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1 UNITÀ DI MASSA ATOMICA Si definisce: Unità di massa atomica: ( u.m.a.) = 2 della massa del nuclide 2 6 C (preso come riferimento); esso corrisponde a, kg. Peso atomico : (PA) Il peso dell atomo espressa in unità di massa atomica; il calcio ha un peso atomico di 40,08; l atomo di calcio pesa 40,08 volte della massa del nuclide 2 6 C ovvero 2 6, kg. Peso molecolare: (PM) Il peso delle molecole in u.m.a.. Viene ottenuto sommando i pesi atomici degli elementi costituenti la molecola, moltiplicati per i rispettivi coefficienti; Peso formula: (PF) la definizione è analoga a quella del PM ma riguarda i composti che presentano una struttura non molecolare (composti ionici); Calcolare il peso molecolare di H 2 SO 4 utilizzando i valori della tavola periodica degli elementi. L acido solforico è composto da: - 2 atomi di H - atomo di S - 4 atomi di O Per cui il peso molecolare di H 2 SO 4 é: 2, , ,9994 = 98,07 98 u.m.a. Il P.A. di un elemento, riportato nella tavola periodica, è ricavato facendo una media pesata dei pesi atomici dei vari isotopi presenti in natura in funzione della loro percentuale di presenza sulla crosta terrestre. Calcolare il peso atomico dell idrogeno, sapendo che sono presenti in natura 3 isotopi nelle seguenti percentuali: H = 99,985% PA =, H = 0,05% PA = 2,04 3 H 0,000% PA = 3,060, , , 04 0, 05 PA H2 = =,0079 uma 00 LA MOLE La mole si definisce come la quantità di sostanza che contiene tante entità elementari quanti atomi sono contenuti in 2 g di isotopo di Carbonio 2. La mole indica quindi un numero di oggetti; questo numero è pari al Numero di Avogadro (N = x 0 23 ).

2 Iin conseguenza del modo in cui la mole è definita, la massa di una mole di un determinato composto è pari al suo peso molecolare espresso in grammi Ad esempio, mole di molecole di idrogeno (H 2 ) pesa ca 2.06 g; 9 g di acqua (H 2 O, p.m. 8) corrispondono a mezza mole di acqua. Una formula utile è la seguente: moli = m (g)/m(g/mol) in cui m = massa in grammi della sostanza e M = massa molare (g/mole) Il numero di Avogadro (N A ) indica il numero di particelle (atomi, molecole, protoni, elettroni, fotoni ecc.) contenute in una mole di sostanza. Numero di Avogadro: (N A ) è il numero di atomi contenuto in 2 g di 2 6 C ; esso è pari a 6, grammi Massa Molare: (MM) la massa espressa in numericamente uguale al PA, PM, PF; essa mole esprime la massa in (g) di una mole di particelle e di conseguenza di un N A di particelle. Essa non va confusa con il peso molecolare ( anche se numericamente sono uguali) che si esprime in u.m.a. e non in g/mole. La massa molare di un elemento è la massa in grammi di un N A di atomi di quell elemento ed è numericamente uguale al Peso atomico dell elemento; La massa molare di una molecola è la massa in grammi di un N A di molecole; numericamente è uguale al Peso molecolare di quella molecola; La massa molare di un composto ionico è la massa in grammi di un N A di unità fondamentali del composto stesso; numericamente è uguale al Peso formula; Il n di moli di una data sostanza si ottiene dividendo il peso espresso in grammi di questa sostanza per la sua massa molare. p. sost n moli = Psost = n moli MM MM Nella seguente reazione, ad esempio CH O 2 CO H 2 O una mole di metano reagisce con 2 moli di ossigeno molecolare per formare una mole di biossido di carbonio e due moli di acqua. In termini di particelle è equivalente a: un numero di Avogadro di molecole di metano reagiscono con 2 Numeri di Avogadro di molecole di ossigeno per formare un Numero di Avogadro di molecole di biossido di carbonio e due Numeri di Avogadro di molecole di acqua. 2

3 In termini di pesi riferiti ad una mole: 6 g di metano reagiscono con 2 x 32 g di ossigeno per formare 44 g di biossido di carbonio e 2 x 8 g di acqua. ( si noti che la massa dei prodotti è uguale alla massa dei reagenti). Calcolare il numero di moli contenute in 50 g di H2SO4. 50( g) n moli = = 0,5 (moli) di H 2 SO 4 98( g / mole) Quante molecole di H2SO4 sono contenuti in 0,5 moli di tale acido? n atomi = n moli n Avogadro = 0,5 6, = 3, molecole di H 2 SO 4 Calcolare il peso di, molecole di HCl Innanzitutto calcoliamo il n di moli: n moli = 23 n molecole, = 6, N A sapendo che: Psost = n moli MM ottengo: Psost = 0,67(moli) 36,4(g/mole) = 6, g 23 = 0,67 moli di HCl RAPPORTI PERCENTUALI La percentuale in peso di un elemento in un composto viene calcolata tramite il rapporto tra i pesi atomici dei singoli elementi e il peso molecolare nel composto stesso, dato dalla somma dei pesi atomici degli elementi che lo compongono. i PA i % i = 00 n i PA i= i dove: i = numero di atomi della specie iesima contenuti nel composto n = numero totale di atomi. Calcolare la percentuale di Ca, S, O nel solfato di calcio ( CaSO4) la MM del sale é = 36(g/mole) la MM di Ca = 40(g/atomo) la MM di S = 32 (g/atomo) la MM di O = 6 (g/atomo) % Ca = 40( g / mole) 36( g / mole) 00 = 29,4 % 3

4 % % S O = 32( g / mole) 36( g / mole) 00 = 23,6 % = 4 6( g / mole) 36( g / mole) 00 = 47% CALCOLO FORMULA MINIMA E FORMULA MOLECOLARE Formule chimiche Una formula chimica rappresenta in modo conciso la composizione qualitativa e quantitativa di un composto; ci sono tre tipi di formule: La formula minima o bruta indica da quali elementi è costituito un composto e in quale rapporto numerico minimo intero gli atomi di ciascuna specie sono contenuti in esso. La formula minima si ottiene dall analisi chimica elementare del composto. La formula minima è l unica possibile per i composti ionici. La formula molecolare indica il numero esatto di atomi di ciascuna specie presenti nella molecola di un composto. La formula molecolare si ottiene dalla formula minima, conoscendo il peso molecolare del composto. La formula molecolare può coincidere con la formula minima oppure può essere un suo multiplo intero. Composti diversi possono avere la stessa formula molecolare (isomeri). La formula di struttura indica esattamente come gli atomi che costituiscono il composto sono fra loro legati e disposti nello spazio (angoli e distanze di legame). Le formule chimiche possono essere scritte in diversi modi, secondo le informazioni che portano, come segue: Formula: informazione portata Esempio per l'acido lattico EMPIRICA, BRUTA Fornisce indicazione solo sui CH 2 O rapporti stechiometrici MOLECOLARE Fornisce indicazione del numero e C 3 H 6 O 3 del tipo di atomi presenti in una molecola. DI STRUTTURA Fornisce indicazione sulla CH 3 CHOH COOH disposizione strutturale degli atomi [a gruppi funzionali] DI STRUTTURA Fornisce indicazione della proiezione [sul piano] di atomi e legami 4

5 STEREOCHIMICA struttura stereochimica Fornisce indicazione della disposizione della molecola nello spazio In laboratorio si sta analizzando un composto con formula incognita. Dalle analisi si è trovato che presenta la seguente composizione percentuale: Ca = 29,4% S = 23,6% O = 47% Individuare la formula chimica di tale composto. Consideriamo 00 g di composto; in esso saranno contenuti 29,4g di Ca, 23,6g di S e 47 g di O calcoliamo il n di moli presenti per ognuno di essi: 29, 4( g) n moli Ca = = 0,735 (moli) 40( g / mole) n moli S = 23, 6( g) = 0,78 (moli) 32( g / mole ) 47( g) n moli O = = 2,93 (moli) 6( g / mole ) Dividiamo ora i valori trovati per il più basso, ottenendo così i rapporti approssimativi fra i vari elementi: Ca = 0, 735 ( moli) 0, 78( moli) S = 0, 78 ( moli) = 0, 78( moli) O = 2, 937 ( moli) 0, 78( moli) 4 il composto sarà quindi: CaSO 4 Individuare la formula minima di una sostanza formata dal 26,3% di K, dal 35,79% di Cr e dal 37,87% di O. Consideriamo 00 g di composto; in esso saranno contenuti 26,3g di K, 35,79g di Cr e 37,87 g di O Calcoliamo il n di moli presenti per ognuno di essi: 26,3( g) n moli K = = 0,6729 (moli) 39,( g / mole) 5

6 n moli Cr = 35,79( g) = 0,6883 (moli) 5,99( g / mole) n moli O = 37,87( g) 6( g / mole) = 2,367 (moli) Dividiamo ora i valori trovati per il più basso, ottenendo così i rapporti approssimativi fra i vari elementi: K = Cr = O = 0,6729( moli) 0,6729( moli) 0,6883( moli) 0,6729( moli) 2,367( moli) 0,6729( moli) = 3,5 Il composto dovrebbe essere quindi: KCrO 3,5, tuttavia per definizione nella formula minima gli atomi devono comparire in rapporto numerico minimo intero, per cui moltiplichiamo per due la formula: K 2 Cr 2 O 7 = dicromato di potassio Individuare la formula minima e la formula molecolare di una sostanza avente MM=80(g/mole) e formata dal 40% di C, dal 7% di H e dal 53% di O. Essendo formata da C, H, O, la sostanza avrà formula minima CxHyOz Considerando sempre 00 g di sostanza si avrà: 40( g) n moli C = = 3,33 (moli) 2( g / mole) n moli H = n moli O = 7( g) ( g / mole) 53( g) 6( g / mole) = 7 (moli) = 3,3 (moli) dividiamo ora i valori trovati per il più basso, ottenendo così i rapporti fra i vari elementi: C = 3, 33 ( moli) = x 3, 3( moli) H = 7( moli) 2 = y 3, 3( moli) O = 3, 3 ( moli) 3, 3( moli) = = z La formula minima sarà quindi: CH 2 O 30 MM = (g/mole) 6

7 Conoscendo la massa molare è possibile trovare la formula molecolare della sostanza trovando il coefficiente con cui la formula minima deve essere moltiplicata: Coeff. = MM MM NOTA FORMULA.MINIMA Coeff = 80 ( g / mole) = 6 30( g / mole) La formula molecolare è quindi: C6H2O6 (glucosio) STECHIOMETRIA Quando si devono eseguire dei calcoli che interessano quantità chimiche è necessario far riferimento al concetto di mole. Data la seguente reazione: SO3 + H2O H2SO4 Calcolare quanti grammi di acqua sono necessari per produrre 30 g di acido solforico. Dalla reazione si nota che mole di SO3 reagisce con mole di H 2 O per formare mole di H2SO4, per cui: 30( g) moli di H 2 O = moli di H 2 SO 4, = = 0,3 moli 98( g / mole) grammi di acqua = Moli MM H O 2 = 0,3(moli) 8(g/mole) = 5,5(g) Data la seguente reazione: 4Na + O2 2Na2O Calcolare quanti grammi di sodio metallico sono necessari per produrre 00 g di ossido di sodio. Dalla reazione si nota che 4 moli di Na reagiscono con una mole di O 2 per formare 2 moli di Na2O. 00( g) moli di Na 2 O = =,6 moli 62( g / mole ) Le moli di Na sono il doppio di quelle di Na 2 O, per cui moli di Na = 2,6 = 3,2 moli grammi Na = 3,2(moli) 23(g/mole) = 73,6 grammi E possibile risolvere l esercizio anche impostando la seguente proporzione: ( Coef ) Na O 2 : Moli = ( Coef ) Na : Moli 2 :,6 moli di Na 2 O = 4 : x cioè:,6( g) 4 x = 2 = 3,2 moli di Na 7

8 da cui: grammi Na = 3,2(moli) 23(g/mole) = 73,6 grammi È possibile risolvere l esercizio direttamente moltiplicando tutti i termini della proporzione per la rispettiva massa molare ESERCIZI Calcolare la massa molare Na 2 SO 4 R = [ 42 (g/mole) ] Calcolare la massa molare del fosfato di calcio R = [ 30 (g/mole) ] Un anello d oro pesa 4 g. 22 Calcolare il n di atomi di cui è formato. R = [,22 0 ] Calcolare il peso di 0 moli di acqua. R = [ 80 (g) ] Calcolare il n di moli contenute in 6 g di O 2 R = [ 0,5 (moli) ] Calcolare quante molecole sono contenute in litro di acqua liquida. Si assume la densità di (g/ml). R = [ 3, molecole] Un campione di idrogeno gassoso presenta una densità di,0 0 5 (g/l). Calcolare il numero delle particelle presenti in un centimetro cubo. R = [ 2, molecole] Determinare la percentuale di potassio nel K 2 CO 3 Determinare la percentuale di H, S, O presenti nell acido solforico. R = [ 56,58%] R = [ H=2,03%, S=32,65%, O=65,2% ] Calcolare la percentuale di fosforo, ossigeno e sodio nel fosfato di sodio. Calcolare la percentuale di azoto, ossigeno e calcio nel nitrito di calcio. R = [ N=2,2%, O=48,4%, Ca = 30,3% ] Calcolare la percentuale di azoto, ossigeno e idrogeno nel nitrato di ammonio R = [ N = 35% H = 5% O = 60% ] Un composto presenta la seguente composizione chimica: Ca = 29,4% S = 23,6% O = 47% Calcolare la formula di tale sostanza. 8

9 Le analisi eseguite su di un composto chimico hanno fornito i seguenti risultati: C = 26,7% H = 2,2 % O = 7, % Sapendo che la sua massa molare è 90 (g/mole), calcolare la formula molecolare del composto Un minerale contiene l 80% Fe 2 O 3. Quanti grammi di Fe si possono ottenere da 000 kg di minerale? R = [ 2 Fe : Fe 2O 3 = 0,8(g) : 59(g) 555,4 kg di Fe] Un composto è formato dal 74,9% di sodio e dal 25,8% di ossigeno. Di che composto si tratta? R = [ Na 2O ] Determinare la formula minima e la formula molecolare di una sostanza avente MM = 78 (g/mole) e formata dal 92% di C e dall 8% da H. R = [ form. min. CH, form. molec. C 6H 6] Il processo di produzione dello zinco inizia con la reazione : ZnS + O 2 ZnO + SO 2 Bilanciare la reazione Facendo reagire 500 kg di ZnS, calcolare : a) quanti kg di ZnO si ottengono R = [ 47 Kg ] Un campione di 25 grammi di MgCO 3, viene arrostito in fornace fino a reazione completa: MgCO 3(s) MgO (s) + CO 2(g) Calcolare quanti moli di anidride carbonica prodotta, ed il peso in grammi del residuo solido. R = [,95 g di MgO, 0,297 (g) di CO 2 ] Calcolare quanto ferro metallico è possibile ottenere da 0 kg di ossido di ferro secondo la seguente reazione (da bilanciare): Fe 2 O 3 + C Fe + CO 2 R = [ 2Fe 2O 3 + 3C 4Fe + 3CO 2-6,99 Kg di Fe ] L arrostimento della blenda in presenza di O 2 produce SO 2 (bilanciare): ZnS + O 2 ZnO + SO 2 Calcolare i grammi di SO 2 prodotta dall arrostimento di kg di blenda. L Ossido di calcio è chiamato anche calce viva: Consideriamo la seguente reazione: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 - Bilanciare la reazione - Calcolare quanti kg di acqua sono necessari per far reagire 50 kg di calce. R = [ 657 g di SO 2 ] R = [ La reazione è già bilanciata, servono 6 kg di acqua ] Consideriamo la seguente reazione: H 2 SO 4 + NaOH - Completare e bilanciare la reazione; - Calcolare quanto idrossido di sodio (kg) è necessario per produrre 0 kg di solfato di sodio. R = [ 5,6 kg di NaOH ] Mediamente la benzina ha la seguente formula: C 8 H 8 Consideriamo la seguente reazione di combustione completa: 9

10 C 8 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O - Completare e bilanciare la reazione; - Calcolare quanta anidride carbonica e quanta acqua si è formata una volta terminata la reazione di kg di benzina. R = [ 3,08 kg di CO 2,,42 kg di H 2 O] Un campione di 25 mg di carbonato di magnesio, viene arrostito in fornace fino a reazione completa: MgCO 3(S) MgO (S) + CO 2(g) Calcolare le moli di anidride carbonica prodotte e il peso in grammi del residuo solido. Consideriamo la seguente reazione di salificazione completa: Ca(OH) 2 + HNO 3 Completare e bilanciare la reazione; Se volessimo produrre kg di nitrato di calcio, quanti grammi di idrossido di calcio occorrono? Nell edilizia l ossido di calcio (calce viva) viene utilizzato per produrre la calce ( calce spenta) per gli intonaci. Scrivere la reazione tra l ossido di calcio e l acqua; calcolare quanti litri di acqua sono necessari per impastare kg di idrossido di calcio, sapendo che la d dell acqua è kg/l. 00 grammi di ossido ferrico puro al 75% reagendo con carbone e ossigeno producono ferro metallico e CO 2. ) Quanti grammi di ferro potrà essere ricavato dalla reazione? 2) Quanti grammi di carbone sono necessari? La reazione che avviene nell altoforno è la seguente ( da bilanciare): Fe 2 O 3 + C + O 2 Fe + CO 2 Il rame attualmente si ottiene per combustione del solfuro di rame con produzione di SO 2. Quanto rame si ottiene a partire da 2 kg di minerale contenente 84% solfuro di rame? Cu 2 S +O 2 2 Cu + SO 2 0

11 ) Quante moli e quante molecole sono contenute in un litro di acqua alla T = 4 C? Sapendo che a quella temperatura la densità dell acqua è kg/ litro R = [ 55,6 moli - 3, molecole di acqua ] 2) Si vuole sintetizzare il sale da cucina partendo dall acido cloridrico e dall idrossido di sodio ( entrambe sostanze corrosive). Calcolare i grammi di entrambi i reagenti necessari per formare kg di cloruro di sodio. Quante molecole d acqua si formano? R = [ 60 g di HCl 688 g di NaOH 9, molecole d acqua] 3) Facendo reagire l idrossido di calcio con l acido nitrico che composto si ottiene? Quanti grammi di tale composto si formano facendo reagire 00 g di acido nitrico? R = [ 29,56 g di Ca(NO 3 ) 2 ] 4) Scrivere e bilanciare la reazione di formazione del fosfato di calcio ottenuto facendo reagire l idrossido di calcio con l acido fosforico. Calcolare quanti grammi di acido fosforico sono necessari per far reagire completamente 200 g di idrossido di calcio. Quante molecole d acqua si ottengono? R = [76,4 g di H 3 PO 4 ] 5) Calcolare la percentuale di Mg, H, P e O nel di idrogeno fosfato di magnesio R = [,% Mg,;,83% H,; 28,4% P;, 58,6 O] 6) Dall analisi chimica di un sale è emersa la seguente composizione: - % Ca = 29,4 % - % S = 23,6 % - % O = 47% Che sale è? R = [CaSO 4 ] 7) Azoto, fosforo e potassio sono i tre elementi nutritivi più importanti per le piante. Per questo motivo i concimi vengono venduti in base alla percentuale (titolo) di N, P, K che deve essere fornito al terreno per far crescere la pianta. A parità di costo verificare se è maggiore il contenuto di azoto nel cloruro di ammonio o nel solfato di ammonio. R = [ 26% di N in NH 4 Cl, 2% di N in (NH 4 ) 2 SO 4 ] 8) Si consideri la reazione di combustione completa del propano con ossigeno. La reazione è la seguente: C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O - Bilanciare la reazione - Quante moli di ossigeno molecolare sono necessarie per far reagire 00 g di propano? R = [,36 moli di O 2 ; 363,52 g di O 2 ] 9) Consideriamo la reazione di combustione completa dell etano in presenza di ossigeno. - Scrivere e bilanciare la reazione di combustione in presenza di ossigeno; 0) Una centrale elettrica in grado di produrre una potenza elettrica di GW ( Giga Watt = 0 6 kw) funziona a metano. - Calcolare l energia ( in kwh) prodotta in un ora di funzionamento.

12 - Sapendo che la centrale funziona a metano e il rendimento di conversione in energia elettrica è del 40% e che ogni mole di metano combusta produce 20 Kcal, Calcolare i grammi di CO 2 che si sviluppano. - Calcolare i grammi di CO 2 emessi per produrre un kwh. (kwh = 3,6 0 6 J) ( cal = 4,8 J) R = [ 45 tonn di CO 2 ogni ora di funzionamento] ) Supponiamo ora che la centrale elettrica precedente (in grado di produrre una potenza elettrica di GW) funzioni a olio combustibile. Sapendo che ogni kg di olio combustibile che brucia produce kj, Calcolare il quantitativo di olio combustibile necessario ogni ora; Scrivere le reazioni di combustione; Sapendo ( dalle analisi chimiche) che l olio combustibile utilizzato è formato dall 87% in peso da Carbonio e dallo 0,0% in peso da Zolfo (il resto da minerali non combustibili e da idrogeno) Calcolare il peso di biossido di zolfo e biossido di carbonio che si libera in atmosfera in un ora. (kwh = 3,6 0 6 J) 2

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