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Academic year: 2021

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(1)

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.)

(2)

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 bilanciata

Procedimento per tentativi

atomi di C 1 C3H8 + O2

3 CO2 + H2O

atomi di H 1 C3H8 + O2

3 CO2 + 4 H2O atomi di O 1 C3H8 + 5 O2

3 CO2 + 4 H2O

C3H8 + 5 O2

3 CO2 + 4 H2O bilanciata

(3)

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 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

2

SO

4

+ Ba(OH)

2

→ BaSO

4

+ KOH

Na

2

CO

3

+ HCl → NaCl + CO

2

+ H

2

O

NaOH + H

2

SO

4

→Na

2

SO

4

+ H

2

O K

2

SO

4

+ Ba(OH)

2

→ BaSO

4

+ 2KOH

Na

2

CO

3

+ 2HCl → 2NaCl + CO

2

+ 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

(4)

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

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

(5)

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 NH3

1/2 molecola N2 3/2 molecole H2 1 molecola NH3

Rendimento di una reazione chimica

!

= n

L,f

n

L#

100 = n

L

- n

L, o

n

A,o

a 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.

(6)

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

Quante molecole di H

2

e N

2

hanno 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)

(7)

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

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

(8)

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

(9)

Il 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

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%

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

(10)

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

(11)

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 H2

Trasformiamo 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

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