Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica

Le equazioni chimiche e la stechiometria

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+ +1 molecola di metano (CH4)

2 molecole di ossigeno (O2)

1 molecola di biossido di carbonio

(CO2) 2 molecole di acqua (H2O)

CH4(g)+ 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) Alcune immagini sono state prese e modificate da “Chimica” di Kotz, Treichel & Weaver, Edises 2007, III edizione

Quando un getto di cloro gassoso (Cl2) viene indirizzato su fosforo solido (P4), lamiscela esplode in fiamme e la reazione chimica produce tricloruro di fosforo liquido(PCl3). Questa reazione chimica può essere rappresentata usando una equazione chimicabilanciata

P4(s) + 6 Cl2(g) → 4 PCl3(l)

Cl2

P4

PCl3

reagenti prodotti

Le quantità relative in moli dei reagenti e dei prodotti sono indicate da numeri, i coefficientistechiometrici, che precedono le formule (quì, 1, 6 e 4)

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P4(s) + 6 Cl2(g) → 4 PCl3(l)

6 x 2 = 12 atomi di Cl

4 x 3 = 12 atomi di Cl

4 atomi di P 4 atomi di P

Antoine Lavoisier(1743-1794)

Nel XVIII secolo Lavoisier introdusse la legge di conservazione dellamateria, la quale stabilisce che la materia non può essere né creata nédistrutta.

Applicata alla reazione tra fosforo e cloro la legge di conservazionedella materia ci dice che per produrre 4 molecole di PCl3 sononecessarie una molecola tetraatomica di fosforo P4 (con 4 atomi difosforo) e 6 molecole biatomiche di cloro Cl2 (con 12 atomi di cloro).

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Lo stesso numero di atomi di ciascun elemento devono essere presenti nei reagentie nei prodotti, anche se essi appartengono a composti diversi

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I numeri che precedono ogni unità di formula in una equazione chimica bilanciata sonorichiesti dalla legge di conservazione della materia e sono detti coefficientistechiometrici. Il numero può riferirsi al numero di atomi o molecole o anche allequantità di moli dei reagenti e dei prodotti. La relazione tra quantità di prodotti e reagentichimici viene detta stechiometria ().

2 Fe(s) + 3 Cl2(g) → 2 FeCl3(s)

coefficienti stechiometrici

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Esempio 1: Nella seguente reazione:

2 Al(s) + 3 Br2(l) → Al2Br6(s)

a) assegnare il nome ai reagenti ed ai prodotti, indicando il loro stato fisico.

b) Quali sono i coefficienti stechiometrici in questa equazione?

c) Se si avessero a disposizione 8000 atomi di Al, quante molecole di Br2sono necessarie per consumarli completamente?

alluminio solido, bromo liquido e bromuro di alluminio solido

2, 3 ed 1, rispettivamente

dall’equazione chimica bilanciata risulta che sono necessarie 3molecole di Br2 per consumare 2 atomi di Al.

2 : 3 = 8000 : x → x = 3 ∙ 8000 / 2 = 12000 molecole di Br2

Si formeranno 4000 molecole di Al2Br6

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Bilanciamento delle equazioni chimicheIl bilanciamento garantisce che in entrambi i membri dell’equazionechimica sia presente lo stesso numero di atomi di ciascun elemento.

Una classe generale di reazioni è la reazione dei metalli o non metalli conl’O2 per dare gli ossidi di formula generale MexOy.

4 Fe (s) + 3 O2 (g) → 2 Fe2O3 (s)

2 Mg (s) + O2 (g) → 2 MgO (s)

P4 (s) + 5 O2 (g) → P4O10 (s)

a Fe (s) + b O2 (g) → c Fe2O3 (s)Soluzione: Per bilanciare una equazione chimica si applica il principio diconservazione della materia:

Esempio 2: Se a, b e c sono i coefficienti stechiometrici, si bilanci laseguente equazione chimica

c3b2c2a

← coefficientefrazionario

23b2a

1cse

attribuiamo un valore arbitrario ad un coefficientestechiometrico, ad esempio c = 1

si moltiplica ilsistema per 2

3b4a2c

4 Fe (s) + 3 O2 (g) → 2 Fe2O3 (s)verifica: si contino gliatomi alla destra e sinistradella freccia

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La combustione, cioè la combinazione di un combustibile con l’O2 èaccompagnata dallo svolgimento di calore (reazione esotermica). Adesempio nei motori delle autovetture si bruciano componenti della benzinacome l’ottano (un idrocarburo che contiene solo C e H):

2 C8H18 (l) + 25 O2 (g) → 16 CO2 (g) + 18 H2O (g)

Quando si bilanciano le equazioni chimiche:

• le formule di reagenti e prodotti devono esserecorrette, altrimenti l’equazione perde disignificato

• non devono essere modificati i pedici nelleformule dei reagenti e dei prodotti

CH4 (l) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g)

becco bunsen

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Soluzione: Si applica il principio di conservazione della materia:

Esempio 3: Si bilanci la reazione di combustione del propano C3H8.

a C3H8 (l) + b O2 (g) → c CO2 (g) + d H2O (g)

dc2b2d2a8ca3

5b4d1a3c

se c = 3

C3H8 (l) + 5 O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O (g)

atomi di reagenti prodottiC 1 ∙ 3 = 3 3 ∙ 1 = 3H 1 ∙ 8 = 8 4 ∙ 2 = 8O 5 ∙ 2 = 10 3 ∙ 2 + 4 ∙ 1 = 10

verifica

Esempio 4: Si bilanci la reazione di combustione dell’ammoniaca NH3.

a NH3 (g) + b O2 (g) → c NO (g) + d H2O (g)

Soluzione: per il principio di conservazione della materia:

dcb2d2a3

ca

45

2231

b

23d1a1c

se c = 1

5b6d4a4c

moltiplico per 4

4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (g)

atomi di reagenti prodottiN 4 ∙ 1 = 4 4 ∙ 1 = 4H 4 ∙ 3 = 12 6 ∙ 2 = 12O 5 ∙ 2 = 10 4 ∙ 1 + 6 ∙ 1 = 10

verifica

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Relazioni tra le masse nelle reazioni: la stechiometriaUna equazione chimica bilanciata mette in evidenza le relazioniquantitative tra i reagenti ed i prodotti in una reazione chimica.

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g)reagente o prodotto

massa molare (g/mol)

H2 2O2 32

H2O 18

Si supponga di usare in questa reazione 1 moledi O2 (= 32 g). L’equazione chimica bilanciatamostra che bisogna impiegare 2 moli di H2 (= 4g) per far reagire completamente 1 mole di O2 eche vengono prodotte 2 moli di H2O (= 36 g).

L’equazione chimica bilanciata mette in evidenza i corretti rapporti molari frareagenti e prodotti. Perciò l’equazione per la reazione tra H2 ed O2 è validaindipendentemente dalla quantità di O2 impiegata.La stechiometria studia, quindi, i rapporti quantitativi delle sostanze chimichenelle reazioni chimiche.

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Le relazioni tra le moli e le masse dei reagenti e dei prodotti sono riassuntein una tabella delle quantità:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g)

specie chimica H2 O2 H2O

quantità iniziale(moli)

2 mol (4 g) 1 mol (32 g) 0 mol ( g)

variazione per effetto della

reazione (moli)2 mol 1 mol +2 mol

quantità a finereazione (moli)

0 mol (0 g) 0 mol (0 g) 2 mol (2 ∙ 18 = 36 g)

+ →

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Esempio 5: Nella reazione 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g), si valuti a) lamassa di idrogeno necessaria per reagire completamente con 60 g di ossigenoe b) quanti grammi di acqua si potranno raccogliere.

Soluzione

60 g di O2 corrispondono a 60 / 32 = 1.875 mol

1 mol O2 : 2 mol H2 = 1.875 mol O2 : x mol H2

222

22 Hg5.7H mol 75.3O mol 1

Omol1.875H mol2x

1 mol O2 : 2 mol H2O = 1.875 mol O2 : x mol H2O

OHg5.67OH mol 75.3O mol 1

Omol1.875OH mol2x 222

22

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specie chimica H2 O2 H2O

quantità iniziale(moli)

3.75 mol (7.5 g)

1.875 mol (60 g)

0 mol (0 g)

variazione per effetto della

reazione (moli)3.75 mol 1.875 mol +3.75 mol

quantità a finereazione (moli)

0 mol (0 g) 0 mol (0 g) 2 mol (7.5+60 = 67.5 g)

Tabella delle quantità

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g)

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Esempio 6: Il cromo metallico reagisce con l’O2 (g) per dare l’ossido Cr2O3.a) Scrivere l’equazione bilanciata della reazione. b) Quale massa di Cr2O3 (M= 152 g/mol), in grammi, si ottiene dalla completa reazione di un pezzo di Cr(M = 52 g/mol) di 0.175 g? c) Quale massa di O2, in grammi, è necessaria?

Soluzione

a) 4 Cr (s) + 3 O2 (g) → 2 Cr2O3 (s)

b) e c) 0.175 g di Cr corrispondono a 0.175 /52 = 0.00337 mol

specie chimica Cr O2 Cr2O3

moli iniziali 0.00337 mol (0.175 g)

(3/4) 0.00337 mol (0.081 g)

0 mol (0 g)

variazione 0.00337 mol 0.00252 mol +(2/4) 0.00337 molmoli finali 0 mol (0 g) 0 mol (0 g) 0.00168 mol

(0.175+0.081 = 0.256 g)

Le reazioni chimiche vengono spesso eseguite utilizzando un reagente ineccesso rispetto alle quantità richieste dalla stechiometria. Uno dei reagentiverrà completamente consumato lasciando qualche altro reagenteparzialmente inutilizzato.

Reazioni nelle quali un reagente è presente in quantità limitata

2 Mg (s) + O2 (g) → 2 MgO (s)

Si immagini di bruciare un candelotto giocattolo, unfilo ricoperto di magnesio.

Il candelotto brucia finchè il magnesio vieneconsumato completamente. Il Mg brucia all’aria,consumando O2 (presente in quantità molto maggiore)e producendo ossido di magnesio MgO.

La quantità di MgO prodotta dipende da quanto Mg è presente inizialmente.Il Mg viene chiamato reagente limitante, perché la sua quantità limita laquantità di prodotto che si forma.

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L’equazione bilanciata per la reazione fra il monossido di carbonio (CO) edossigeno per dare CO2 è:

2 CO (g) + O2 (g) → 2 CO2 (g)

Si supponga di avere una miscela di 4 molecole di CO e 3 molecole di O2.

+

Le 4 molecole di CO richiedono solo 2 molecole di O2 (e producono 4molecole di CO2). Quando la reazione è completata, una molecola di O2 rimanenon reagita. Poichè sono presenti molecole di O2 in eccesso, il numero dimolecole di CO2 che si formano è fissato dal numero di molecole di CO disponibili. Il CO è il reagente limitante.

reagenti: 4 CO e 3 O2

+

prodotti: 4 CO2 e 1 O2

Un calcolo stechiometrico con un reagente limitante

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Il primo stadio nella produzione di acido nitrico è la ossidazionedell’ammoniaca ad NO su rete di platino.

4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (l)Si supponga di miscelare quantità uguali di NH3 (M = 17 g/mol) e O2 (M = 32g/mol): 750 g di ciascuno. Vi è un reagente in difetto? Qual’è la composizionedella miscela a reazione completata?

nNH3= 750 / 17 = 44.1 moli disponibili e nO2 = 750 /32 = 23.4 moli disponibili

Il rapporto stechiometrico dei reagenti richiesto dall’equazione bilanciata è:

3

2

3

2

NHmol1Omol25.1

NHmol4Omol5

Il rapporto tra i reagenti effettivamente disponibili è:

3

2

3

2

NHmol1Omol531.0

NHmol1.44Omol4.23

L’O2 presente non è sufficiente per far reagire tutta l’NH3: è limitante.

specie chimica NH3 O2 NO H2Omoli iniziali 44.1 23.4 0 0variazione (4/5) 23.4

= 18.7223.4 +(4/5) 23.4

= +18.72+(6/5) 23.4= +28.08

moli finali 25.38 0 18.72 28.08

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4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (l)

5 mol O2 : 4 mol NH3 = 23.4 mol O2 : x mol NH3→ x = (4/5) 23.4 =18.8 mol NH3 che reagiscono

L’O2 presente è limitante e reagirà completamente

5 mol O2 : 6 mol H2O = 23.4 mol O2 : y mol H2O→ y = (6/5) 23.4 =28.08 mol H2O che si formano

Esempio 7: L’etano (C2H6, M = 30 g/mol) brucia in atmosfera di ossigeno.

a) quali sono i prodotti della reazioneb) scrivere l’equazione bilanciata della reazionec) quale massa di O2, in grammi, è necessaria per la combustione di 13.6 g di C2H6?

Soluzione

a) CO2 ed H2Ob) 2 C2H6 (g) + 7 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 6 H2O (g)c) numero di moli di C2H6 =13.6 / 30 = 0.453 mol

numero di moli di O2 = (7/2) 0.453 =1.59 molmassa di O2 = 1.59 ∙32 = 50.8 g

specie chimica C2H6 O2 CO2 H2Omoli iniziali 0.453 (7/2) 0.453

=1.59 0 0

variazione 0.453 1.59 +(4/2) 0.453= +0.91

+(6/2) 0.453= +1.36

moli finali 0 0 0.91 1.3620