Reazioni chimiche: bilanciamento e stechiometria con esempi pratici

REAZIONI CHIMICHE

BILANCIAMENTO

STECHIOMETRIA

REAZIONI CHIMICHE
Equazioni chimiche
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
n molti casi è utile indicare sli stati o le fasi delle sostanze ponendo
ppropriati 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)Si possono anche indicare in una equazione le condizioni in cui
avviene la reazione.
Se i reagenti sono stati riscaldati per iniziare una reazione si può
indicare con il simbolo A. Ad esempio:
2 NaNO3 (s)
D
2NaNO2(s) + O2(g)
Ci sono sostanze che agiscono come catalizzatori, sostanze che
aumentano la velocità di reazione senza subire alcun cambiamento.
In questo caso il catalizzatore si scrive sopra la freccia che indica
la reazione
2 H2O2(aq) ->
Pt
2H2O(1) + O2(g)

BILANCIAMENTO DI REAZIONI CHIMICHE

Quando in una equazione chimica i coefficienti stechiometrici sono scritti
correttamente il totale degli atomi di ogni elemento è uguale in entrambi i
nembri dell'equazione.
L'equazione chimica è allora bilanciata.
2 NO + O2 -> 2 NO2
2 atomi N
>
2 atomi N
4 atomi O
->
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 C3H8 + O2 >3 CO2 + H2O
atomi di H
1 C3H8 + O2 ->3 CO2 + 4 H2O
atomi di O
1 C3H8 + 5 02 ->3 CO2 + 4 H2O
C3H3 + 5 02 ->3 CO2 + 4 H2O
bilanciataI 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

Stechiometria

La stechiometria è il calcolo delle quantità dei reagenti e dei prodotti
implicati in una reazione chimica. Essa si basa sull'equazione chimica e
sulla relazione tra massa e moli.
Esempio
N2(g) + 3H2(g)
2NH3 (g)
Tipici problemi della stechiometria sono:

• Quanto idrogeno è necessario per produrre 100 Kg di NH3?
• Quanta NH3 si ottiene da 100 Kg di N2?

Interpretazione della reazione

Per rispondere ai problemi precedenti è utile la seguente
interpretazione della reazione
N2(g) +
3 H2(g)
2 NH3 (g)
1 molecola N2
3 molecole H2
2 molecole NH3
100 molecole N2 3x100 molecole H2
2×100 molecole NH3
NA molecole N2 3xNA molecole H2
2×NA molecole NH3
1 mole N2
3 moli H2
2 moli NH3
28,0 g N2
3 × 2,02 g H2
2 × 17 g NH3
Si noti che una mole è un numero fisso (6,022 x 1023) di
molecole (come "dozzina")

Coefficienti stechiometrici frazionari

N.B .: Sono possibili anche coefficienti stechiometrici frazionari,
in questo caso però:
1/2 N2(g)
+
3/2 H2(g)
NH3 (g)
1/2 mole N2
3/2 moli H2
1 mole NH3
28,0/2 g N2
3/2 × 2,02 g H2
17 g NH3
Ma non
1/2 molecola N2
3/2
plecole H2
1 molecola NH3

Calcolo della massa di idrogeno

Esempio
N2(g) +
3 H2(g)
>
2 NH3 (g)
Quale è la massa di idrogeno necessaria per produrre 907 Kg di
ammoniaca?

• prima di tutto si calcolano le moli di NH3
  n
  NH3
  =
  9,07 x 103 g NH
  3
  = 5,34 x 104 mol NH
  3
  17,0 g NH3/mol NH
  3
• dall'equazione chimica si deducono le moli di H2 :
  per 2 moli di NH3 ne servono 3 di H2
  nm = 5,34 x 104 mol NH
  3
  X
  3 mol H.
  2 mol NH3
  2
  = 8,01× 104 mol H2

Fattori di conversione e analisi dimensionale

N2(g) +
3 H2(g)
->
2 NH3 (g)
I coefficienti dell'equazione chimica bilanciata danno i fattori
di conversione tra le quantità chimiche consumate e prodotte.
Conviene utilizzare i rapporti:
3 mol H2
2 mol NH 3
2 mol NH
3
3 mol H2
Converte da moli di NH3 a H2
Converte da moli di H2 a NH3
Controllando l'analisi dimensionale.

• Infine si convertono la moli di H2 in grammi di H2
  massam =8,01x104 molH12 x2,02 g H2 / molH2 =1,62x105 g H2

Riepilogo del processo di conversione

Riepilogando: bisogna passare necessariamente attraverso le moli,
perché convertire direttamente tra le masse non è possibile.
NAA + ... > nBB + ...
Grammi di A
Moli di A
Moli di B
Grammi di B
gAx(
mol A
gA
mol Ax
× (mol A)
mol B x
B
iol B
Dividere per la massa molare di A
Moltiplicare per il fattore nechometrico
Moltiplicare per la maus molare di B

Calcolo dei grammi di ferro

Esempio
Data la reazione,
Fe2O3 (s) + 3 CO (g)
> 2 Fe (s) + 3 CO2 (g)
Calcolare quanti grammi di ferro si possono produrre da 1,00 Kg
di ossido di ferro (III).
Le moli di ossido di ferro (III) a disposizione sono:
nFe203 =
1,00x 103 g
159,6 g/mol
=
6,25 mol
1Kg = 103 grammi
Le moli di ferro sono dedotte dall'equazione chimica:
2 mol Fe
nFe = 6,25 mol Fe2O3
X
1 mol Fe203
= 12,5 mol Fe
Si calcolano infine i grammi di Fe:
Massa Fe = nF. x PAFe = 12,5 mol x 55,85 g/mol = 6,98x102 g

Produzione di acqua da idrogeno

Problema: Quanti grammi di acqua vengono prodotti dalla reazione
di 4,16 g di H2 con un eccesso di ossigeno, in base alla seguente
reazione?
2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(I)
Calcoliamo le moli di H2
4,16 g H2
=
= 2,06 mol H2
n
H2
2,02 g H /mol H2
Trasformiamo le moli di H2 in moli di H2O
n
H20
= 2,06 mol H2 X
2 mol H2O
2 mol H2
= 2,06 mol H2O
Calcoliamo i grammi di H2O
massa
H20
= 2,06 mol H2 Ox 18,02 g H2 O/ mol H2O =37,1g H2O