REAZIONI CHIMICHE E STECHIOMETRIA

REAZIONI CHIMICHE E STECHIOMETRIA

01. Le reazioni chimiche

02. Come bilanciare una reazione

Index

03. Tipi di reazioni chimiche

04. I calcoli stechiometrici

05. Il reagente limitante

06. La resa di reazione

07. Esercizi

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LE REAZIONI CHIMICHE

Una reazione chimica è la trasformazione di una o più sostanze, chiamate reagenti, in altre, chiamate prodotti, dovuta alla scissione di legami esistenti nei reagenti e alla formazione di nuovi legami nei prodotti.

Conoscendo simboli e formule delle sostanze coinvolte in una reazione chimica e riportando le formule dei reagenti a sinistra della freccia di reazione e a destra quelle dei prodotti, si ottiene una rappresentazione della reazione chiamata schema di reazione

CH4 + O2 → CO2 + H2O

Schema di reazione della combustione del metano

REAGENTI → PRODOTTI

Nello schema di reazione, utilizzando opportuni simboli è possibile indicare:

• gli stati fisici dei reagenti e dei prodotti
• le condizioni in cui si svolge la reazione
• se la reazione avviene con formazione di un precipitato o con sviluppo di gas
• se la reazione procede fino ad esaurimenti dei reagenti oppure no

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COME BILANCIARE UNA REAZIONE CHIMICA

In una qualsiasi reazione chimica, il numero complessivo di atomi in una reazione chimica non deve cambiare passando dai reagenti ai prodotti

Lo schema di reazione deve essere BILANCIATO

I reagenti e i prodotti devono essere complessivamente formati dallo stesso numero e tipo di atomiI

Lavoisier, "Legge della conservazione della massa"

Reazione di combustione del metano

CH4 O2. CO2 H2O

La reazione CH4 + O2 → CO2 + H2O non è bilanciata

CH4 2O2. CO2 2H2O

La reazione CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O è bilanciata

I numeri posti davanti alle formule chimiche di O2 e H2O, che hanno permesso di bilanciare la reazione sono detti coefficienti stechiometrici

Bilanciare una reazione chimica significa individuare i coefficienti stechiometrici, ovvero i numeri da anteporre alle formule delle sostanze coinvolte affinché reagenti e prodotti siano complessivamente formarti dallo stesso numero e tipo di atomi; i numeri scelti come coefficienti stechiometrici devono essere i più piccoli possibili

Lo schema di reazione bilanciato è detto equazione chimica

I coefficienti stechiometrici di una reazione chimicaindicano sia il numero di particelle delle sostanze coinvoltesia il loro numero di moli, ovvero i rapporti quantitativi tra le particelle o le moli delle sostanze coinvolte in una reazione chimica

La reazione bilanciata CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O significa:

• " 1 molecola di CH4 reagisce con 2 molecole di O2 a dare 1 molecola di CO2 e 2 molecole di H2O"

ovvero il numero di molecole di ciascuno dei componenti della reazione è legato agli altri dal rapporto 1 : 2 : 1 : 2

Significato quantitativo microscopico

• " 1 mole di CH4 reagisce con 2 moli di O2 a dare 1 mole di CO2 e 2 moli di H2O"

Significato quantitativo macroscopico

ovvero il numero di moli di ciascuno dei componenti della reazione è legato agli altri dal rapporto 1 : 2 : 1 : 2

Per bilanciare uno schema di reazione si deve tenere presente che:

• non si possono mai modificare gli indici delle formule

• devono essere rappresentate solo le specie chimiche che effettivamente partecipano alla reazione

• il coefficiente stechiometrico 1 si omette

• i coefficienti stechiometrici devono presentare i minori valori possibili

• devono essere calcolati per primi i coefficienti stechiometrici degli atomi dei metalli e poi, nell'ordine, quelli dei non metalli, dell'idrogeno e dell'ossigeno

Un breve video per imparare a bilanciare le reazioni chimiche

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TIPI DI REAZIONI CHIMICHE

In base al tipo di processo che si verifica tra le sostanze reagenti le reazioni si distinguono in:

• reazioni di sintesi
• reazini di decomposizione
• reazioni di scambio semplice o spostamento
• reazioni di doppio scambio

REAZIONI DI SINTESI

REAZIONI DI DECOMPOSIZIONE

Nelle reazioni di sintesi due o più atomio molecole reagiscono tra loro per dareun unico composto come prodotto finale

Nelle reazioni di decomposizioneda un unico compostosi ottengono due o più composti o elementi

A + B → AB

AB → A + B

REAZIONI DI SCAMBIO SEMPLICE

REAZIONI DI DOPPIO SCAMBIO

Nelle reazioni di scambio semplice, un elemento libero sposta un altro elemento da un suo composto.

Nelle reazioni di doppio scambio, due composti si scambiano i «partner» (atomi, di ionio gruppi poliatomici)

AB + CD → AD + BC

A + BC → AC + B

Esempi esempi e osservazioni sulle reazioni di scambio semplice:

• reazioni di spostamento dell'idrogeno H2 dai suoi composti

2Na(s) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + H2(g)Ni(s) + 2HCl → NiCl2(aq) + H2(g)

• reazioni di spostamento dei metalli dalle soluzioni dei loro ioni

Zn(s) + CuSO4(aq) → Cu(s) + ZnSO4

Nota = in soluzione acquosa, i sali sono dissociati in ioni, la reazione è descritta in modo più corretto da un’equazione ionica.Nella reazione di spostamento tra Zn e CuSO4 si può scrivere:

Equazione ionica netta

oltre al bilanciamento degli atomi va controllato anche il bilanciamento delle cariche

Non prendono parte alla reazione

Affinchè una reazione di scambio semplice avvenga spontaneamente è necessario che l’elemento libero sia più reattivo di quello che deve essere «spostato» dal suo composto.

Serie di reattività di alcuni elementi: quelli in alto sono più reattivi e possono spostare uno qualsiasi degli elementi sottostanti da un suo composto

Esempi esempi e osservazioni sulle reazioni di doppi scambio:

• reazioni acido-base (reazioni di neutralizzazione)

Acidi e basi sono elettroliti che in soluzione acquosa liberano ioni H+ e ioni OH− che si aggregano a formare molecole di acqua non ionizzate.

• reazioni di doppio scambio conformazione di un prodotto poco solubile detto precipitato (reazione di precipitazione) o con sviluppo di gas

Quando si uniscono due soluzioni saline, non si assiste sempre alla formazione di un precipitato; perché ciò accada è necessario che si formi una sostanza poco solubile.

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STECHIOMETRIA

La stechiometria è lo studio delle relazioni quantitativetra le sostanze coinvolte in una reazione chimica.

L’aspetto quantitativo di una reazione può essere descritto considernado il numero di atomi, molecole e unità formula o il numero di moli dei reagenti e dei prodotti. Le informazioni quantitative fornite da un’equazione chimica si deducono dai coefficienti stechiometrici.

In generale, il procedimento da seguire nei calcoli di stechiometria si articola nelle seguenti fasi:

• scrivere e bilanciare l’equazione di reazione del processo
• costruire la tabellina delle moli
• determinare le masse molari delle sostanze coinvolte
• calcolare la quantità di sostanza in moli del reagente e/o del prodotto dati
• usare i coefficienti stechiometrici per determinare, tramite una proporzione, le quantità di sostanza in moli della sostanza richiesta
• trasformare la quantità di sostanza, n, in grammi.

Esempio. Calcola quanti grammi di CO2 si ottengono dalla combustione di 12g di CO. Calcola inoltre quanti grammi di O2 sono necessari.

• Scrivere e bilanciare la reazione

CO + O2 → CO2 (reazione non bilanciata) 2CO + O2 → 2CO2 (reazione bilanciata)

• Costruire la tabellina delle moli

Dalla stechiometria della reazione:

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IL REAGENTE LIMITANTE

Quando si affrontano i problemi di calcolo stechiometrico è essenziale controllare che i reagenti siano dati in quantità stechiometrica (secondo i rapporti definiti dai coeff.stechiometrici nell'equazione della reazione)

Se i reagenti non sono dati in quantità stechiometrica, bisogna IDENTIFICARE IL REAGENTE LIMITANTE

IL REAGENTE LIMITANTE DETERMINA L'ANDAMENTO DELLA REAZIONE

Il reagente limitante è il reagente che si esaurisce per primo durante una reazione chimica e che limita la quantità di prodotto da essa ottenibile.

Il reagente in eccesso è quello in quantità superiore rispetto alla quantità prevista dal rapporto stechiometrico e, pertanto, lo ritroverò anche alla fine della reazione

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LA RESA DI REAZIONE

La maggior parte delle reazioni chimiche non procede sino all’esaurimento di tutti i reagenti poiché esse, a un certo punto, sembrano arrestarsi. Si dice che la resa effettiva (RE) della trasformazione è inferiore alla resa teorica.

La resa teorica (RT) di un prodotto è la quantità massima di quel prodotto che può essere ottenuta da una certa massa di reagente in base alla stechiometria della reazione

Conoscendo RE ed RT, si può calcolare la RESA PERCENTUALE (RP)

La resa percentuale (RP) di un prodotto è il rapporto, in percentuale, tra la quantità di prodotto effettivamente ottenuta (RE ) e quella massima ottenibile (RT). Quando la trasformazione è incompleta, la resa percentuale è sempre inferiore al 100%.

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ESERCIZI

5. Al(OH)3 + H2CO3 → Al2(CO3)3 + H2O 6. C5H10 + O2 → CO2 + H2O 7. CaCl2 + H3PO4 → Ca(PO4)2 + HCl 8. Fe2O3 + Al → Al2O3 + Fe

Il bilanciamento delle reazioni 1. NH3 + CuO → Cu + N2 + H20 2. Zn + HCl → ZnCl2 + H2 3. KOH + H2S → K2S + H2O 4. Cl2 + O2 → Cl2O5

I calcoli stechiometrici Esercizio N.1 Quanti grammi di fosfato di zinco, Zn3(PO4)2, si formano per reazione di 10,0 g di Zn con acido fosforico secondo la reazione Zn + H3PO4 → Zn3(PO4)2 + H2? Esercizio N.2 Quanti grammi di vapore acqueo e quanti grammi di ferro devono reagire per produrre 375 g di tetraossido di triferro (Fe3O4) secondo la reazione Fe + H2O → Fe3O4 + H2?

Esercizio N.3 La produzione di ferro dai suoi minerali avviene negli altiforni. Una delle reazioni che avviene è tra il carbonio, sottoforma di coke, e l'emetite, Fe203, secondo il seguente schema di reazione: C(s) + Fe2O3(s) → Fe(s) + CO(g). Bilancia la reazione e determina i grammi di carbonio e di ossido ferrico necessari per ottenere 111,6 g di ferro. Esercizio N.4 Il silicio (Si) è preparato con la seguente reazione: SiO2(s) + 2C(s) → Si(s) + 2CO(g). Se la reazione ha inizio con 1,0 mole di SiO2 e 2,0 moli di C, calcola quali saranno le masse di tutte le sostanze a reazione completata. Esercizio N.5 Calcola i grammi di rame che ottieni dalla reazione di 6,5 g di zinco secondo la seguente reazione: CuSO4(aq) + Zn(s) → Cu(s) + ZnSO4(aq)

Il reagente limitanteEsercizio N.1 12 g di BaCl2 sono disciolti in acqua e trattati con una soluzione di H2SO4, fino a completa precipitazione di BaSO4, secondo la reazione (da bilanciare): BaCl2 + H2SO4 → BaSO4 + HCl. Quanto solfato di bario si ottiene?Esercizio N.2 Calcola la massa di Ca3(PO4)2 prodotta da 22 g di K3PO4 e 12 g di CaCl2 che reagiscono secondo la reazione da bilanciare: K3PO4 + CaCl2 → Ca3(PO4)2 + KCl Esercizio N.3 In un recipiente chiuso metti a reagire 2,0 g di bromo e 2,0 g di ferro. Dalla reazione si forma FeBr3. Qual è il reagente limitante? Quanti grammi di prodotto si ottengono?