La stechiometria indica in che rapporti due o più sostanze reagiscono tra di loro.
La conoscenza dei rapporti viene dai calcoli stechiometrici.
Es. Calcoli stechiometrici per la produzione dell’acqua a partire da idrogeno ed ossigeno:
| reazione chimica | 2H2 | + | O2 | = | 2 H2O |
| massa atomica | 1,008 | 16 | |||
| masse molecolari | 2 | 32 | 34 |
L’uso della mole
Il passaggio dalla formula chimica con atomi e molecole alla materia espressa in grammi o kg abbisogna del concetto di Mole.
Continuiamo con l’esempio precedente:
| reazione chimica | 2H2 | + | O2 | = | 2 H2O |
| massa atomica | 1,008 | 16 | |||
| masse molecolari | 2 | 32 | 34 | ||
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| masse dei reagenti e dei prodotti | 4 | 32 | 36 | ||
| massa di una mole prodotta | 18 |
Con il concetto di Mole possiamo prevedere quanti grammi di sostanze dobbiamo utilizzare per ottenere un certo quantitativo di prodotto finale.
Reagente limitante ed eccedente
Se uno dei due reagenti è in quantità insufficiente, rispetto a quello previsto dalla stechiometria, questo è un reagente limitante, mentre l’altro è un reagente in eccesso.
Es. di reazione chimica dell’acqua
Es ho 6 grammi di H2 e 32 grammi di O2, quanta acqua produco ? Qual’è l’elemento limitante e quello in eccesso?
Prima calcolo il peso di ogni mole: H2 pesa 2 grammi, O2 pesa 32 grammi, H2O pesa 18,016
| 2H2 | + | O2 | = | H2O | |
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| grammi a disposizione | 6 | + | 32 | ||
| masse molecolari | 2 | + | 32 | ||
| moli presenti | 3 | + | 1 | 2 | |
| moli eccedenti (presenti-reazione) | 1 | 0 |
2 moli d’acqua x massa molare dell’acqua = 2 x 18 gr = 36 grammi d’acqua prodotta
1 mole di H2 eccedente = 1 x 2 = 2 grammi di idrogeno eccedente
Resa chimica
Nelle reazioni chimiche spesso non tutti i reagenti si trasformano in prodotto, come nel caso sopra dove sono avanzati 2 grammi di idrogeno. La quantità trasformata in prodotto sulla quantità dei reagenti, è la resa chimica.
Nel caso sopra ho 36 grammi di prodotto e 38 grammi di reagenti, la resa chimica è del 94,7% (36/38).
Es. di reazione chimica dell’ossido di calcio
L’ossido di Calcio è composto da Ca e O, determiniamo la formula chimica.
L’ossigeno è più elettronegativo del calcio: 3,44 >> 1.
Il calcio appartiene al secondo gruppo per cui cede due elettroni, infatti il calcio ha numero di ossidazione + 2.
Gli elettroni dal calcio si sposteranno sull’ossigeno, che infatti ha numero di ossidazione – 2.
Invertendo i numeri di ossidazione otteniamo Ca2O2, semplificando otteniamo CaO: l’ossido di calcio.
La reazione chimica sarà: 2Ca + O2 = 2CaO
| Ca | + | O2 | = | H2O | |
| massa atomica | 20 | 16 | |||
| masse molecolari | 20 | + | 32 | = | 52 |
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| massa di una molecola prodotta | 26 |
Problema dell’ossido di calcio
Abbiamo a disposizione i seguenti reagenti: 20 g di Ca e 10 g di O2
quanto ossido di calcio otterremo?
| Ca | + | O2 | = | CaO | |
| moli della reazione | 2 | + | 1 | = | 2 moli |
| masse molecolari | 40 | 32 | |||
| masse molecolari di reazione | 80 | + | 32 | 112 gr/m | |
| grammi a disposizione | 20 | + | 10 | ||
| moli di prodotto producibili | 0,25 | 0,312 | |||
| moli prodotte (si prende il limitante) | 0,25 |
Ossido di calcio prodotto 0,25 moli x 112 gr = 28 grammi
Ossigeno eccedente 0,312 – 0,25 = 0,062 x 36 = 2 grammi
La resa chimica è del 93,3% (28/30).
Es. con la legge universale dei gas
Calcola quanto zinco è necessario nella reazione con l’ac.cloridrico ?
Lo Zn è + 2 e il Cl -1.
La reazione chimica: Zn + 2HCl > ZnCl2 + H2
La reazione avviene a 25°C a 1 atm, Zn e HCl reagiscono, liberando 1000 litri di H2.
Il primo passo è calcolare le moli di idrogeno contenute in 1.000 litri a 25°C a 1 atm ?
L’idrogeno molecolare H2 è un gas, perciò dobbiamo usare l’Equazione di stato dei gas, che considera pressione e temperatura:
sappiamo che una mole di gas a 0°C a 1 atm è contenuta in 22,4 litri,
se la temperatura fosse di 0°C e la pressione di 1 atm basterebbe dividere 1000/ 22,4 = 44.64285714 moli, ma sappiamo che la temperatura è più alta, quindi le moli sono meno del numero calcolato,
perciò trasformo tutto in gradi kelvin e trovo il rapporto tra la temperatura dell’esperimento e la temperatura a 0°C: 298,15/273,15 = 1,0915
ora posso dividere il volume a 0°C con il rapporto della temperatura appena calcolato
44,64/ 1,0915 = 40,9 moli di H2 in un recipiente di 1.000 litri a 25°C a 1 atm
Il problema ci chiede quanto zinco è necessario, sappiamo che il rapporto moli di Zn e moli di H2 è 1 a 1, quindi ci vogliono anche 40,9 moli di Zinco
40,9 moli di Zinco x 65,37 grammi/mole = 2.673,6 grammi di Zn.
Un secondo aspetto da considerare è l’aspetto energetico delle reazioni: Calore di reazione e sistemi.