anno Accademico

2 CAPITOLO 2 Seconda parte Significato della reazione chimica; Rapporti ponderali nelle reazioni chimiche; Reagente limitante; Resa di una reazione. 1

3 Rapporti ponderali nelle reazioni chimiche Le trasformazioni della materia che recano da più elementi ad un composto, da un composto ai suoi elementi costitutivi o da più composti ad altri composti si chiamano trasformazioni chimiche. Gli elementi che subiscono la trasformazione si chiamano reagenti. Quelli che si formano per effetto della trasformazione si chiamano prodotti ed il processo di trasformazione prende il nome di reazione chimica. Una reazione chimica, può essere rappresentata qualitativamente e quantitativamente, dopo aver definito la mole, dalla corrispondente equazione chimica bilanciata. Tutte le reazioni chimiche ubbidiscono al principio fondamentale della conservazione della massa: la massa totale dei reagenti e dei prodotti non varia durante il corso della reazione. Pertanto, nelle equazioni chimiche il numero degli atomi di ogni elemento deve essere lo stesso in ambedue i membri dell'equazione. Ciò consente di impostare e risolvere qualsiasi calcolo riguardante i rapporti ponderali tra i reagenti e i prodotti di una reazione. Generalmente lo scopo è quello di calcolare: 1) Le quantità di reagenti necessarie per preparare una determinata quantità di prodotto, ammettendo che la reazione proceda per il 100%; 2) La quantità minima indispensabile di un reagente che si combina con una determinata quantità di un altro reagente; 3) Le quantità di prodotti ottenibili a partire da quantità determinate di reagenti (reagente limitante o in difetto) 4) La resa di una reazione qualora, per una qualsiasi ragione, non proceda a completezza. 2

4 Significato delle reazioni chimiche Calcoli stechiometrici Data una qualunque reazione chimica: 2H 2 + O 2 2H 2 O I coefficienti stechiometrici indicano i rapporti molari secondo cui i reagenti e i prodotti di reazione, rispettivamente, reagiscono e si formano: 2 mol + 1 mol 2 mol Poiché la massa molare di una sostanza si ricava dalle tabelle dei pesi atomici, dai rapporti molari di una reazione si può risalire alla massa dei reagenti necessaria per ottenere una certa massa di prodotti e viceversa: 4,04 g + 32,00 g 36,04 g 1 g + 8 g 9 g Per la definizione di mole tale reazione ci indica anche il rapporto ponderale con cui l idrogeno e l ossigeno reagiscono tra loro (da qui tali reazioni vengono dette stechiometriche). Quando i reagenti non sono presenti in quantità corrispondenti ai rapporti molari stechiometrici occorre sempre impostare i calcoli sul reagente limitante. Stechiometria di sostanze gassose Quando a una reazione partecipano sostanze gassose, l equazione stechiometrica indica anche, per la legge di Avogadro, i rapporti volumetrici con cui tali sostanze reagiscono o si formano. Si ricordi che 1 mole di qualsiasi sostanza gassosa occupa un volume di 22,4 L, in condizioni normali (c.n. = 1 atm, 0 C). 3

5 Equazioni e rapporti ponderali Supponiamo di dover stampare delle pagine di un libro avendo a disposizione un toner che può stampare 2000 copie e 4 risme di fogli (ogni risma contiene 500 fogli). Quante pagine potrò stampare? 1 toner + 4 risme 2000 pp. 500 pp? copie La risposta è ovviamente 2000 pagine. Concetto di agente limitante: Ma se avessi solo 3 risme di fogli (3 x 500) è evidente che potrei stampare solo 1500 pagine. Questo è il concetto di reagente limitante: anche se il mio toner potrebbe permettermi di stampare 2000 copie, io riuscirò a stamparne solo 1500 perché ho a disposizione solo 3 risme di fogli. Le risme di fogli sono il mio agente limitante. Concetto di resa: se 20 fogli su 2000 si inceppano e quindi sono da buttare, quante copie posso ottenere al massimo, avendo a disposizione 4 risme ed il toner da 2000 copie? La risposta è 1980 fogli sui 2000 che avrei potuto ottenere se tutto avesse funzionato bene. La resa è 1980/2000 x 100 = 99%. 4

6 Esercizio esemplificativo 1 bottiglia di vino da 1 L piena d acqua pesa 1200 g 1 bicchiere vuoto da 200 ml pesa 15 g Se si hanno 10 bottiglie ed il numero necessario di bicchieri, quanti bicchieri d acqua saranno riempiti? Quanto peseranno i bicchieri e quanto le bottiglie vuote? Peso di una bottiglia vuota = 1200 g 1000 g = 200 g Peso bicchiere pieno = 200 g + 15 g = 215 g Riempio 50 bicchieri di acqua (50 x 215 g = g) E rimangono 10 bottiglie vuote (10 x 200 g = 2000 g) 5

7 Il peso dei bicchieri pieni è calcolabile anche conoscendo il peso totale dell acqua (10 x 1000 g) e sommando il peso dei 50 bicchieri vuoti (50 x 15 g): (10 x 1000 g) + (50 x 15 g) = g Facciamo lo stesso esercizio partendo da una dozzina di bottiglie di acqua. 1 dozzina di bottiglie piene (di acqua) pesa g (12 x 1200 g) 1 dozzina di bicchieri vuoti pesa 180 g (12 x 15 g) 1 dozzina di bottiglie vuote pesa 2400 g (12 x 200 g) 1 dozzina di bicchieri pieni pesa 2580 g (12 x 215 g) Da una dozzina di bottiglie piene + 5 dozzine di bicchieri vuoti (5 x 180 g = 900 g) ottengo 5 dozzine di bicchieri pieni (5 x 2580 g = g) e una dozzina di bottiglie vuote. Posso anche usare la dozzina come unità di misura, per esempio: 15 bottiglie corrispondono a 1,25 dozzine 1,25 dozzine di bottiglie piene + 1,25 x 5 = 6,25 dozzine bicchieri vuoti ottengo 1,25 dozzine di bottiglie vuote + 6,25 dozzine di bicchieri pieni. 6,25 dozzine di bicchieri pieni pesano 2580 x 6,25 = g 1,25 dozzine di bottiglie vuote pesano 2400 x 1,25 = 3000 g N.B. il rapporto in peso tra i due prodotti (5 bicchieri pieni/ 1bottiglia vuota) è lo stesso in tutti e tre gli esempi fatti: 1075 g/200 g = 5,375; g/2000 g = 5,375; g/3000 g = 5,375; Quindi sapendo il peso di uno dei due ed il rapporto reciproco è possibile calcolare il peso dell altro. 6

8 Esercizio (Es 13 pag. 60 Clerici Morocchi) Si consideri la seguente reazione: MnO HCl MnCl 2 + Cl H 2 O Calcolare la quantità in grammi di ciascun reagente necessaria per preparare 50 g di cloro. (PA Mn = 54,94; PA Cl = 35,45; PA O = 16,00; PA H = 1,008) La reazione bilanciata assume un significato quantitativo: MnO HCl MnCl 2 + Cl H 2 O 1 mol + 4 mol 1 mol + 1 mol + 2 mol Per produrre 1 mol di Cl 2 occorrono 1 mol di MnO 2 e 4 mol di HCl. Si devono preparare 50 g di Cl 2, pari a: Occorreranno quindi: 7

9 Esercizio (Es 15 pag. 61 Clerici Morocchi) Per decomposizione termica il cloruro di potassio produce ossigeno: 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 Calcolare la quantità in grammi di KClO 3 necessaria per ottenere 70 g di O 2. (PA K = 39,10; PA Cl = 35,45; PA O = 16,00) 2 moli di KClO 3 producono 3 moli di O 2 : quindi 1 mole di O 2 è prodotta da 2/3 moli di KClO 3. Le moli di O 2 che si devono preparare sono: Occorreranno quindi: Esercizio (Es 17 pag. 63 Clerici Morocchi) Calcolare quanta anidride solforosa si ottiene bruciando con aria 100,0 kg di pirite (FeS 2 ) al 70%: 2 FeS / 2 O 2 4 SO 2 + Fe 2 O 3 (PA Fe = 55,8; PA S = 32,1; PA O = 16,00) 8

10 100,0 kg di FeS2 al 70% corrispondono a 70,0 g di pirite pura. Dall equazione si vede che 1 mol di FeS 2 produce 2 mol di SO 2, quindi: La quantità in grammi è data da: Reagente limitante o in difetto Esercizio (Es 21 pag. 66 Clerici Morocchi) Si consideri la seguente reazione: Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3 30 g di Na 2 O vengono fatti reagire con 30 g di CO 2. Calcolare la quantità di Na 2 CO 3 ottenuta. (PA Na = 23,0; PA C = 12,0; PA O = 16,0) Ossido di sodio e anidride carbonica reagiscono nel rapporto molare 1:1. Calcoliamo le moli di ciascun reagente nella reazione: Come si può facilmente osservare i reagenti non sono nel rapporto molare 1:1 9

11 richiesto dalla stechiometria della reazione. È necessario determinare il reagente limitante: a) 0,48 mol di Na 2 O necessitano di 0,48 mol di CO 2 ; b) 0,68 mol di CO 2 necessitano di 0,68 mol di Na 2 O. La condizione a) è verificata, contrariamente alla condizione b); pertanto il reagente limitante è Na 2 O (cioè è il reagente in difetto); CO 2 è il reagente in eccesso. I calcoli successivi devono essere impostati sul reagente limitante. Quindi: Possiamo quindi calcolare la quantità di Na 2 CO 3 che si è formata: Esercizio (Es 22 pag. 67 Clerici Morocchi) Calcolare la quantità di acqua che si ottiene facendo reagire 30 g di idrogeno con 100 g di ossigeno: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O (PA H = 1,01; PA O = 16,0) 10

12 Calcoliamo le moli di ciascun reagente in reazione: Secondo la reazione 2 mol di H 2 reagiscono con 1 mol di O 2 ; ciò vuol dire che 15 mol di H 2 dovrebbero reagire con 7,5 mol di O 2 ; è quindi evidente che questo è il reagente limitante. Quindi: Attenzione: se invece avessi avuto solo 10 g di H 2 : Secondo la reazione 1 mol di O 2 reagisce con 2 mol H 2 ; quindi 3,12 mol di O 2 dovrebbero reagire con 6,24 mol di H 2 ; in questo caso sarebbe dunque H 2 l agente limitante anche se 5,0 > 3,12!!! Infatti: 11

13 Resa di una reazione Esercizio (Es 25 pag. 69 Clerici Morocchi) L ammoniaca viene preparata industrialmente con la seguente reazione: N H 2 2 NH 3 Ad una certa temperatura e pressione, partendo da 1,0 mol di N 2 e 3,0 mol di H 2 si ottengono 25,0 g di NH 3. Calcolare la resa della reazione. (PA N = 14,0; PA H = 1,01) La miscela iniziale dei reagenti è in rapporto stechiometrico, perciò le mol di NH 3 che posso ottenere sono date da: Ma le moli di NH 3 ottenute sono date da: La resa in % è data da: Attenzione: è indifferente fare il calcolo della resa in moli o in grammi; infatti i questo caso potrei anche calcolare la massa di 2,0 mol di NH 3 (massa teorica) e poi dividerla per la massa ottenuta: 12

14 Esercizio (Es 6 pag. 101 Sacco Freni) Nella reazione di combustione dell ammoniaca ad acido nitrico calcolare la massima concentrazione in peso dell acido che si ottiene, supponendo una resa del 100%: NH O 2 HNO 3 + H 2 O Ad una certa temperatura e pressione, partendo da 1,0 mol di N 2 e 3,0 mol di H 2 si ottengono 25,0 g di NH 3. Calcolare la resa della reazione. (PM HNO3 = 63; PM H2O = 18) Se la resa è del 100%, per ogni mol di ammoniaca reagita ottengo 1 mol di acido nitrico. La stechiometria della reazione mi dice anche che per ogni mol di acido prodotta viene prodotta anche 1 mol di acqua. La percentuale in peso di acido, sarà data dalla frazione dei grammi di acido sulla somma delle masse di acido e acqua prodotti nella reazione, cioè: 13

15 Esercizio (Es 7 pag. 101 Sacco Freni) Una miscela di carbonato e ossido di magnesio perde, per riscaldamento, il 12% del suo peso iniziale. Sapendo che la reazione che si instaura è: MgCO 3 MgO + CO 2 calcolare la composizione % della miscela. (PA Mg = 24,3; PA C = 12,0; PA O = 16,0) L anidride carbonica che si forma viene persa dall ambiente di reazione ed è quindi questa la causa della diminuzione di peso. Se indichiamo con x e y rispettivamente le percentuali di carbonato e di ossido, si ha: Dopo il riscaldamento, tutto il carbonato si è trasformato in ossido. La diminuzione di peso (12%) sarà quindi dovuta alla percentuale di magnesio carbonato presente nella miscela iniziale moltiplicata per la massa molare della CO 2 diviso la massa molare del carbonato. Da cui: Cioè nella miscela iniziale era contenuto il 23% di MgCO 3. Il rimanente 77% della miscela era costituito dal MgO. 14