Lezioni 11-12 - Minerva.unito

T.A.R.M. 2009
www.minerva.unito.it
Luigi Cerruti
Lezioni di chimica
11 -12
La definizione di mole
La mole è la quantità di sostanza di un sistema
che contiene tante entità elementari quanti sono
gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12.
Le entità elementari devono essere specificate e
possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni,
ecc, ovvero gruppi specificati di tali particelle.
Si tenga conto che raggruppamenti atomici
importantissimi come l'idrossile OH, il carbossile
COOH, il solfonile SO3 non sono né atomi, né
molecole né ioni.
La rete di reazioni che collega le sostanze
semplici e composte
C + O2 → CO2
(1)
H 2 + ½ O2 → H 2 O
(2)
C + ½ O2 → CO
(3)
C + H2O → CO + H2
(4)
CO + 2 H2 → CH3OH (5)
Il rapporto fra quantità di sostanza in moli e massa in grammi
Convertire 1,5 mol di
ossigeno atomico in g
m.a.r. (O) 16; massa
molare (O) 16 g mol-1
1,5 mol • 16 g mol-1
= 24 g
Convertire 2,5 mol di
ossigeno molecolare in
g
m.m.r. (O2) 32; massa
molare (O2) 32 g mol-1
2,5 mol • 32 g mol-1
= 80 g
Convertire 2,5 mol di
cloruro di sodio (NaCl)
in g
peso formula NaCl =
22,99 + 35,45 = 58,44
massa molare NaCl
58,44 g mol-1
2,5 mol • 58,44 g mol-1
= 146,1 g
Convertire 10 g di
ammoniaca (NH3) in
moli
m.m.r. (NH3) 17
10 g /17 g mol-1 = 0,59
massa molare 17 g mol- mol
1
La reazione chimica
• Si ha una reazione chimica quando una o più sostanze si
trasformano in una o più sostanze diverse
• Si presentano casi diversi
– Una sostanza si trasforma in un'altra sostanza: A → B
– Una sostanza si trasforma in più sostanze: A → B + C
– Più sostanze si trasformano in una sostanza: A + B → C
– Più sostanze si trasformano in altre sostanza: A + B → C + D
• Le sostanze a sinistra del segno di reazione ( → ) sono dette
reagenti, le sostanze a destra non dette prodotti
reagenti → prodotti
Come descriviamo una reazione chimica
• Descriveremo una reazione generica con la scrittura:
aA + bB + … → cC + dD + …
Questa scrittura è detta equazione chimica
• Con A, B, C, D … indichiamo le formule delle sostanze che
partecipano alla reazione
– Le formule possono essere molecolari (H2O, OH-, C2H6) oppure indicanti
semplicemente la composizione della sostanza (NaCl)
– Le formule rappresentano:
• le masse molari delle sostanze (livello macroscopico)
• la composizione atomica delle sostanze e le cariche delle entità microscopiche
• I coefficienti a, b, c, d … indicano i rapporti quantitativi fra le
sostanze che reagiscono; essi sono detti
coefficienti stechiometrici
Bilanciamento di una reazione
(di una equazione chimica)
• Una equazione bilanciata esprime l'uguaglianza
numerica fra gli atomi dei reagenti e gli atomi dei
prodotti, nonché la conservazione delle cariche
– Equazione non bilanciata:
N2 + H2 → NH3
– Equazione bilanciata:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
• Una equazione bilanciata esprime i rapporti
quantitativi fra le moli delle sostanze che partecipano
alla reazione
Bilanciamento di una reazione
(una procedura opportuna)
• Dovendo bilanciare una reazione si può seguire una
successione di controlli e aggiustamenti:
– bilanciare i coefficienti dei metalli
–
–
–
–
bilanciare i coefficienti dei metalloidi e dei semimetalli
bilanciare i coefficienti dell'idrogeno
bilanciare i coefficienti dell'ossigeno
eseguire un controllo finale
• E' assolutamente necessario che siano conservati il
numero di atomi e la carica netta
La reazione chimica e la conservazione dei nuclei
e degli elettroni
• Durante una reazione chimica non vengono alterati i
nuclei degli atomi e non cambia il numero di elettroni
presenti
• Si conserva quindi il numero di atomi presenti per
ciascun elemento, mentre può variare la loro carica
attraverso il trasferimento di elettroni da una entità
microscopica ad un'altra:
2Fe2+ (aq) + Cl2 (g) → 2Fe3+ (aq) + 2Cl- (aq)
– Si noti che in questa equazione sono indicate solo le entità che
partecipano alla reazione. Sono presenti altri ioni 'spettatori',
ad. es Cl- (aq) che bilanciano le cariche di Fe2+ (aq)
– L'aumento di cariche sugli ioni ferrosi che diventano ferrici è
compensato dalla formazione di ioni Cl- (aq)
La reazione chimica e la conservazione della
massa
• La conservazione della massa durante le reazioni
chimiche è una legge proposta da Lavoisier nel 1789
• L'equivalenza Einsteniana fra massa ed energia non
altera la validità di questa legge
• Si consideri una reazione esotemica in cui il sistema
perde - 400 kJ di energia sotto forma di calore; questa
energia corrisponderebbe alla 'perdita di massa' di circa
5 • 10-9 g, massa a sua volta corrispondente a quella di
circa 1014 atomi di idrogeno
• Dal sistema non 'scompare' affatto massa, ma si ha solo
perdita di energia e conservazione della massa
Conservazione della massa e dell'energia
in chimica e in fisica
• In fisica massa ed energia obbediscono ad un'unica legge di
conservazione, E = mc2, in chimica utilizziamo due leggi di
conservazione: la legge di Lavoisier e il primo principio della
termodinamica
• Consideriamo la reazione nucleare
238U → 234Th + 4He + 6,7 • 10-13 J
• Malgrado si conservi la somma dei numeri di massa, la massa
dei nuclei non è conservata. La perdita di 0,0045 u nel singolo
evento nucleare porta alla comparsa di energia pari a 6,7 • 10-13 J
• Se consideriamo una mole di 238U, il decadimento dell'intera mole
sviluppa 6,7 • 10-13 J x 6,02 • 1023 mol-1= 40 • 1010 J mol-1
– In una reazione chimica sono coinvolte energie dell'ordine di 400 kJ
mol-1,
– in una reazione nucleare le energie sono dell'ordine di 400•106 kJ
mol-1
La reazione A → B
• In una reazione del tipo
A→B
le sostanze A e B hanno la stessa composizione
elementare, ma una struttura diversa
Un esempio classico:
isocianato di ammonio → urea
NH4CNO → CO(NH2)2
• Queste reazioni sono dette di isomerizzazione
La reazione A → B + C
• Quando una sostanza si trasforma in più
sostanze:
A→B+C
La reazione è detta di decomposizione
• Molte reazioni di decomposizione sono
esplosive:
2KClO3 (s) → 2KCl (s) + 3O2 (g)
La reazione A + B → C
• Quando più sostanze si trasformano in una sostanza:
A +B→C
La reazione è detta di sintesi
La seguente reazione rappresenta la sintesi del metanolo
CO + 2H2 → CH3OH
Si parla propriamente di sintesi quando da sostanze più
semplici si ottiene una sostanza più complessa:
2NH3 + CO2 → CO(NH2)2
Le reazioni A + B → C + D
• Consideriamo la reazione generica:
A +B→C+D
• Alcune reazioni di questo tipo hanno un nome specifico
• Reazione di spostamento, in cui un elemento 'sposta' un
altro elemento da un composto:
Zn (s) + 2HCl (aq) → ZnCl2 (aq) + H2 (g) ↑
la freccia ↑ indica che nel sistema si sviluppa un gas
• Del tutto analoga è la reazione di sostituzione:
Cl2 (g) + CH4 (g) → CH2Cl2 (g) + H2 (g)
Le reazioni A + B → C + D
• Fra le reazioni che avvengono in soluzione
sono molto importanti le reazioni di doppio
scambio, con una diversa 'unione' fra ioni:
AgNO3 (aq) + NaCl (aq) → AgCl (s) ↓ +
NaNO3 (aq)
la freccia ↓ indica che nel sistema si produce un
'precipitato' solido
• Si considera insolubile una sostanza quando la
quantità massima che si può sciogliere è minore di 10-2
mol L-1
Equazione ionica netta
• La reazione fra nitrato di argento e cloruro di sodio
può essere descritta con l'equazione ionica netta:
Ag+ (aq) + Cl- (aq) → AgCl (s) ↓
qui compaiono solo le specie che effettivamente
partecipano alla reazione
Reazioni di precipitazione e regole
di solubilità
• Alcune semplici regole ci permettono di prevedere
buona parte delle reazioni di precipitazione
• Composti solubili
–
–
–
–
Composti dei metalli alcalini e dell'ammonio (NH4+)
Nitrati
Cloruri, bromuri, ioduri (eccetto con Pb2+, Ag+, Hg22+)
Solfati (eccetto con Sr2+, Ba2+, Pb2+, Hg22+)
• Composti insolubili
– Carbonati, idrossidi, solfuri
• Eccetto con i metalli alcalini
• Idrossidi e solfuri di Ca2+, Sr2+, Ba2+ sono moderatamente solubili
Acidi e basi
• Acido: una sostanza in grado di fornire H+ (aq)
(E' una definizione provvisoria)
HCl (g) + (aq) → H+ (aq) + Cl- (aq)
• Base: una sostanza in grado di fornire OH- (aq)
(E' una definizione provvisoria)
NaOH (s) + (aq) → Na+ (aq) + OH- (aq)
Reazioni acido-base
• Le reazioni acido-base seguono il modello
A+B →C
Infatti, in soluzione acquosa avviene il processo
H+ (aq) + OH- (aq) → H2O
Questa è la reazione di neutralizzazione