Reazioni chimiche e stechiometria

Reazioni chimiche e stechiometria REAZIONI CHIMICHE Trasformazione di una o più sostanze (reagenti) in una o più sostanze (prodotti) EQUAZIONE CHIMICA Una equazione chimica è la rappresentazione simbolica di una reazione chimica in termini di formule chimiche 2 Na + Cl 2 2 NaCl Reagente Prodotto Coefficiente stechiometrico In molti casi è utile indicare sli stati o le fasi delle sostanze ponendo appropriati simboli fra parentesi indicanti le fasi dopo le formule (g) = gas (l) = liquido (s) = solido (aq) = soluzione acquosa L'equazione precedente diventa così: 2Na(s) + Cl 2 (g) 2 NaCl(s)

Generica equazione chimica: a A + b B l L + m M Informazioni ricavabili dall equazione: Le sostanze A e B sono i reagenti Le sostanze L e M sono i prodotti Il simbolo indica che i reagenti si trasformano completamente nei prodotti. Se la reazione è incompleta si usa il simbolo I numeri a, b, l, m che precedono le formule sono i coefficienti stechiometrici e indicano il numero di ogni specie reagente e di ogni specie prodotta (atomi, molecole, ioni, ecc.) Numero di molecole (atomi, ioni, ecc.) Numero di moli a moli di A reagiscono con b moli di B per formare l moli di L e m moli di M Le reazioni chimiche possono essere divise in due classi: a) reazioni che avvengono senza trasferimento di elettroni (reazioni di scambio, reazioni di neutralizzazione, reazioni di dissociazione) Ba 2+ (aq) + 2 Cl (aq) + 2 Ag + (aq) + 2 NO 3 (aq) 2 AgCl (s) + Ba 2+ (aq) + 2 NO 3 (aq) Considerando che il solido AgCl è un solido ionico, formato da ioni Ag + e Cl, si può osservare che durante la reazione nessuno degli ioni cambia la propria struttura elettronica. b) reazioni che avvengono con trasferimento di elettroni (reazioni di ossido-riduzione o redox) Cu 2+ (aq) + SO 4 2 (aq) + Zn (s) Cu (s) + Zn 2+ (aq) + SO 4 2 (aq) Si può osservare che alcune specie cambiano la propria struttura elettronica: l atomo di Zn da neutro si trasforma in ione Zn 2+ ; lo ione Cu 2+ si trasforma in atomo neutro Cu. Tali trasformazioni comportano necessariamente uno scambio di elettroni: Zn Zn 2+ + 2 e Cu 2+ + 2 e Cu

BILANCIAMENTO DI REAZIONI CHIMICHE Quando in una equazione chimica i coefficienti stechiometrici sono scritti correttamente l'equazione chimica è allora bilanciata, seguendo così il: -principio di conservazione della massa: il numero totale degli atomi di tutti gli elementi presenti nei prodotti di reazione deve essere uguale al numero totale degli atomi di tutti gli elementi presenti nei reagenti, -principio di conservazione della carica: la somma algebrica delle cariche degli ioni dei prodotti deve essere uguale a quella dei reagenti. 2 NO + O 2 2 NO 2 2 atomi N 2 atomi N 4 atomi O 4 atomi O OK! Un equazione chimica va bilanciata scegliendo opportunamente i coefficienti stechiometrici C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O non bilanciata Procedimento per tentativi atomi di C atomi di H atomi di O 1 C 3 H 8 + O 2 3 CO 2 + H 2 O 1 C 3 H 8 + O 2 3 CO 2 + 4 H 2 O 1 C 3 H 8 + 5 O 2 3 CO 2 + 4 H 2 O C 3 H 8 + 5 O 2 3 CO 2 + 4 H 2 O bilanciata

I coefficienti possono essere moltiplicati per una costante qualsiasi, ma in genere sono scelti in modo da essere i più piccoli numeri interi 4 Na + 2 Cl 2 4 NaCl si divide per due N.B.: - bilanciare prima gli atomi contenuti in una sola sostanza ai reagenti e ai prodotti - quando uno dei reagenti o dei prodotti esiste come elemento libero, bilanciare questo elemento per ultimo - attenzione al numero di atomi! Es.: in Fe 2 (SO 4 ) 3 ci sono 4x3=12 atomi di O Esempio di bilanciamento di una reazione di scambio K 2 SO 4 + Ba(OH) 2 BaSO 4 + KOH K 2 SO 4 + Ba(OH) 2 BaSO 4 + 2KOH Na 2 CO 3 + HCl NaCl + CO 2 + H 2 O Na 2 CO 3 + 2HCl 2NaCl + CO 2 + H 2 O NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2H 2 O Fe 3+ + NH 3 + H 2 O NH 4 + + Fe(OH) 3 Fe 3+ + 3NH 3 + 3H 2 O 3NH 4 + + Fe(OH) 3

Coefficienti stechiometrici numeri interi (indicano il numero di atomi, molecole, ioni, ecc. di reagenti e di prodotti che partecipano alla reazione) numeri non interi (indicano il numero di moli dei reagenti e il numero di moli dei prodotti che partecipano alla reazione) Rapporti ponderali nelle reazioni chimiche nota la quantità di un reagente, determinare la quantità necessaria di un altro reagente nota la quantità di un prodotto, determinare la quantità di reagente necessaria per ottenerlo note le quantità di reagenti, determinare la quantità di uno o più prodotti ottenibili (calcolo del reagente in difetto) calcolo della resa o rendimento di una reazione Per rispondere ai problemi precedenti è utile la seguente interpretazione della reazione N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) 1 molecola N 2 3 molecole H 2 2 molecole NH 3 100 molecole N 2 3 100 molecole H 2 2 100 molecole NH 3 N A molecole N 2 3 N A molecole H 2 2 N A molecole NH 3 1 mole N 2 3 moli H 2 2 moli NH 3 28,0 g N 2 3 x 2,02 g H 2 2 x 17 g NH 3 Si noti che una mole è un numero fisso (6,022 x 10 23 ) di molecole

N.B.: Sono possibili anche coefficienti stechiometrici frazionari, in questo caso però: 1/2 N 2 (g) + 3/2 H 2 (g) NH 3 (g) 1/2 mole N 2 3/2 moli H 2 1 mole NH 3 28,0/2 g N 2 3/2 x 2,02 g H 2 17 g NH 3 Ma non 1/2 molecola N 2 3/2 molecole H 2 1 molecola NH 3 Rendimento di una reazione chimica a A + b B l L + m M Rendimento di una reazione chimica (del prodotto L rispetto al reagente A)! = n L,f n L " #100= n L- n L,o n A,o # a #100 l n L,f = numero di moli di L che si sono formate n* L = numero di moli di L che si formerebbero se tutto il reagente A si trasformasse completamente n L = numero di moli di L al termine della reazione n L,o = numero di moli di L iniziali n A,o = numero di moli di A iniziali Il valore del rendimento è importante perché indica quanto è stato sfruttato un reagente.

Nota la quantità di un reagente, determinare la quantità necessaria di un altro reagente La reazione di formazione dell ammoniaca è la seguente: N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g) Quante moli di H 2 reagiscono con 3 moli di N 2 e quante moli di NH 3 si formano? 1 mol N 2 : 3 mol H 2 = 3 mol N 2 : x mol H 2 x = 9 mol H 2 1 mol N 2 : 2 mol NH 3 = 3 mol N 2 : x mol NH 3 x = 6 mol NH 3 Nota la quantità di un prodotto, determinare la quantità di reagente necessaria per ottenerlo La reazione di formazione dell ammoniaca è la seguente: N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g) Quante molecole di H 2 e N 2 hanno reagito se si formano 4 molecole di NH 3? 1 molecola N 2 : 2 molecole NH 3 = x molecole N 2 : 4 molecole NH 3 x = 2 mol N 2 3 molecole H 2 : 2 molecole NH 3 = x molecole H 2 : 4 molecole NH 3 x = 6 mol H 2

Nota la quantità di un reagente, determinare la quantità necessaria di un altro reagente Calcolare quanti grammi di HCl reagiscono con 60.0 g di Ca(OH) 2, secondo la reazione: Ca(OH) 2 + 2 HCl CaCl 2 + 2 H 2 O n Ca(OH)2 = m Ca(OH)2 / M Ca(OH)2 = 60.0 g / 74.09 g mol -1 = 0.81 mol 1 mol Ca(OH) 2 : 2 mol HCl = 0.81 mol Ca(OH) 2 : x mol HCl n HCl = x = 1.62 mol m HCl = n HCl M HCl = 1.62 mol 36.46 g mol -1 = 59.1 g Nota la quantità di prodotto determinare la quantità di reagente necessaria per ottenerla Es: Per decomposizione termica il KClO 3 produce ossigeno secondo la reazione: 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 Calcolare la quantità di KClO 3 necessaria per ottenere 70 g di O 2. n O = m 2 O /M 2 O = 70 (g) / 31,999 (g/mol) = 2,19 mol 2 2 moli KClO 3 : 3 moli O 2 = x moli KClO 3 : 2,19 moli O 2 da cui: n KClO3 = (2,19 2)/3 = 1,46 mol m = n KClO M = 1,46 (mol) 122,55 (g/mol) = 179 g 3 KClO3 KClO3

Note le quantità di un reagente determinare la quantità di prodotto che si ottiene considerando il secondo reagente in eccesso. Es: Calcolare quanti g di Al 2 (SO 4 ) 3 si ottengono da 300 g di Al(OH) 3 secondo la reazione: 2 Al(OH) 3 + 3 H 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 + 6 H 2 O n Al(OH) = m 3 Al(OH) /M 3 Al(OH) = 300 (g) / 78,003 (g/mol) = 3,85 mol 3 Si imposta la relazione: 2 moli Al(OH) 3 : 1 mole Al 2 (SO 4 ) 3 = 3,85 moli Al(OH) 3 : x moli Al 2 (SO 4 ) 3 n Al = 3,85 /2 = 1,925 mol 2(SO4)3 m = n Al M = 1,925 (mol) 342,14 (g/mol) = 658,6 g 2(SO4)3 Al2(SO4)3 Al2(SO4)3 Note le quantità di reagenti, determinare la quantità di uno o più prodotti ottenibili (calcolo del reagente in difetto) Calcolare quanti grammi di Al 2 (SO 4 ) 3 si ottengono da 300 g di Al(OH) 3 e 800 g di H 2 SO 4, secondo la reazione: 2 Al(OH) 3 + 3 H 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 + 6 H 2 O n Al(OH)3 = m Al(OH)3 / M Al(OH)3 = 300 g / 78.00 g mol -1 = 3.85 mol n H2SO4 = m H2SO4 / M H2SO4 = 800 g / 98.07 g mol -1 = 8.16 mol Quantità teorica di H 2 SO 4 (n* H2SO4 ) che reagirebbe con 3.85 mol di Al(OH) 3 : 2 mol Al(OH) 3 : 3 mol H 2 SO 4 = 3.85 mol Al(OH) 3 : x mol H 2 SO 4 n* H2SO4 = x = 5.77 mol Al(OH) 3 : reagente in difetto H 2 SO 4 : reagente in eccesso Il calcolo deve essere impostato sul reagente in difetto. 2 mol Al(OH) 3 : 1 mol Al 2 (SO 4 ) 3 = 3.85 mol Al(OH) 3 : x mol Al 2 (SO 4 ) 3 n Al2(SO4)3 = x = 1.93 mol m Al2(SO4)3 = n Al2(SO4)3 M Al2(SO4)3 = 1.93 mol 342.14 g mol -1 = 659 g

Calcolo della resa o rendimento di una reazione Calcolare il rendimento della reazione CaCO 3 CaO + CO 2 Sapendo che riscaldando 300 g di CaCO 3 si ottengono 135 g di CaO. n CaCO3 = m CaCO3 / M CaCO3 = 300 g / 100.0 g mol -1 = 3.0 mol n CaO = m CaO / M CaO = 135 g / 56.0 g mol -1 = 2.4 mol CaCO 3 : CaO = 1 : 1 n* CaO = 3 mol (quantità teorica di CaO che si formerebbe da 3.0 mol di CaCO 3 ) η CaO/CaCO3 = (n CaO / n* CaO ) 100 = (2.4 mol/3.0 mol) 100 = 80.3% Calcolo del reagente limitante e del rendimento Determinare 1) Il volume del diossido di zolfo che si libera facendo reagire 850g di pirite (FeS 2 ) con 220 litri di ossigeno, a 25 C e 1 atm. Reazione di combustione pirite: 2FeS 2 +11/2O 2 Fe 2 O 3 + 4SO 2 Peso formula pirite: 119.97 2) Rendimento nel caso si formino solo 4.00 moli di SO 2 n FeS2 = m FeS2 / M FeS2 = 850 g / 119.97 g mol -1 = 7.085 mol n O2 = PV / RT = 1 atm*220 l / 0.08206 l atm mol -1 K -1 *298.15 K = 8.992 mol quindi per far reagire tutta la pirite occorrerebbero FeS 2 : O 2 = 2 : 11/2 = 7.085 mol: n O2 n O2 = 7.085 mol*(11/2) / 2 = 19.48 mol

Il numero di moli di ossigeno disponibili e inferiore O 2 : reagente in difetto FeS 2 : reagente in eccesso Tutte le moli (8.992) di ossigeno hanno reagito O 2 : SO 2 = 11/2 : 4 = 8.992 : n SO2 n SO2 = 8.992 mol*4 / (11/2) = 6.540 mol V SO2 = n SO2 RT/P = 6.540 mol*0.08206 l atm mol -1 K -1 *298.15 K / 1 atm = 160.0 l η SO2 / O2 = (n SO2 / n* SO2 ) 100 = (4.00 mol/6.540 mol) 100 = 61.2% ES 1. Scrivere e bilanciare la reazione di combustione del pentano liquido (C 5 H 12 ) con ossigeno, i cui prodotti sono diossido di carbonio e acqua liquida (indicando correttamente gli stati di aggregazione di reagenti e prodotti). Calcolare quindi la massa in grammi di diossido di carbonio che si produce dalla combustione di 2.50 l di pentano. (densità a 20 C: 0.626 g/ml) [1, 8, 5, 6; 4.77 10 3 g] ES 2. Bilanciare la seguente reazione assegnando gli opportuni coefficienti stechiometrici: FeCr 2 O 4(s) + C (s) Fe (s) + Cr (s) + CO (g) Calcolare quindi la massa (in grammi) di carbonio necessaria per fare reagire completamente 1.45 kg di FeCr 2 O 4. [1, 4, 1, 2, 4; 311g ] ES 3. Bilanciare la seguente reazione assegnando gli opportuni coefficienti stechiometrici: NH 3(g) + O 2(g) NO (g) + H 2 O (g) Calcolare quindi la massa (in grammi) di ammoniaca che può essere trasformata completamente da 98.0 g di ossigeno. [4, 5, 4, 6; 41.73 g]