La Stechiometria

La Stechiometria
• La stechiometria studia i rapporti quantitativi
fra le masse delle sostanze coinvolte in una reazione
chimica.
• La stechiometria di reazione indica in che rapporti
due o più sostanze reagiscono tra di loro.
• Il calcolo stechiometrico permette di calcolare
le quantità di reagenti e prodotti coinvolti in
una reazione chimica.
Le Equazioni Chimiche
• Un processo chimico è rappresentato da
un’equazione chimica.
• Esempio: reazione del magnesio con l’ossigeno.
Mg + O2 → MgO
• Le sostanze a sinistra della freccia sono dette reagenti.
• Le sostanze a destra della freccia sono dette prodotti.
• Un’equazione chimica bilanciata ha lo stesso tipo e numero
di atomi fra i reagenti ed i prodotti.
2 Mg + O2 → 2 MgO
Le Equazioni Chimiche
Si usa indicare anche lo stato fisico di reagenti e prodotti:
2 Mg(s) + O2(g) → 2 MgO(s)
(s): solido
(l): liquido
(g): gassoso
(aq): soluzione acquosa
Le Equazioni Chimiche
Esempio di bilanciamento: combustione del butano.
La combustione è la reazione di un composto contenente C, H
(e/o O) in eccesso di O2 per produrre CO2 e H2O.
C4H10 + O2 → CO2 + H2O
C4H10 + O2 → 4 CO2 + 5 H2O
C4H10 +
૚૜
૛
O2 → 4 CO2 + 5 H2O
2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O
Le Equazioni Chimiche
• In una reazione di combinazione due o più sostanze formano
un composto singolo.
‫ۼ‬૛(܏) + ૜ ۶૛(܏) → ૛ ‫ۼ‬۶૜(܏)
• In una reazione di decomposizione, un composto singolo
forma due o più nuove sostanze.
૛ ۹۱‫۽ܔ‬૜(‫ → )ܛ‬૛ ۹۱‫ )ܛ(ܔ‬+ ૜ ‫۽‬૛(܏)
Relazioni di Massa nelle Reazioni Chimiche
Una equazione chimica fornisce informazioni quantitative
sulla reazione.
Pesando reagenti e prodotti, possiamo determinare le masse
relative dei loro atomi:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
36 g
4g
Da qui possiamo ricavare che:
la massa di O è 16 volte la massa di H
32 g
La Scala di Massa Atomica
La scala delle masse atomiche era originariamente basata
sull’idrogeno:
1H
atomo = 1 uma (unità di massa atomica, g mol-1)
16O atomo ≈ 16 uma
12C atomo ≈ 12 uma
Ora, la scala è basata sul 12C:
12C
atomo = esattamente 12 uma
1H atomo = 1,0078252 uma
16O atomo = 15,9949149 uma
La Massa Atomica Media
La massa media di un atomo si calcola mediando sulle
abbondanze naturali dei suoi isotopi.
Esempio: Litio
6Li:
6,015 uma (7,42%)
7Li: 7,016 uma (92,58%)
Massa media =
= (6,015 uma x 0,0742) + (7,016 uma x 0,9258) =
= 6,941 uma
La Massa Atomica Media
La massa media di un atomo si calcola mediando sulle
abbondanze naturali dei suoi isotopi.
Esempio: Cloro
35Cl:
34,968854 uma (75,53%)
37Cl: 36,965896 uma (24,47%)
Massa media =
= (34,968854 uma x 0,7553) + (36,965896 uma x 0,2447) =
= 35,46 uma
La Composizione Percentuale di un Composto
Massa Percentuale degli elementi in H2O:
2 H = 2 x 1,0078 uma = 2,0156 uma
1 O = 15,9994 uma
1 H2O = 18,0150 uma
%(H) = ( 2,0156 uma / 18,0150 uma ) x 100 = 11,19%
%(O) = ( 15,9994 uma / 18,0150 uma ) x 100 = 88,81%
La Mole: l’Unità di Misura della Quantità di Sostanza
Un atomo di 12C pesa 1,9933 x 10-23 g
In 12 g di 12C ci sono 6,02 x 1023 atomi
(6,02 x 1023) x (1,9933 x 10-23 g) = 12 g
Una mole è costituita da 6,02 x 1023 specie chimiche.
Questo numero si chiama Numero di Avogadro (NA).
Il numero di Avogadro è stato scelto cosicché 12 grammi
esatti di 12C corrispondono a 1 mole di 12C.
La Massa Molare
• La massa molare di una sostanza è la massa di una mole
espressa in grammi.
• La massa molare è, in numero, uguale al peso formula in uma.
Massa media di 1 atomo di C = 12,011 uma
Massa di 1 mole di C = 12,011 g
Massa di 1 molecola di H2O = 18.015 uma
Massa di 1 mole di H2O = 18,015 g
Massa di 1 MgO = 40,304 uma
Massa di 1 mole di MgO = 40,304 g
Moli e Reazioni Chimiche
Invece di contare le molecole in una reazione, contiamo
le moli di molecole.
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
1 mole di N2 reagisce con 3 moli di H2 per dare 2 moli di NH3
O in altre parole…
per ogni mole di N2 reagiscono 3 moli di H2
per dare 2 moli di NH3.
La Stechiometria
La stechiometria utilizza relazioni quantitative tra le sostanze
coinvolte in una reazione.
La stechiometria consente di calcolare le quantità
delle sostanze reagenti o dei prodotti di una reazione
a partire dalle equazioni chimiche bilanciate.
Dai coefficienti stechiometrici è possibile stabilire
le quantità di reagenti da impiegare o prevedere
le quantità di prodotti che si possono ottenere.
Numero di moli = massa / (somma delle masse atomiche)
Massa = numero di moli x (somma delle masse atomiche)
La Stechiometria
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
1 g di N2 corrisponde a:
1 g / (2 x 14,01 uma) = 3,57 x 10-2 moli di N2
Poiché per ogni mole di N2 reagiscono 3 moli di H2:
3 x 3,57 x 10-2 moli = 1,07 x 10-1 moli di H2
(1,07 x 10-1 moli) x (2 x 1,008 uma) = 0,216 g di H2
La Stechiometria
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
1 g di N2 corrisponde a:
1 g / (2 x 14,01 uma) = 3,57 x 10-2 moli di N2
Per fare sì che 1 g si N2 reagisca completamente per dare NH3,
servono 0,216 g di H2.
Inoltre, per ogni mole di N2 si ottengono 2 moli di NH3:
2 x 3,57 x 10-2 moli = 7,14 x 10-2 moli di NH3
(7,14 x 10-2 moli) x (3 x 1,008 uma + 14,01 uma) = 1,216 g di NH3
Il Reagente Limitante
Selezionare un reagente della reazione e calcolare il numero di
moli formate da ogni reagente assumendo di consumarlo tutto.
Il reagente limitante fornisce il numero più piccolo di moli
di prodotto.
Esempio. Considerare la reazione:
2 Al(s) + 3 Cl2(g) → 2 AlCl3(s)
Quante moli di AlCl3 sono formate a partire da:
• 40,0 g di Al
• 213 g di Cl2
???
Il Reagente Limitante
• La reazione termina quando uno dei reagenti è stato
completamente consumato.
• Il reagente che si consuma per primo è il reagente limitante.
• Gli altri reagenti sono reagenti in eccesso.
Il Reagente Limitante
2 Al(s) + 3 Cl2(g) → 2 AlCl3(s)
Moli iniziali di Al:
40,0 g / 26,98 uma = 1,48 moli
Moli iniziali di Cl2:
213 g / (2 x 35,45 uma) = 3,00 moli
Per formare 2 moli di AlCl3 servono:
2 moli di Al
3 moli di Cl2
1,48 moli di Al / 2 = 0,74
3,00 moli di Cl2 / 3 = 1,00
Reagente limitante!
La Resa
• La resa teorica di un prodotto è la quantità formata quando il
reagente limitante è stato completamente consumato.
• La resa sperimentale è la quantità di prodotto ottenuta
effettivamente nella reazione quando la si esegue
in laboratorio.
• La resa percentuale è data da:
Resa% = (resa sperimentale / resa teorica) x 100
La Resa
2 Al(s) + 3 Cl2(g) → 2 AlCl3(s)
Moli iniziali del reagente limitante (Al): 1,48 moli
Da 2 moli di Al si ottengono 2 moli di AlCl3
2 : 2 = 1,48 : ࢞
࢞ = (1,48 x 2) / 2 = 1,48 moli di AlCl3
g di AlCl3 = 1,48 moli x (26,98 uma + 3 x 35,45 uma) = 167,7 g
Resa teorica = 167,7 g di AlCl3
Problemi di Stechiometria
Il fosfato di calcio è utilizzato come fertilizzante in agricoltura.
Calcolare la quantità di CaO che reagisce con 58 g di H3PO4 per
dare Ca3(PO4)2 e acqua. Inoltre calcolare la quantità di fosfato di
calcio che si forma nella reazione. (Masse molari (g/mol):
H=1,008; P=30,97; O=15,9994; Ca=40,078).
Problemi di Stechiometria
Un composto ha fornito i seguenti dati analitici:
12,1% in massa: carbonio,
16,2% in massa: ossigeno,
71,7% in massa: cloro.
La massa molare è 98,9 g/mol.
Scrivere la formula molecolare del composto.
Problemi di Stechiometria
Per secoli gli aborigeni australiani hanno adoperato le foglie
degli eucalipti per alleviare il mal di gola e altri dolori.
L’ingrediente più attivo a tal fine è stato identificato e
denominato eucaliptolo.
L’analisi di un campione di eucaliptolo di 3,16 g ha fornito i
seguenti dati ponderali assoluti: 2,46 g di carbonio; 0,373 g di
idrogeno e 0,329 g di ossigeno.
Determinare la percentuale in massa di C, H, e O e la formula
empirica dell’eucaliptolo sapendo che le masse molari di C, H e O
sono, rispettivamente, 12,011; 1,0079 e 15,9994 g/mol.
Problemi di Stechiometria
Una delle rocce più comuni sulla Terra è il feldspato.
Un tipo di feldspato ha formula CaAl2Si2O8.
Quanti grammi di alluminio si possono ottenere da 1276 kg di
questa roccia?
Problemi di Stechiometria
Il ferro reagisce con l'ossigeno formando tre composti: FeO,
Fe2O3, e Fe3O4.
Uno di questi composti, conosciuto come magnetite, è costituito
dal 72,36% di Fe e 27,64% di O in massa.
Qual è la formula della magnetite?
(masse atomiche: Fe = 55,85; O = 15,9994 g/mol).