Giancarlo Gioia Lobbia Esercizi svolti di Stechiometria. Manuale per gli studenti di Chimica generale e inorganica

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3 Giancarlo Gioia Lobbia Esercizi svolti di Stechiometria Manuale per gli studenti di Chimica generale e inorganica

4 Copyright MMXIII ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. II edizione: luglio 2013

5 Dedicato ai nipoti Alessandro, Eva, Tommaso, Agnese, Sara, ed Elisa

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7 Indice La nomenclatura chimica dei composti inorganici Significato quantitativo delle formule chimiche Formule minime e molecolari Le equazioni chimiche Reazioni e rapporti quantitativi Lo stato gassoso Il volume dei gas nelle reazioni Gli equivalenti Il contenuto delle soluzioni Proprietà colligative

8 8 Indice Equilibrio chimico Il prodotto ionico e il ph Idrolisi Soluzioni tampone Titolazioni acido-base Prodotto di solubilità Elettrochimica Esercizi di riepilogo

9 PREFAZIONE stechiometria 9

10 10 Prefazione 10 L Autore

11 Capitolo I La Nomenclatura Chimica dei Composti Inorganici Lo scopo di questo capitolo è quello di guidare gli utenti nella costruzione del nome o della formula dei composti inorganici e di verificare che il nome o la formula obbedisca pienamente ai principi accettati. L enorme sviluppo della chimica ha creato milioni di composti e il principale scopo di una nomenclatura è quello di identificare ogni specie con un nome che sia utile nelle comunicazioni tra chimici e che quindi contenga una relazione esplicita o implicita con la struttura del composto. È necessario attribuire alle molecole un nome non arbitrario, ma fondato su un sistema logico che esprima, per quanto possibile, i loro gradi di parentela e le loro principali proprietà. È quello che hanno cercato di fare i chimici, classificando le molecole secondo la loro composizione e le loro proprietà, cercando di racchiudere per quanto è possibile, in una o poche parole, la natura della specie considerata. La grande varietà di molecole conosciute e le centinaia o migliaia di nuove molecole che ogni giorno vengono scoperte o sintetizzate rendono questo lavoro di classificazione sempre più complesso e difficile. La IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) è l organizzazione internazionale, la cui missione è il progresso della chimica e la cui autorità è riconosciuta per lo sviluppo degli standard riguardanti la nomenclatura chimica degli elementi e dei composti. In particolare la divisione della IUPAC denominate Division of Chemical Nomenclature and Structure Representation (costituita nel 2001) studia tutti gli aspetti della nomenclatura delle sostanze chimiche raccomandando le pratiche migliori per soddisfare gli specifici problemi che sorgono nello sviluppo della chimica. La nomenclatura chimica può essere considerata come una lingua e come tale essa è composta di parole e deve obbedire alle regole della sintassi. Tuttavia, la ricchezza 11

12 12 Esercizi svolti di Stechiometria straordinaria del mondo molecolare appare difficilmente contenibile in un qualsiasi tipo di organizzazione linguistica. Per questo motivo e, in particolare, per le molecole più complesse, si è affermata la tendenza ad abbandonare la razionale nomenclatura ufficiale, per usare nomi di fantasia mutuati da quelli di oggetti che si incontrano nella vita di tutti i giorni. Tanto è vero che oggi, anche negli articoli delle riviste scientifiche più qualificate, si parla di molecole a pinza, farfalla, ponte, scatola, collare, gondola, filo, catena, ecc., identificando il nome della molecola con la sua forma. Limitatamente alla chimica inorganica, il problema della nomenclatura chimica può essere visto in modo generale come costituito da due problemi, l uno complementare all'altro: 1) data la formula chimica di un composto, definirlo con un nome scientifico, cioè con una sequenza di parole con suffissi e/o numeri che seguono delle regole ben precise; 2) noto il nome di un composto, scriverne la formula chimica. Entrambi i problemi necessitano, per essere risolti, di una serie di regole univoche. Certamente non si tratta di una questione recente, da sempre c è stata la necessità di nominare le sostanze utilizzate nei vari procedimenti; da qui nomi come candeggina (NaClO), acido muriatico (HCl), ammoniaca (NH 3 ), vetriolo (H 2 SO 4 ), vetriolo azzurro o ramato (CuSO 4 ), minio (PbO 2 ), bianco di titanio (TiO 2 ), giallo cromo (PbCrO 4 ), blu di Prussia (Fe 3 [Fe(CN) 6 )] 4 ), allumina (Al 2 O 3 ), silice (SiO 2 ), ecc. Con la nascita della chimica come scienza, l'introduzione dei simboli chimici portò via via all'uso delle formule nelle scritture delle reazioni e, di conseguenza, a una efficace scrittura sintetica e universale delle sostanze ovvero indipendente dalla lingua utilizzata dal singolo chimico per esprimersi. Così, in tutto il mondo H 2 O indica il composto "acqua", indipendentemente dal fatto che nella lingua del chimico che legge la formula essa si dica acqua, wasser, water, eau, ecc. Più complessa è invece la questione di indicare una sostanza con un opportuno nome scientifico oltre alla formula chimica. In questo caso, dovendo dare precise indicazioni sul tipo, numero e organizzazione degli atomi costituenti il composto, il diverso nome degli elementi nelle varie lingue nazionali porta a nomi scientifici intrinsecamente diversi, pur adottando le stesse regole di base.

13 La nomenclatura chimica dei composti inorganici 13 Nel corso degli anni sono state introdotte diverse regole di nomenclatura. Le prime regole si devono a Lavoisier che ideò una nomenclatura chimica (Méthode de nomenclature chimique, 1787) le cui basi sopravvivono ancora oggi; ad esempio, i suffissi -ico, -oso, -ato, - ito e -uro, furono introdotti dal chimico francese. Ciò ha portato a diverse nomenclature, ciascuna miglioramento di quella precedente, con un non facile abbandono delle regole passate a favore di quelle nuove. Da un punto di visto di sviluppo storico della chimica, esistono per i composti inorganici tre principali metodi di nomenclatura: Nomenclatura tradizionale: trae origine dalla distinzione degli elementi in metalli e in non metalli; adotta esclusivamente suffissi (-idrico, -oso, -ico, ecc.) per indicare le variazioni di valenza; Nomenclatura Stock: mette in evidenza le valenze degli elementi senza evidenziarne il numero di atomi; adotta pochi suffissi sempre integrati con i numeri di ossidazione scritti in cifre romane (I, II, III, IV, ecc.) per indicare le variazioni di valenza; Nomenclatura I.U.P.A.C.: è quella più razionale e mette in evidenza il numero di atomi; adotta esclusivamente suffissi numerici latini e greci per contare tutti gli atomi presenti nel composto sulla base di una notevole semplificazione delle famiglie di composti. La IUPAC prende a sua volta in considerazione tre principali sistemi di nomenclatura nella chimica inorganica: a) sistema compositivo: definisce una serie di raccomandazioni utili per la costruzione dei nomi dei composti basandosi solo sulla composizione stechiometrica delle sostanze; i nomi dei componenti (parte elettropositiva e quella elettronegativa), che possono essere elementi o entità composite come gli ioni poliatomici, sono elencati insieme a prefissi moltiplicativi definiti dalla stechiometria del composto. b) Sistema sostitutivo: è usato estensivamente per i composti organici ed è basato sul presupposto che la specie in oggetto sia formalmente derivabile dal corrispondente idruro per sostituzione degli atomi di idrogeno con specifici atomi o gruppi atomici. Ad esempio la specie PCl 3 viene chiamata triclorofosfane. c) Sistema additivo: deriva il nome di un composto considerandolo come costituito dalla combinazione di un atomo centrale con un determinato numero di ligandi. Tale sistema è

14 14 Esercizi svolti di Stechiometria usato in modo specifico per i composti di coordinazione ma trova applicazione anche per altre specie come ad esempio gli acidi inorganici e i composti organometallici. I tre sistemi di nomenclatura possono generare diversi ma non ambigui nomi per una stessa sostanza. La scelta del sistema di nomenclatura dipende quindi dalla classe a cui appartiene la specie chimica in esame e dal grado di dettaglio che si desidera comunicare. Nomi e simboli degli elementi Tabella con i primi 100 elementi chimici Z Simbolo Elemento Z Simbolo Elemento 1 H Idrogeno 57 La Lantanio 2 He Elio 58 Ce Cerio 3 Li Litio 59 Pr Praseodimio 4 Be Berillio 60 Nd Neodimio 5 B Boro 61 Pm Promezio 6 C Carbonio 62 Sm Samario 7 N Azoto 63 Eu Europio 8 O Ossigeno 64 Gd Gadolinio 9 F Fluoro 65 Tb Terbio 10 Ne Neon 66 Dy Disprosio 11 Na Sodio 67 Ho Olmio 12 Mg Magnesio 68 Er Erbio 13 Al Alluminio 69 Tm Tullio 14 Si Silicio 70 Yb Itterbio 15 P Fosforo 71 Lu Lutezio 16 S Zolfo 72 Hf Afnio 17 Cl Cloro 73 Ta Tantalio 18 Ar Argon 74 W Tungsteno (Wolframio) 19 K Potassio 75 Re Renio

15 La nomenclatura chimica dei composti inorganici Ca Calcio 76 Os Osmio 21 Sc Scandio 77 Ir Iridio 22 Ti Titanio 78 Pt Platino 23 V Vanadio 79 Au Oro 24 Cr Cromo 80 Hg Mercurio 25 Mn Manganese 81 Tl Tallio 26 Fe Ferro 82 Pb Piombo 27 Co Cobalto 83 Bi Bismuto 28 Ni Nichel 84 Po Polonio 29 Cu Rame 85 At Astato 30 Zn Zinco 86 Rn Radon 31 Ga Gallio 87 Fr Francio 32 Ge Germanio 88 Ra Radio 33 As Arsenico 89 Ac Attinio 34 Se Selenio 90 Th Torio 35 Br Bromo 91 Pa Protoattinio 36 Kr Kripton 92 U Uranio 37 Rb Rubidio 93 Np Nettunio 38 Sr Stronzio 94 Pu Plutonio 39 Y Ittrio 95 Am Americio 40 Zr Zirconio 96 Cm Curio 41 Nb Niobio 97 Bk Berkelio 42 Mo Molibdeno 98 Cf Californio 43 Tc Tecnezio 99 Es Einstenio 44 Ru Rutenio 100 Fm Fermio 45 Rh Rodio 101 Md Mendelevio 46 Pd Palladio 102 No Nobelio 47 Ag Argento 103 Lr Laurenzio 48 Cd Cadmio 104 Rf Rutherfordio 49 In Indio 105 Db Dubnio 50 Sn Stagno 106 Sg Seaborgio

16 16 Esercizi svolti di Stechiometria 51 Sb Antimonio 107 Bh Bohrio 52 Te Tellurio 108 Hs Hassio 53 I Iodio 109 Mt Meitnerio 54 Xe Xeno 110 Ds Darmstadtio 55 Cs Cesio 111 Rg Roentgenio 56 Ba Bario 112 Cn Copernicio Per gli elementi con numero atomico maggiore di 112, la IUPAC ha approvato un sistema di nomenclatura temporaneo (fino all approvazione di un nome e simbolo definitivo) basato su un insieme di lettere che deriva direttamente dal numero atomico dell'elemento utilizzando le seguenti radici numeriche: 0 = nil 3 = tri 6 = hex 9 = enn 1 = un 4 = quad 7 = sept 2 = bi 5 = pent 8 = oct Le radici sono sistemate in successione seguendo il numero atomico e terminando con il suffisso "ium". Il simbolo è formato dalle lettere iniziali delle radici numeriche che compongono il nome Nome temporaneo degli elementi Z Simbolo Nome 113 Uut ununtrium 114 Uuq ununquadium 115 Uup ununpentium 116 Uuh ununhexium 117 Uus ununseptium 118 Uuo ununoctium 119 Uue ununennium 120 Ubn unbinilium