LABORATORIO DI CHIMICA GENERALE E...

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 2009-2010

Capitolo 2-b.

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CAPITOLO 2

Seconda parte

Significato della reazione chimica;

Rapporti ponderali nelle reazioni chimiche;

Reagente limitante;

Resa di una reazione.

Capitolo 2-b.

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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.

Capitolo 2-b.

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Significato delle reazioni chimiche

Calcoli stechiometrici

Data una qualunque reazione chimica:

2H2 + O2 2H2O

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).

Capitolo 2-b.

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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 + 4

2000 pp. 500 pp? copie

toner

risme

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%.

Capitolo 2-b.

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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 = 10750 g)

E rimangono 10 bottiglie vuote (10 x 200 g = 2000 g)

Capitolo 2-b.

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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) = 10750 g

Facciamo lo stesso esercizio partendo da una dozzina di bottiglie di acqua.

1 dozzina di bottiglie piene (di acqua) pesa 14400 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 = 12.900 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 = 16125 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; 10750 g/2000 g = 5,375; 16125 g/3000 g = 5,375;

Quindi sapendo il peso di uno dei due ed il rapporto reciproco è possibile calcolare

il peso dell’altro.

Capitolo 2-b.

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Esercizio (Es 13 pag. 60 Clerici – Morocchi)

Si consideri la seguente reazione:

MnO2 + 4 HCl MnCl2 + Cl2 + 2 H2O

Calcolare la quantità in grammi di ciascun reagente necessaria per preparare 50 g

di cloro.

(PAMn = 54,94; PACl = 35,45; PAO = 16,00; PAH = 1,008)

La reazione bilanciata assume un significato quantitativo:

MnO2 + 4 HCl MnCl2 + Cl2 + 2 H2O

1 mol + 4 mol 1 mol + 1 mol + 2 mol

Per produrre 1 mol di Cl2 occorrono 1 mol di MnO2 e 4 mol di HCl.

Si devono preparare 50 g di Cl2, pari a:

Occorreranno quindi:

Capitolo 2-b.

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Per decomposizione termica il cloruro di potassio produce ossigeno:

2 KCl + 3 O22 KClO3

Calcolare la quantità in grammi di KClO3 necessaria per ottenere 70 g di O2.

(PAK = 39,10; PACl = 35,45; PAO = 16,00)

2 moli di KClO3 producono 3 moli di O2: quindi 1 mole di O2 è prodotta da 2/3 moli

di KClO3.

Le moli di O2 che si devono preparare sono:

Occorreranno quindi:


Calcolare quanta anidride solforosa si ottiene bruciando con aria 100,0 kg di pirite

(FeS2) al 70%:

4 SO2 + Fe2O32 FeS2 + 11/2 O2

(PAFe = 55,8; PAS = 32,1; PAO = 16,00)

Capitolo 2-b.

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100,0 kg di FeS2 al 70% corrispondono a 70,0 g di pirite pura.

Dall’equazione si vede che 1 mol di FeS2 produce 2 mol di SO2, quindi:

La quantità in grammi è data da:

Reagente limitante o in difetto


Si consideri la seguente reazione:

Na2CO3Na2O + CO2

30 g di Na2O vengono fatti reagire con 30 g di CO2.

Calcolare la quantità di Na2CO3 ottenuta.

(PANa = 23,0; PAC = 12,0; PAO = 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

Capitolo 2-b.

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richiesto dalla stechiometria della reazione. È necessario determinare il reagente

limitante:

a) 0,48 mol di Na2O necessitano di 0,48 mol di CO2;

b) 0,68 mol di CO2 necessitano di 0,68 mol di Na2O.

La condizione a) è verificata, contrariamente alla condizione b); pertanto il

reagente limitante è Na2O (cioè è il reagente in difetto); CO2 è il reagente in

eccesso.

I calcoli successivi devono essere impostati sul reagente limitante. Quindi:

Possiamo quindi calcolare la quantità di Na2CO3 che si è formata:


Calcolare la quantità di acqua che si ottiene facendo reagire 30 g di idrogeno con

100 g di ossigeno:

2 H2O2 H2 + O2

(PAH = 1,01; PAO = 16,0)

Capitolo 2-b.

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Calcoliamo le moli di ciascun reagente in reazione:

Secondo la reazione 2 mol di H2 reagiscono con 1 mol di O2; ciò vuol dire che 15

mol di H2 dovrebbero reagire con 7,5 mol di O2; è quindi evidente che questo è il

reagente limitante. Quindi:

Attenzione: se invece avessi avuto solo 10 g di H2:

Secondo la reazione 1 mol di O2 reagisce con 2 mol H2; quindi 3,12 mol di O2

dovrebbero reagire con 6,24 mol di H2; in questo caso sarebbe dunque H2 l’agente

limitante anche se 5,0 > 3,12!!! Infatti:

Capitolo 2-b.

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Resa di una reazione


L’ammoniaca viene preparata industrialmente con la seguente reazione:

2 NH3N2 + 3 H2

Ad una certa temperatura e pressione, partendo da 1,0 mol di N2 e 3,0 mol di H2 si

ottengono 25,0 g di NH3.

Calcolare la resa della reazione.

(PAN = 14,0; PAH = 1,01)

La miscela iniziale dei reagenti è in rapporto stechiometrico, perciò le mol di NH3

che posso ottenere sono date da:

Ma le moli di NH3 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 NH3 (massa teorica) e

poi dividerla per la massa ottenuta:

Capitolo 2-b.

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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%:

HNO3 + H2ONH3 + 2 O2

Ad una certa temperatura e pressione, partendo da 1,0 mol di N2 e 3,0 mol di H2 si

ottengono 25,0 g di NH3.

Calcolare la resa della reazione.

(PMHNO3 = 63; PMH2O = 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:

Capitolo 2-b.

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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:

MgO + CO2MgCO3

calcolare la composizione % della miscela.

(PAMg = 24,3; PAC = 12,0; PAO = 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 CO2 diviso la massa

molare del carbonato.

Da cui:

Cioè nella miscela iniziale era contenuto il 23% di MgCO3. Il rimanente 77% della

miscela era costituito dal MgO.

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