Chimica dell'edificio - Temi d'esame svolti

H H

C C

H H

H

Alcani: C H esempio: etano

n 2n+2 H H

C

H O H μ ≠

Alcoli esempio: metanolo 0

H H

H H

C C

H O H μ ≠

esempio: etanolo 0

O

C C

H H

H H

H H

Eteri esempio: dimetiletere H O

H C C

H O H

Acidi carbossilici esempio: acido acetico H O

H H

C C H

H O C H

Esteri esempio: acetato di metile

Quante moli di NO e di H O si possono teoricamente ottenere, facendo reagire 3

2

e 4,5 moli di O .

moli di NH

3 2 + → +

NH ( g ) O ( g ) NO ( g ) H O

3 2 2

Reazione bilanciata:

+ → +

4 NH ( g ) 5

O ( g ) 4 NO ( g ) 6 H O

3 2 2

i) 3,0 mol 4,5 mol / /

v) -3,0 -3,75 +3,0 +4,5

f) / 0,75 mol 3,0 mol 4,5 mol

richiederebbero solo 3,75

L’ammoniaca è il reagente limitante: 3,0 mol di NH

3

; mentre 4,5 mol di O reagiranno completamente con 3,6 mol di NH

mol di O

2 2 3

Massa atomica relativa e media (peso atomico)

La massa atomica (relativa) è il rapporto tra la massa dell’atomo considerato e 1/12 della massa del

12 12 -24

⇒

C: 1 unità di massa atomica (u. è pari a 1/12 della massa del C 1 = 1,66·10 g

m. a.) u. m. a.

12 C atomo di riferimento massa atomica = 12,0000 u.m.a.

H massa atomica = 1,0079 u.m.a.

C massa atomica = 12,0112 u.m.a. 35

Il cloro è un elemento avente la seguente composizione isotopica naturale: Cl 75,77% (m.a.=34,97

37

u.m.a.); Cl 24,23% (m.a.=36,97 u.m.a.). Calcolare la massa atomica media del cloro.

⋅ ⋅

peso atomico del cloro = (0,7577 34,97) u.m.a. + (0,2423 36,97) u.m.a. = 35,45 u.m.a.

Massa (peso) molecolare e massa (peso) formula

Data dalla somma delle masse atomiche di tutti gli elementi costituenti la molecola o l’unità

formula

Calcolare la massa (il peso) formula dell’idrossido di calcio

Ca(OH) Ca massa atomica = 40,08 u.m.a.

2 O massa atomica = 16,00 u.m.a.

H massa atomica = 1,01 u.m.a.

⇒ ⋅

1 atomo Ca 1 40,08 = 40,08 u.m.a.

⇒ ⋅

2 atomi H 2 1,01 = 2,02 u.m.a.

⇒ ⋅

2 atomi O 2 16,00 = 32,00 u.m.a.

74,10 u.m.a.

Ca(OH) massa formula = 74,10 u.m.a.

2 La Mole

Si prenda, come esempio, la molecola di CO -24 -24

⋅ ⋅

1 atomo di C ha massa atomica assoluta pari a 12,011 1,6605⋅ 10 g = 19,944 10 g

-24 -24

⋅

1 atomo di O ha massa atomica assoluta pari a 16,00 1,6605⋅ 10 g = 26,57⋅ 10 g

Una mole di particelle (unità elementari: atomi, molecole, elettroni, ioni, fotoni…) è costituita da

23

6,022⋅10 particelle: questa quantità di sostanza è detta numero di Avogadro. Il numero di atomi

12 23

contenuti in 12 g esatti di C è 6,022⋅10 ed è chiamato numero di Avogadro, =

mentre N

A

23 -1

6,022⋅10 mol è definito costante di Avogadro.

Si può verificare che la massa in grammi di una mole di una data sostanza è pari alla massa molecolare

di quella sostanza espressa in grammi.

23 23 -24

⇒

6,022⋅10 atomi di C 6,022⋅10 atomi 19,95⋅10 g = 12,01 g

23 23 -24

⇒ ⋅

6,022⋅10 atomi di O 6,022⋅10 atomi 26,57⋅ 10 g = 16,00 g

Ancora sul concetto di Mole

• Quantità in grammi di sostanza che contiene un numero di unità elementari uguale al numero di

12 C

atomi contenuti in 12 g esatti di

• Quantità in grammi di sostanza pari alla sua massa atomica (massa molecolare, massa formula) e

23

⋅

contiene 6,022 10 (numero di Avogadro) unità elementari

Una mole di atomi di carbonio conterrà lo stesso numero di atomi di una mole di atomi di qualsiasi

sostanza →

C CO

+ O

1 atomo 1 atomo 1 molecola

23 23 23

atomi 6,022⋅10 atomi 6,022⋅10 atomi

6,022⋅10

1 mol 1 mol 1 mol

12,01 g 16,00 g 28,01 g

Attenzione: reazione puramente teorica! O reagisce come O , che è la forma più stabile in natura.

2

Massa Molare -1

La massa di una mole di sostanza è detta massa molare M e si esprime in g mol

m (g)

n (mol) = - 1

M (g mol )

-1

⋅

m (g) = n (mol) M (g mol )

Calcolare la massa di 12 mol di acqua H O:

2

⋅ ⋅

massa molecolare = (2 1,0) + (1 16,0) = 18 u.m.a.

-1

M = 18 g mol -1

⋅ ⋅

m =n M = 12 mol 18 g mol = 216 g

Calcolare il numero di moli contenute in 32 g di alluminio

-1

M = 27 g mol

Al m 32g

= = =

mol mol

n = 1185185185

, 1

,

2

-1

M 27 g mol

Divagazione sulle cifre significative: Calcolare il numero di moli contenute in 10,0 g di argento

-1

n =10,0 g/108 g mol = 0,0926 mol (la massa molare di Ag è arrotondata a 3 cifre significative)

Ag -1

n =10,0 g/107,9 g mol = 0,0927 mol (si sono usate 4 cifre significative per la massa molare di

Ag

Ag e si è arrotondato alla fine a 3 significative). Si noti che la differenza nel calcolo delle moli è

piccolissima: allora come è meglio operare? Per sicurezza si effettua il calcolo utilizzando una

cifra in più nella massa molare e si arrotonda alla fine. L’approssimazione risulta migliore.

Provate con elementi come Fe (55,8 g/mol e non 56,0), Ti (47,9 g/mol e non 48,0) o Ni (58,7 g/mol

e non 59,0). Per elementi come O, N, F, Na, C…. questo problema non sussiste.

LE REAZIONI CHIMICHE

→

reagenti prodotti

la reazione del metano con ossigeno (combustione)

esempio →

CH + 2O CO + 2H O

4(g) 2(g) 2(g) 2 (l)

reazione di CaO con acqua

es. 2+(aq) -(aq)

→

+ H O Ca + OH

CaO

(s) 2 (l)

Calcolare la massa di CO che si ottiene per reazione completa di un 1,0 kg di Fe O con CO

2 2 3

secondo la reazione: →

Fe O + 3 CO 3 CO + 2 Fe

2 3(s) (g) 2(g) (s)

m (g) 1000 g

= = =

n 6,262 mol

Fe O -1

159,7 g mol

- 1

M (g mol )

2 3 ⋅

n = 3 X n = (3 6,262) mol = 18,79 mol

CO Fe O

2 2 3 -1

M = 44,00 g mol

CO

2 ⋅

= n x M =18,79 mol 44,00g/mol = 826,8 g

m

CO CO CO

2 2 2 REAGENTE LIMITANTE

→

C + O CO

2 2

1 mol 1 mol 1 mol

12 g 32 g 44 g

→

C + O CO

2 2

1 mol (12 g) 100 mol (3200 g)

99 mol ( 3168 g) 1 mol (44 g)

Controllo finale: verificare se è rispettato il principio di conservazione della massa

ANCORA sul REAGENTE LIMITANTE

Quanti grammi di CO si formano da 120 g di carbonio e 320 g di ossigeno

→

1. C + O CO

2 → 2 CO

2. 2C + O

2 -1

3. n di C = 120 g / 12,0 g mol = 10,0 mol

-1

n di O = 320 g / 32,0 g mol = 10,0 mol

2 →

4. 2C + O 2 CO

2

10,0 mol 10,0 mol

Il reagente limitante è il carbonio

n CO formate = 10,0 mol -1

⋅

m CO formata = 10,0 mol 28,0 g mol = 280 g →

2C + O 2CO

2

120 g 320 g

moli iniziali 10,0 10,0 0

variazione -10,0 -5,0 +10,0

moli finali 0 5,0 10,0

0 160 g 280 g

Quante moli di Fe O si formano da 10 mol di ferro e 10 mol di ossigeno molecolare? Quante

2 3

moli di reagente in eccesso rimangono?

→

4 Fe + 3 O 2 Fe O

2 2 3

) necessario = ¾ n(Fe)

n(O

2 ⋅

per 10 moli di Fe occorrono 3/4 10 mol = 7,5 mol di O

2

O è in eccesso

2

Fe è reagente limitante

⋅ ⋅

n(Fe O ) = 2/4 n(Fe) = ½ n(Fe) = 5,0 mol

2 3

n (O ) consumato = 7,5 mol

2

n (O ) rimasto = 10 - 7,5 = 2,5 mol

2 RESA di una REAZIONE

Resa percentuale di una reazione: trattasi del rapporto tra la quantità di prodotto realmente ottenuta

(in moli o massa) moltiplicato per cento .

e la quantità teoricamente ottenibile moli ottenute

η =

% X l00 =

moli teoricame

nte ottenibili

m(g) ottenuta

= X l00

m(g) teoricame

nte ottenibile

Riscaldando 80 g di CaCO si ottengono 36 g di CaO. Calcolare la resa % della reazione.

3 →

CaCO CaO + CO

3(s) (s) 2(g)

m (g) 80 g

= = =

n 0,80 mol

CaCO -1

100 g mol

- 1

M (g mol )

3

n = n = 0,80 mol teoricamente ottenibili

CaO CaCO3

36 g

m (g)

= = =

n 0,64 mol ottenute ⇒ si può calcolare:

-

1

CaO 56 g mol

- 1

M (g mol ) 0,64 mol

moli ottenute

η% = =

X 100 X l00 = 80%

moli teor. ottenibili 0,80 mol

ESEMPIO di REAGENTE IMPURO

3,00 kg di roccia calcarea (contiene CaCO insieme a impurezze) trattata con HCl in eccesso sviluppa

3 →

880 g di CO secondo la seguente reazione: CaCO + 2 HCl H O + CaCl + CO . Qual è la

2 3 2 2 2

percentuale di CaCO nel campione?

3

a. 66,7%

b. 30,0%

c. 6,82%

d. 13,2%

e. nessuna delle risposte date

ESERCIZI RIASSUNTIVI di STECHIOMETRIA, TRATTI DA VERIFICHE E NON

1) Calcolare quanto Sn è ottenibile da una tonnellata di un minerale, ammettendo che questo contenga l'88%

e che la resa complessiva del processo sia del 94%.

in massa di SnO

2

m(SnO ) = 880 kg; n (SnO )= 880000 g/[150,7g/mol]=5839 mol; Massa di stagno ottenibile teoricamente:

2 2 ⋅

m (SnO )= 5839 mol×118,7g/mol=693Kg; m (Sn)= 693(kg) 0,94=651 kg di Sn effettivi

teorica 2 sper. ®

2) Il pasticcere Jo Bombon prepara la sua famosa torta con 420 g di farina, 7 uova, 900 g di

millevoglie

zucchero, 3 pere e 17 noccioline. Le sue scorte ammontano a 10,5 kg di farina, 13 dozzine di uova, 27 kg di

zucchero, 56 pere e due confezioni da 180 noccioline cadauno. Quante torte sfornerà il nostro amico

pasticcere? Che cosa avanzerà? × 12/7 = 22,3; zucchero=27000 g/900 g = 30; pere = 56/3 =18,7

Farina = 10500 g/420 g=25; uova=13

⇒

noccioline=360/17=21,2 l’amico sfornerà 18 torte: il reattivo limitante è il numero di pere.

3) Ė stata ritrovata in un cunicolo sotto il Poli di Milano una antica moneta di bronzo (lega di rame e zinco)

formata da 5,0 mol di Cu e 1,2 mol di Zn. Calcolare la percentuale in massa dei due componenti.

m(Cu) = 5,0 mol · 63,55 g / mol = 318 g; m (Zn) = 1,2 mol · 65,39 g / mol = 78,5 g

% Cu = (318 g / 396,5 g) · 100 = 80,2 %

4) Il ferro metallico si ottiene dall’ossido di ferro secondo la reazione (da bilanciare):

O + CO → Fe + CO Quanti kg di ferro si possono ottenere da 100,0 kg di Fe O e da 50,0 kg di

Fe .

2 3(s) (g) (s) 2(g) 2 3(s)

se il rendimento della reazione è del 67%?

CO

(g) →

O + 3 CO 2 Fe + 3 CO

È una reazione di ossido–riduzione: Fe 2 3(s) (g) (s) 2(g)

massa iniziale (kg) 100,0 50,0 / /

n iniziali (mol) 627 1786 / /

) = 44,0g/mol; M(Fe) = 55,8 g/mol; M(Fe O ) = 159,6 g/mol. CO è l