Significato delle formule chimiche La formula di un composto indica il rapporto minimo tra gli atomi nel composto. Il Peso atomico (relativo) di un atomo è il rapporto tra la massa dell’atomo e la dodicesima parte della massa del nuclide 12C. Il Peso molecolare relativo è dato dalla somma dei pesi atomici relativi a tutti gli atomi che compongono la molecola. La massa molare è il peso in grammi di una mole di qualsiasi specie, atomica, molecolare, ione o ionica C. Pettinari Stechiometria

Unità di massa atomica L’elemento carbonio si trova in natura in forma stabile con due isotopi, il 12C e il 13C. L’isotopo con numero di massa 12, è anche il più abbondante (98,89%). Dividendo per 12 la massa di un atomo di questo isotopo troviamo la massa che ha un nucleone quando è legato ad altri nucleoni. Per convenzione è stata scelta questa massa come unità di misura delle masse atomiche e la si è chiamata unità di massa atomica, indicata col simbolo u. In grammi una unità di massa atomica corrisponde a un valore estremamente piccolo: 1 u = 1,66 · 10–24 g. L’unità di massa atomica è l’unità di misura delle masse atomiche ed è la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio 12C.

Il peso atomico Il peso atomico di un elemento è il peso medio di un atomo dell’elemento. Il peso atomico dipende dalle percentuali con cui i vari isotopi dell’elemento sono presenti in natura e dalla loro massa. MASSA ATOMICA RELATIVA O PESO ATOMICO RELATIVO: è data dal rapporto tra massa atomica assoluta e unità di massa atomica u.m.a. (per convenzione, u.m.a.= 1/12 della massa atomica di 12C cioè del carbonio con A =12).

Peso Molecolare Il peso molecolare di un composto è uguale alla somma dei pesi atomici degli atomi che lo formano. Si chiama peso molecolare di un composto (P.M.) o Peso Formula il valore che indica quante unità di massa atomica pesa in media una molecola del composto.

La massa molare La massa molare di una sostanza è la massa in grammi di una mole di quella sostanza.

Grammoatomo, grammomolecola e numero di Avogadro. Il grammoatomo è una quantità in grammi uguale al peso atomico (relativo). La “mole” è una quantità di sostanza in grammi pari al peso molecolare relativo. Il numero di singoli atomi presenti in una quantità pari rispettivamente al grammoatomo o alla mole è costante e vale 6,022 × 1023 = N = numero di Avogadro. C. Pettinari Stechiometria

Composizione percentuale in peso Se di un composto sono noti la formula ed i pesi atomici degli atomi che lo costituiscono è possibile calcolarne la composizione percentuale in peso (ad esempio i grammi presenti in 100 grammi del composto stesso). Calcolare la composizione percentuale in peso di H3PO4. I Pesi atomici di H, P e O sono rispettivamente 1, 31 e 16. Perciò il peso molecolare dell’acido è 3 × 1 + 31 + 4 × 16 = 98 In 98 g di H3PO4, 3 g sono di H, 31 g di P e 64 g di O. Impostando le proporzioni: 3 : 98 = x : 100 31 : 98 = y : 100 64 : 98 = z : 100 x = 3,061% di H y = 31,63% di P z = 65,3% di O C. Pettinari Stechiometria

Significato delle formule chimiche Determinare quanti grammi di zolfo sono contenuti in 225 grammi di H2S2O8 acido perossodisolforico Calcoliamo il peso molecolare di H2S2O8: P.M. = 2 × 1 + 2 × 32 + 8 × 16 = 194 La sua massa molare sarà di 194 g/mol In 194 grammi del composto sono contenuti 2 × 32 = 64 grammi di zolfo, quindi dalla proporzione otteniamo 64 : 194 = x : 225 → x = 74.22 grammi C. Pettinari Stechiometria

Composizione percentuale dei composti La formula di un composto indica il numero minimo di atomi di ogni elemento presente in una unità di quel composto. L’elenco delle masse percentuali di tutti gli elementi in un composto è definito composizione percentuale in massa del composto. n x massa atomica dell’elemento Massa percentuale di un elemento x 100% = Massa molecolare o peso formula di un composto n = numero di atomi dell’elemento in una molecola o in una unità di formula

Calcolo della Formula Minima La formula minima di un composto rappresenta il rapporto numerico tra gli atomi che sono presenti nella molecola. La formula molecolare indica il numero reale di atomi, distinti nelle varie specie, presenti nella molecola. L’analisi chimica fornisce in genere la percentuale in peso dei vari elementi che costituiscono il composto. La determinazione del Peso molecolare fornirà il peso reale della molecola di un composto e quindi consentirà di individuare la formula molecolare, uguale o multipla della formula minima. C. Pettinari Stechiometria

Determinazione della formula minima Ca = 36,1 % Cl = 63,9 % CaxCly CaCl2

Calcolo della Formula Minima Un composto costituito da cloro e cromo presenta all’analisi la seguente composizione in peso % : Cr: 32,81 %, Cl: 67,19%. Calcolare la formula minima Si indichi la formula come CrxCly; si devono determinare i due indici incogniti x e y. Dividendo i valori percentuali di cromo e cloro per i rispettivi pesi atomici si ottengono i grammoatomi di cloro e cromo presenti in 100 grammi di composto: 32,81/52 = 0,63 moli di Cr; 67,19/35,5 = 1,89 moli di Cl Per 100 g di composto la formula provvisoria è: Cr0,63Cl1,89 Dividendo gli indici per il più piccolo di essi si ottiene la formula minima definitiva con gli indici interi. Cr: 0,63/0,63 = x = 1, Cl: 1,89/0,63 = y = 3 → CrCl3 C. Pettinari Stechiometria

Calcolo della formula minima Calcolare la formula minima di un composto che presenta all’analisi i seguenti risultati: Na: 27,05 %, N: 16,47%, O: 56,47% NaxNyOz; per 100 grammi di composto 27,05/23 = 1.17 moli (g.atomi) di sodio 16,47/14 = 1.17 moli (g.atomi) di azoto 56,47/16 = 3.52 moli (g. atomi) di ossigeno La formula corrispondente a 100 g di composto è quindi: Na1,17N1,17O3,52 Dividendo tutti gli indici per il più piccolo per Na : 1,17/1,17 = 1; per N : 1,17/1,17 = 1; per O : 3,52/1,17 = 3 quindi la formula è NaNO3 C. Pettinari Stechiometria

Analisi per combustione Un metodo per determinare la formula minima di un composto che può essere bruciato facilmente consiste nell’analisi per combustione. Il campione viene precedentemente pesato e bruciato in corrente di ossigeno gassoso. Se il composto di partenza contiene carbonio, idrogeno e, eventualmente anche ossigeno, i prodotti di combustione saranno biossido di carbonio CO2 e vapore acqueo H2O. Tutti gli atomi di carbonio presenti nel composto producono altrettante molecole di CO2, mentre tutti gli atomi di idrogeno presenti nel composto producono un numero di molecole di acqua pari alla metà. Gli atomi di ossigeno eventualmente presenti in CO2 e in H2O provengono sia dagli eventuali atomi di ossigeno presenti nel composto, ma anche dall’ossigeno gassoso usato, la quantità di ossigeno deve essere calcolata indirettamente.

Esercizio 1)       Un campione di 0.1888 g di un idrocarburo produce 0.6260 g di CO2 e 0.1602 g di H2O dall’analisi per combustione. La massa molare di tale composto è 106 u. Per questo idrocarburo determinare : a)      La composizione percentuale b)     La formula minima c)      La formula molecolare

Soluzione Moli di CO2 = 0.6260 g / 44.009 g/mol= 0.01422 Le moli di C contenute nel composto corrispondono a quelle di CO2 ovvero 0.01422 La massa di C presente nel composto è 0.01422 mol x ( 12.011 g/mol)=0.1708 g Moli di H2O = 0.1602 g/ 18.02 g/mol= 0.008890 Moli di idrogeno presenti nel composto = 0.008890 x 2 = 0.01778 Massa di idrogeno = 0.01778 mol x 1.008 g/mol= 0.01792 g Massa totale = 0.01792 + 0.1708 = 0.1887 g % di carbonio = 0.1708 x 100/ 0.1887 = 90.5 % di idrogeno = 0.01792 x 100/ 0.1887 = 9.50

Soluzione Per rispondere al punto b) note le moli di CO2 e quelle di H2O dividiamo per il valore più piccolo al fine di ottenere il rapporto tra esse : moli H / moli C = 0.01778/ 0.01422 = 1.25 La formula è CH1.25. Al fine di ottenere numeri interi moltiplichiamo per 4 e si ha la formula minima C4H5 la cui massa molare è 53 u Per rispondere al punto c) dividiamo la massa molare del composto determinata sperimentalmente per la massa molare della formula minima : 106/53 = 2 Moltiplichiamo per 2 la formula minima per ottenere la formula molecolare: C8H10

Reazione chimica Equazioni chimiche Una reazione chimica è rappresentata da un’equazione chimica in cui le formule delle sostanze reagenti sono poste a sinistra. Una freccia le separa dalle formule dei prodotti 2Al(s) + 3Br2(g) → 2AlBr3(s) Lo stato fisico per ciascuna sostanza può essere indicato nella reazione con (s) = solido (l); = liquido; (g) = gas. Il coefficiente (numero davanti alla formula) può essere interpretato come Specie singole: 2 atomi di alluminio reagiscono con 3 molecole di bromo. Quantità molari: 2 moli di alluminio reagiscono con 3 moli di bromo *

Legge di conservazione della materia Le reazioni chimiche non producono distruzione o creazione di atomi. Perciò tutti gli atomi presenti nei reagenti devono essere presenti, nella stessa quantità, anche nei prodotti. Si può trovare il numero totale di atomi presenti per ciascun tipo, moltiplicando il coefficiente della formula in cui l’atomo si trova per il valore sottoscritto di quell’atomo nella stessa formula: 2AlBr3 = 2 atomi di Al e (3 × 2) = 6 atomi di Br Si consideri la reazione: 2Al(s) + 3Br2(g) → 2AlBr3(s) Ci sono 2 atomi di Al e 6 atomi di Br nei reagenti e 2 atomi di Al e 6 atomi di Br nei prodotti. *

Bilanciare un’equazione chimica Un’equazione chimica bilanciata ha lo stesso numero e tipo di atomi nei reagenti e nei prodotti. Bilanciare un’equazione: aggiustare il numero di atomi nei vari elementi introducendo coefficienti davanti alle varie formule I pedici nelle varie formule devono essere lasciati invariati perché essi indicano la composizione elementare dei prodotti e dei reagenti Si inizia con il bilanciare gli atomi che sono presenti in un solo reagente e/o in un solo prodotto, quindi si bilanciano gli altri atomi. *

Reazioni e rapporti quantitativi Un’equazione chimica di reazione esprime i rapporti quantitativi molari con le quali le sostanze prendono parte alle reazioni. Le quantità dei prodotti sono dette stechiometriche e possono essere calcolate con il a) Metodo molare. b) Metodo delle proporzioni. C. Pettinari Stechiometria

Metodo molare Calcolo del numero di moli di ciascun reagente e prodotto che interviene nella reazione: la quantità in grammi si calcola moltiplicando il numero di moli di ogni sostanza per il rispettivo peso molecolare. Calcolare la quantità di P2O5 che può essere preparata da 305 grammi di Ca3(PO4)2 num moli di Ca3(PO4)2 = 305 g/310.18 = 0.98 da 1 mole di fosfato ci possiamo ricavare 1 mole di P2O5 1:1 = 0,98 : x → x = 0,98 grammi di P2O5 = 0.98 x massa molare P2O5 (141.1) = 139 g C. Pettinari Stechiometria

La reazione è la seguente: 4 Na + O2 →2 Na2O Calcolare quanti grammi di ossigeno devono essere impiegati e quanti grammi di ossido di sodio si ottengono dalla reazione tra sodio metallico e ossigeno molecolare, partendo da 10 g di sodio metallico. La reazione è la seguente: 4 Na + O2 →2 Na2O Il numero di moli di sodio è: 10/massa molare Na = 0,435 moli di Na Dalla reazione si vede che 4 moli di Na reagiscono con 1 mole di O2 per dare 2 moli di Na2O. Avremo perciò: nO2 = (1/4)nNa = 0,435/4 = 0,1087 moli di O2 che corrispondono a: 0,1087 × O2 = 3,48 g di O2. Avremo perciò: nNa2O = (1/2)nNa = 0,435/2 = 0,217 moli di Na2O che corrispondono a: 0,217 × Na2O = 13,47 g di Na2O. C. Pettinari Stechiometria

Metodo delle proporzioni Il metodo consiste nel trasformare i rapporti molari dell’equazione di reazione in rapporti ponderali e nel riportarsi alle condizioni reali attraverso proporzioni. Calcolare quanti grammi di ossigeno devono essere impiegati e quanti grammi di ossido di sodio si ottengono dalla reazione tra sodio metallico e ossigeno molecolare, partendo da 10 g di sodio metallico. 4 Na + O2 →2 Na2O Il che significa che ponendo a reagire 4 × Na = 92 g di Na con 1 × O2 = 32 g di O2, si otterrebbero 2 × Na2O = 124 g di Na2O. Partendo da 10 g di Na le quantità relative di O2 e Na2O saranno: 92 : 32 = 10 : x x = 3,48 g di O2 92: 124 = 10: y y = 13,47 g di Na2O C. Pettinari Stechiometria

Masse e reazioni chimiche I coefficienti nell’equazione bilanciata possono essere interpretati come numero di composti coinvolti o come ammontare in moli degli stessi composti. Il fattore stechiometrico correla l’ammontare in moli di ogni coppia di sostanze attraverso i loro coefficienti nell’equazione bilanciata: Il fattore stechiometrico usato in combinazione con la massa molare mette in relazione le masse in grammi di ogni coppia di sostanze nella reazione. *

Fattore stechiometrico Convertire la massa di un composto in unità di moli usando la massa molare di quel composto. Determinare il numero di moli del secondo composto che reagiscono con il primo, usando le moli del primo composto ed il fattore stechiometrico. Convertire le moli del secondo composto in grammi usando la massa molare del secondo composto. : Massa Molare di A x Massa Molare di B C. Pettinari Stechiometria

REAZIONI NELLE QUALI UN REAGENTE E’ PRESENTE IN QUANTITA’ LIMITATA LA QUANTITA’ DI CARNE E’ IL REAGENTE IN DIFETTO, O “REAGENTE LIMITANTE” C. Pettinari Stechiometria

Reazioni controllate dalla quantità di uno dei reagenti Se il rapporto tra le quantità molari dei reagenti in una miscela di reazione è uguale al rapporto dei loro coefficienti nell’equazione bilanciata, tutti i reagenti vengono totalmente consumati; non è uguale al rapporto dei loro coefficienti nell’equazione bilanciata, solo una sostanza verrà completamente consumata; Il reagente limitante “limita” il decorrere della reazione. Gli altri reagenti presenti in eccesso, rimarranno parzialmente nel recipiente della reazione quando essa si fermerà. *

Reagente limitante Per determinare se la quantità di prodotti che si può formare in una reazione è limitata dalla massa di uno dei reagenti: Determinare la quantità in moli di ciascuno dei reagenti presenti nella miscela. Dividere l’ammontare in moli di ciascuno dei reagenti per l’ammontare in moli del reagente presente nella quantità più piccola. Confrontare con il fattore stechiometrico per i due reagenti; se il risultato di 2. è lo stesso: nessun reagente è limitante più piccolo: il reagente nel numeratore del fattore stechiometrico è quello limitante. più grande: il reagente nel denominatore del fattore stechiometrico è quello limitante. L’ammontare in moli del reagente limitante determina: La quantità in moli di prodotto formato. La quantità in moli del reagente in eccesso che viene consumata *

RESA PERCENTUALE (16/20)X100% = 80% Resa percentuale = quantità realmente prodotta x 100% quantità teorica prevista SE PARTIAMO DA 20 CHICCHI DI GRANTURCO E SOLO 16 DI ESSI SCOPPIANO, LA RESA PERCENTUALE DI POP-CORN E’: (16/20)X100% = 80% C. Pettinari Stechiometria

Resa percentuale La quantità massima di prodotto (in moli) che si può formare da un dato ammontare (in moli) di reagenti si può calcolare usando il fattore stechiometrico nell’equazione bilanciata. Questa quantità calcolata viene chiamata resa teorica. La resa reale di un prodotto isolato quando la reazione viene eseguita, è in genere più bassa della resa teorica. In genere si riportano i risultati sperimentali dando la resa percentuale calcolata alla seguente maniera: *

Purezza e resa Molto spesso le sostanze reagenti non sono allo stato puro. La purezza viene espressa in percentuale peso (ad esempio acido solforico al 60% sta ad indicare che in 100 g di sostanza solo 60 sono effettivamente H2SO4. Se in un reazione occorressero 0,5 moli di H2SO4 (49 g), la quantità di acido da impiegare sarebbe: 60 : 100 = 49 : x → x = 49/0,6 = 81,66 g. Si definisce resa o rendimento di una reazione il rapporto tra le quantità effettivamente ottenute e quelle calcolate (la quantità di prodotto ottenuta è spesso inferiore a quella calcolata teoricamente). C. Pettinari Stechiometria

Calcolare la quantità di CO2 che si ottiene per la combustione di 6 g di carbonio con un eccesso di ossigeno se la resa per la reazione C + O2 → CO2 è del 95%. Dai coefficienti stechiometrici si ha che da 1 mole di C si ottiene una mole di CO2. Se la resa fosse del 100%, da 6/C = 0,5 moli di C si otterrebbero 0,5 moli di CO2 pari a: 0,5 × CO2 = 0,5 × 44 = 22 g I grammi di CO2 si ottengono dal prodotto di tale quantità teorica per la resa: 22 × (95/100) = 22 × 0,95 = 20,9 g C. Pettinari Stechiometria