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 + Cl2 → 2 NaCl
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 2Na(s) + Cl2(g) → 2 NaCl(s)
L'equazione precedente diventa così:
Reagente Prodotto Coefficiente stechiometrico
Generica equazione chimica:
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 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
a A + a A + b b B B l l L + L + m m M M
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.)
BILANCIAMENTO DI REAZIONI CHIMICHE
Quando in una equazione chimica i coefficienti stechiometrici sono scritti correttamente l'equazione chimica è allora bilanciata, seguendo così il:
2 NO + O2 → 2 NO2 2 atomi N → 2 atomi N
4 atomi O → 4 atomi O OK!
-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.
Un’equazione chimica va bilanciata scegliendo opportunamente i coefficienti stechiometrici
C3H8 + O2
→
CO2 + H2O non bilanciataProcedimento per tentativi
atomi di C 1 C3H8 + O2
→
3 CO2 + H2Oatomi di H 1 C3H8 + O2
→
3 CO2 + 4 H2O atomi di O 1 C3H8 + 5 O2→
3 CO2 + 4 H2OC3H8 + 5 O2
→
3 CO2 + 4 H2O bilanciataI 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 Cl2 → 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 Fe2(SO4)3 ci sono 4x3=12 atomi di O
Esempio di bilanciamento di una reazione di scambio K
2SO
4+ Ba(OH)
2→ BaSO
4+ KOH
Na
2CO
3+ HCl → NaCl + CO
2+ H
2O
NaOH + H
2SO
4→Na
2SO
4+ H
2O K
2SO
4+ Ba(OH)
2→ BaSO
4+ 2KOH
Na
2CO
3+ 2HCl → 2NaCl + CO
2+ H
2O
2NaOH + H
2SO
4→Na
2SO
4+ 2H
2O
Fe
3++ NH
3+ H
2O → NH
4++ Fe(OH)
3Fe
3++ 3NH
3+ 3H
2O → 3NH
4++ Fe(OH)
3Coefficienti stechiometrici
numeri interi
(indicano il numero diatomi, molecole, ioni
, ecc. di reagenti e di prodotti che partecipano alla reazione)
numeri non interi
(indicano il numero dimoli
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
1 molecola N2 3 molecole H2 2 molecole NH3
28,0 g N2 3 x 2,02 g H2 2 x 17 g NH3
Si noti che una mole è un numero fisso (6,022 x 1023) di molecole N2(g) + 3 H2(g)
→
2 NH3 (g)1 mole N2 3 moli H2 2 moli NH3
100 molecole N2 3×100 molecole H2 2×100 molecole NH3 NA molecole N2 3×NA molecole H2 2×NA molecole NH3
N.B.: Sono possibili anche coefficienti stechiometrici frazionari, in questo caso però:
Ma non
1/2 N2(g) + 3/2 H2(g)
→
NH3 (g) 1/2 mole N2 3/2 moli H2 1 mole NH3 28,0/2 g N2 3/2 x 2,02 g H2 17 g NH31/2 molecola N2 3/2 molecole H2 1 molecola NH3
Rendimento di una reazione chimica
!
= n
L,fn
L#100 = nL- n
L, o
n
A,oa l 100 a a A + A + b b B B l l L + L + m m M M
Rendimento di una reazione chimica (del prodotto L rispetto al reagente A)
nL,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
nL = numero di moli di L al termine della reazione nL,o = numero di moli di L iniziali
nA,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
2reagiscono con 3 moli di N
2e quante moli di NH
3si formano?
______________________
1 mol N
2: 3 mol H
2= 3 mol N
2: x mol H
2x = 9 mol H
21 mol N
2: 2 mol NH
3= 3 mol N
2: x mol NH
3x = 6 mol NH
3Nota la quantità di un prodotto, determinare la quantità di reagente necessaria per ottenerlo
Quante molecole di H
2e N
2hanno reagito se si formano 4 molecole di NH
3?
1 molecola N2 : 2 molecole NH3 = x molecole N2 : 4 molecole NH3 x = 2 mol N2
3 molecole H2 : 2 molecole NH3 = x molecole H2 : 4 molecole NH3 x = 6 mol H
La reazione di formazione dell’ammoniaca è la seguente:
N
2(g)+ 3 H
2(g)→ 2 NH
3(g)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
2O _________________________
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
Note le quantità di reagenti, determinare la quantità di uno o più prodotti ottenibili ( calcolo del reagente in difetto )
Calcolare quanti grammi di Al2(SO4)3 si ottengono da 300 g di Al(OH)3 e 800 g di H2SO4, secondo la reazione:
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6 H2O _________________________
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 H2SO4 (n* H2SO4) che reagirebbe con 3.85 mol di Al(OH)3: 2 mol Al(OH)3 : 3 mol H2SO4 = 3.85 mol Al(OH)3 : x mol H2SO4
n* H2SO4 = x = 5.77 mol Al(OH)3: reagente in difetto H2SO4: reagente in eccesso
Il calcolo deve essere impostato sul reagente in difetto.
2 mol Al(OH)3 : 1 mol Al2(SO4)3 = 3.85 mol Al(OH)3 : x mol Al2(SO4)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
2Sapendo che riscaldando 300 g di CaCO
3si 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
2O
3+ 4SO
2Peso 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’
O2Il numero di moli di ossigeno disponibili e’ inferiore
O2: reagente in difetto FeS2: reagente in eccesso
Tutte le moli (8.992) di ossigeno hanno reagito O
2: SO
2= 11/2 : 4 = 8.992 : n
SO2n
SO2= 8.992 mol*4 / (11/2) = 6.540 mol
V
SO2= n
SO2RT/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%
Esempio
Quale è la massa di idrogeno necessaria per produrre 907 Kg di ammoniaca?
- prima di tutto si calcolano le moli di NH3
- dall'equazione chimica si deducono le moli di H2 : per 2 moli di NH3 ne servono 3 di H2
N2(g) + 3 H2(g)
→
2 NH3 (g)nH2= 5,34 " 104 mol NH3" 3 mol H2
2 mol NH3 = 8,01 " 104 mol H2
!
nNH3= 9,07" 105 g NH3
17,0 g NH3/mol NH3 = 5,34 " 104 mol NH3
I coefficienti dell'equazione chimica bilanciata danno i fattori di conversione tra le quantità chimiche consumate e prodotte.
Conviene utilizzare i rapporti:
Controllando l'analisi dimensionale.
- Infine si convertono la moli di H2 in grammi di H2
N2(g) + 3 H2(g)
→
2 NH3 (g)Converte da moli di NH3 a H2 Converte da moli di H2 a NH3
!
3 mol H2 2 mol NH3
!
2 mol NH3 3 mol H2
!
massaH2 = 8,01 " 104 mol H2" 2,02 g H2/ mol H2= 1,62 " 105 g H2
Data la reazione,
Fe2O3 (s) + 3 CO (g)
→
2 Fe (s) + 3 CO2 (g)Calcolare quanti grammi di ferro si possono produrre da 1,00 Kg di ossido di ferro (III).
Esempio
Le moli di ossido di ferro (III) a disposizione sono:
Si calcolano infine i grammi di Fe:
1Kg = 103 grammi nFe2O3 = = 6,25 mol
Massa Fe = nFe × PAFe = 12,5 mol × 55,85g/mol = 6,98x102 g Le moli di ferro sono dedotte dall’equazione chimica:
nFe = 6,25 mol Fe2O3 × = 12,5 mol Fe
!
1,00 103 g 159,6 g/mol
!
2 mol Fe 1 mol Fe2O3
Problema: Quanti grammi di acqua vengono prodotti dalla reazione di 4,16 g di H2 con un eccesso di ossigeno, in base alla seguente reazione?
2H2(g) + O2(g)
→
2H2O(l) Calcoliamo le moli di H2Trasformiamo le moli di H2 in moli di H2O
Calcoliamo i grammi di H2O
!
nH2= 4,16 g H2 2,02 g H
2/mol H2= 2,06 mol H2
!
nH2O= 2,06 mol H2 2 mol H2O
2 mol H2 = 2,06 mol H2O
!
massaH2O = 2,06 mol H2O " 18,02 g H2O / mol H2O = 37,1 g H2O
