Reazioni chimiche e
stechiometria
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
Reagente
Prodotto
Coefficiente stechiometrico
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
L'equazione precedente diventa così:
2Na(s) + Cl2(g) → 2 NaCl(s)
Generica equazione chimica:
a A + b B
l L + m 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
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.)
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
Le reazioni chimiche possono essere divise in due classi:
a) reazioni che avvengono senza trasferimento di elettroni (reazioni di scambio,
reazioni di neutralizzazione, reazioni di dissociazione)
Ba2+(aq) + 2 Cl –(aq) + 2 Ag+(aq) + 2 NO3–(aq) → 2 AgCl(s) + Ba2+(aq) + 2 NO3–(aq)
Considerando che il solido AgCl è un solido ionico, formato da ioni Ag+ e Cl–, si può
osservare che durante la reazione nessuno degli ioni cambia la propria struttura
elettronica.
b) reazioni che avvengono con trasferimento di elettroni (reazioni di ossido-riduzione
o redox)
Cu2+(aq) + SO42 –(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn2+(aq) + SO42 – (aq)
Si può osservare che alcune specie cambiano la propria struttura elettronica: l’atomo
di Zn da neutro si trasforma in ione Zn2+; lo ione Cu2+ si trasforma in atomo neutro
Cu. Tali trasformazioni comportano necessariamente uno scambio di elettroni:
Zn → Zn2+ + 2 e–
Cu2+ + 2 e – → Cu
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
-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.
2 atomi N
4 atomi O
→
→
2 atomi N
4 atomi O
OK!
Un’equazione chimica va bilanciata scegliendo opportunamente i coefficienti
stechiometrici
C3H8 + O2
→ CO2 + H2O
non bilanciata
Procedimento per tentativi
atomi di C
1 C3 H 8 + O 2
→3
CO2 + H2O
atomi di H
1 C3 H 8 + O 2
→3
CO2 + 4 H2O
atomi di O
1 C3H8 + 5 O2
C3H8 + 5 O2
→3 CO2
→3 CO2 + 4
+ 4 H2O
H2O
bilanciata
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
K2SO4 + Ba(OH)2 → BaSO4 + KOH
K2SO4 + Ba(OH)2 → BaSO4 + 2KOH
Na2CO3 + HCl → NaCl + CO2 + H2O
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O
NaOH + H2SO4 →Na2SO4 + H2O
2NaOH + H2SO4 →Na2SO4 + 2H2O
Fe3+ + NH3 + H2O → NH4+ + Fe(OH)3
Fe3+ + 3NH3 + 3H2O → 3NH4+ + Fe(OH)3
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
N2(g)
1 molecola N2
+
3 H2(g)
→
3 molecole H2
100 molecole N2 3×100 molecole H2
NA molecole N2
3×NA molecole H2
1 mole N2
3 moli H2
28,0 g N2
3 x 2,02 g H2
2 NH3 (g)
2 molecole NH3
2×100 molecole NH3
2×NA molecole NH3
2 moli NH3
2 x 17 g NH3
Si noti che una mole è un numero fisso (6,022 x 1023) di molecole
N.B.: Sono possibili anche coefficienti stechiometrici frazionari,
in questo caso però:
1/2 N2(g)
+
1/2 mole N2
3/2 H2(g)
3/2 moli H2
28,0/2 g N2
NH3 (g)
→
1 mole NH3
3/2 x 2,02 g H2
17 g NH3
3/2 molecole H2
1 molecola NH3
Ma non
1/2 molecola N2
Rendimento di una reazione chimica
a A + b B
l L + m M
Rendimento di una reazione chimica
(del prodotto L rispetto al reagente A)
!=
n L,f
n L - n L,o a
# #100
" #100 =
nL
n A,o
l
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:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
Quante moli di H2 reagiscono con 3 moli di N2 e quante moli
di NH3 si formano?
______________________
1 mol N2 : 3 mol H2 = 3 mol N2 : x mol H2
x = 9 mol H2
1 mol N2 : 2 mol NH3 = 3 mol N2 : x mol NH3
x = 6 mol NH3
Nota la quantità di un prodotto, determinare la
quantità di reagente necessaria per ottenerlo
La reazione di formazione dell’ammoniaca è la seguente:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
Quante molecole di H2 e N2 hanno reagito se si formano 4
molecole di NH3?
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 H2
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 → CaCl2 + 2 H2 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
Nota la quantità di prodotto determinare la quantità di
reagente necessaria per ottenerla
Es: Per decomposizione termica il KClO3 produce ossigeno secondo la reazione:
2 KClO3
2 KCl + 3 O2
Calcolare la quantità di KClO3 necessaria per ottenere 70 g di O2.
n O2 = m O2 /M O2 = 70 (g) / 31,999 (g/mol) = 2,19 mol
2 moli KClO3 : 3 moli O2 = x moli KClO3 : 2,19 moli O2
da cui:
n KClO3 = (2,19 · 2)/3 = 1,46 mol
m KClO3 = n KClO3 · M KClO3 = 1,46 (mol) · 122,55 (g/mol) = 179 g
Note le quantità di un reagente determinare la quantità di
prodotto che si ottiene considerando il secondo reagente in
eccesso.
Es: Calcolare quanti g di Al2(SO4)3 si ottengono da 300 g di Al(OH)3 secondo la
reazione:
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4
Al2(SO4)3 + 6 H2 O
n Al(OH)3 = m Al(OH)3 /M Al(OH)3 = 300 (g) / 78,003 (g/mol) = 3,85 mol
Si imposta la relazione:
2 moli Al(OH)3 : 1 mole Al2(SO4)3 = 3,85 moli Al(OH)3 : x moli Al2(SO4)3
n Al2 (SO4)3 = 3,85 /2 = 1,925 mol
m Al2(SO4)3= n Al2(SO4)3 · M Al2(SO4)3 = 1,925 (mol) · 342,14 (g/mol) = 658,6 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
CaCO3 → CaO + CO2
Sapendo che riscaldando 300 g di CaCO3 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
CaCO3 : CaO = 1 : 1
n* CaO = 3 mol (quantità teorica di CaO che si formerebbe da 3.0 mol
di CaCO3)
ηCaO/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 (FeS2) con 220 litri di ossigeno, a 25 °C e 1 atm.
Reazione di combustione pirite: 2FeS2 +11/2O2 → Fe2O3 + 4SO2
Peso formula pirite: 119.97
2) Rendimento nel caso si formino solo 4.00 moli di SO2
_________________________
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
FeS2 : O2 = 2 : 11/2 = 7.085 mol: n’O2
n’O2= 7.085 mol*(11/2) / 2 = 19.48 mol
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
O2 : SO2 = 11/2 : 4 = 8.992 : nSO2
nSO2= 8.992 mol*4 / (11/2) = 6.540 mol
VSO2 = nSO2RT/P = 6.540 mol*0.08206 l·atm·mol-1·K-1*298.15 K / 1 atm
= 160.0 l
ηSO2/O2 = (n SO2 / n* SO2) · 100 = (4.00 mol/6.540 mol) · 100 = 61.2%
ES 1. Scrivere e bilanciare la reazione di combustione del pentano liquido (C5H12) con
ossigeno, i cui prodotti sono diossido di carbonio e acqua liquida (indicando correttamente
gli stati di aggregazione di reagenti e prodotti). Calcolare quindi la massa in grammi di
diossido di carbonio che si produce dalla combustione di 2.50 l di pentano. (densità a 20°C:
0.626 g/ml)
[1, 8, 5, 6; 4.77 103 g]
ES 2. Bilanciare la seguente reazione assegnando gli opportuni coefficienti stechiometrici:
FeCr2O4(s) + C(s) → Fe(s) + Cr(s) + CO(g)
Calcolare quindi la massa (in grammi) di carbonio necessaria per fare reagire completamente
1.45 kg di FeCr2 O4.
[1, 4, 1, 2, 4; 311g ]
ES 3. Bilanciare la seguente reazione assegnando gli opportuni coefficienti stechiometrici:
NH3(g) + O2(g) → NO(g) + H2 O(g)
Calcolare quindi la massa (in grammi) di ammoniaca che può essere trasformata
completamente da 98.0 g di ossigeno.
[4, 5, 4, 6; 41.73 g]
