Relazione laboratorio (reagente limitante e sintesi perborato di sodio esaidrato)

Conclusione sulla reazione tra Al e CuCl

È possibile constatare che Al è il reagente in eccesso. Difatti, il rapporto stechiometrico tra Al e CuCl è di 2 moli a 3 moli. A posteriori della prima reazione, è intuitivo notare che nella seconda Al sia il reagente in eccesso, in quanto nella seconda reazione si riduce la quantità di CuCl rispetto alla prima reazione, nella quale CuCl era già limitante, mantenendo nel contempo costante la quantità di Al.

In base a quanto osservato, il reagente presente per il periodo più breve nella prima reazione è CuCl. Ciò è constatabile dal fatto che il colore azzurro-blu della soluzione svanisce (lasciando la soluzione incolore) precedentemente ad Al, del quale non reagisce una quantità evidente. Dunque, il cloruro di rame(II) è in questa reazione il reagente limitante. Difatti, il rapporto stechiometrico è di 3 moli di CuCl a 2 moli di Al.

CuCl₂ 3.89×10³ = ¿0.42<e si ha che , che conferma quanto osservato.−3n Al 29.27×10(V) Il reagente presente per il minor tempo nella seconda reazione è nuovamente CuCl e ciò si può notare in quanto la tenue sfumatura azzurra della soluzione2svanisce, lasciando la soluzione incolore, prima che Al possa reagire(s)completamente. Si nota dalla reazione bilanciata che 3 moli di CuCl reagiscono con 22−4 ~nCuCl 2 7.80×10³ = ¿0.08<moli di Al, dunque si ha che , il che conferma che il−3n Al 29.27×10cloruro di rame(II) è il reagente limitante.(VI) In entrambe le reazioni l'agente limitante è il cloruro di rame(II). Ciò è intuibile inmaniera abbastanza spontanea in quanto, già nella prima reazione le n(mol)CuCl 2sono insufficienti a far reagire completamente le n(mol)Al. Nella seconda reazionediminuendo la m(g)CuCl vengono ridotte anche n(mol)CuCl , in quanto m(g) e

n(mol)₂ sono direttamente proporzionali e la M(g/mol) è una costante (n = m / M). (mol) (g) (g/mol)nCuCl₂ Consequentemente il rapporto della seconda reazione, sarà minore rispetto a quello della prima e al rapporto stechiometrico tra CuCl e Al riscontrabile dalla 2a reazione redox. Quindi le n(mol)CuCl saranno nuovamente insufficienti a far reagire tutte le n(mol)Al.

(VII) In questo tipo di esperimenti la reazione si interrompe quando si esauriscono tutte le particelle di un reagente, detto agente limitante. L'interruzione avviene in quanto la reazione non può procedere se uno dei reagenti è assente.

Sappiamo dal bilancio della reazione che 3 molecole di CuCl reagiscono con 2 atomi di Al a dare 2 molecole di AlCl e 3 atomi di Cu. Ciò sta a significare che 3 molecole di CuCl per reagire necessitano almeno 2 atomi di Al. Si può ottenere il numero di molecole di CuCl e di atomi di Al utilizzando la costante di Avogadro:

n° particelle CuCl

ⁿ(mol) CuCl *Na· 2 2ⁿ° particelle Al=ⁿ(mol) Al*Na·Per la prima reazione si ottiene -3 23 21ⁿ° particelle CuCl =(3.89*10 )*(6.02214*10 )=2.34*10 molecole· 2 -3 23 21ⁿ° particelle Al=(9.27*10 )*(6.02214*10 )=5.58*10 atomi·Sappiamo dalla stechiometria della reazione che gli atomi di Al necessari a far reagirecompletamente il cloruro di rame sono ⁿ°atomi21Al=ⁿ°particelleCuCl *(2/3)=(2.34*10 )*(2/3)=1.56*10^21 atomi.2 21Ciò significa che di tutti i 5.58*10 atomi di alluminio di cui disponiamo ne reagiscono21solamente 1.55*10 . Questa reazione può avvenire.Notiamo che per far reagire completamente Al, bisognerebbe avere un numero dimolecole di CuCl pari a ⁿ°molecoleCuCl = ⁿ° particelle2 221 21Al*(3/2)= (5.58*10 )*(3/2)=8.37*10 molecole. Risulta pertanto che il numero dimolecole di cloruro di rame(II) necessario a far reagire completamente l’alluminio èsuperiore al numero di molecole effettivamente presenti, e pertanto ilcloruro di rame(II) è il reagente limitante. Lo stesso vale per la seconda reazione, nella quale il numero di molecole di CuCl è minore rispetto alla prima reazione. 2(VIII) Disponendo solamente delle masse non è possibile stabilire quale dei due reagenti possa potenzialmente essere l'agente limitante o l'agente in eccesso. Per stabilire ciò è necessario conoscere il numero di moli di entrambi i reagenti, che può essere ottenuto a partire dalla massa di reagente conoscendo la massa molare secondo la relazione n = m / M. Questo è giustificabile in quanto i coefficienti stechiometrici della reazione fanno riferimento al numero di particelle. Ricordiamo che: Nparticelle reagente ( ) n mol reagente = E da questa relazione si evince che i rapporti N Avogadro stechiometrici valgono anche per le moli, oltre che per le molecole, difatti: Nparticelle reagente 1 ( ) n mol reagente 1 N Avogadro Nparticelle reagente 1 = = Nparticelle

reagente 2 Nparticelle reagente 2( )n mol reagente 2 N Avogadro

Sussiste quindi una relazione tra il numero di particelle di un reagente e le sue moli, ma non si può dire che valga lo stesso per la massa e il numero di particelle. Dunque basandosi solamente sulla massa di un reagente e non calcolando il numero di moli del reagente utilizzando la relazione che lega moli, massa e massa molare, non è possibile stabilire quale sia potenzialmente il reagente limitante e quale sia quello in eccesso.

(IX)a) La reazione che avviene in ambiente acquoso (non bilanciata) è:

Al + CuCl2(aq) → Cu + AlCl3(aq)

Reazione ionica: Al + Cu2+ + 2Cl- → Al3+ + Cu + 3Cl-

Si nota che lo ione spettatore è Cl-. Procedo a scrivere la reazione ionica netta (non bilanciata):

Al + Cu2+ → Al3+ + Cu(s)

Risulta ora possibile procedere al bilancio della reazione mediante il metodo delle semireazioni:

Red: 2e- + Cu2+ → Cu

Ox: Al → Al3+ + 3e-

2+(aq) + 3+(aq)

Reazione totale: 6e + 3Cu + 2Al → 3Cu + 2Al + 6e-

(S) (S)

Reintroducendo lo ione spettatore si ottiene:

3CuCl + 2Al → 3Cu + 2AlCl2 (aq) (S) (S)

3 (aq)

b) misurem CuCl =0.5233g (m CuCl ≈ 0,52g ) misurazione con bilancia analitica(g) 2 (g) 2precisione ±0.0001m Al=0.25g misurazione con bilancia tecnica precisione ±0.01(g)(nella seconda reazione si ha m CuCl =0.1049g (b. analitica), m Al=0.25g(g) 2 (g)(b.tecnica). Per rendere le misure confrontabili approssimo m CuCl a 0,10g)(g) 2

calcolo delle moli -3n CuCl =(m CuCl /M CuCl )=(0.5233/134.446)mol=3.89*10 mol2 2 2n Al=(m Al/M Al)=(0.25/26.982)mol=9.27*10^-3 mol

c)La reazione bilanciata è : 3CuCl + 2Al → 3 Cu + 2 AlCl .Il rapporto2 (aq) (S) (S) 3 (aq)stechiometrico tra il cloruro di rame(II) e l’alluminio è di 3 mol a 2 mol, quindi il fattoreche lega n CuCl e n Al è pari a 2/3. Calcolo le n Al necessarie a reagire(mol) 2 (mol) (mol)completamente con tutto il CuCl .2Prima reazione: -3n CuCl

=(m CuCl /M CuCl ) =3.89*10 mol² / 2² / -3 / -3nAl= n CuCl * (2/3) = (3.89*10^-3) * (2/3) = 2.59*10 mol //

(non reagiscono 6.68*10 mol² di Al)

Seconda reazione: -4n CuCl = (m CuCl /M CuCl ) = 7.80*10 mol² / 2² / -4 / -4 / -3nAl= n CuCl * (2/3) = (7.80*10 ) * (2/3) = 5.20*10 mol //

(non reagiscono 8.75*10 mol² mol di Al)

Discussione con esame critico

La misurazione dei reagenti è avvenuta con due differenti bilance:

Al è stato pesato con bilancia tecnica

CuCl è stato pesato con bilancia analitica

Ciò rende la misura della massa di CuCl notevolmente più accurata dell'altra, ma ciò non ha grande influenza sulla buona riuscita dell'esperienza. Questo in quanto l'alluminio in eccesso è una quantità notevolmente maggiore rispetto all'alluminio che reagisce. Ciò significa che anche con delle misure non estremamente accurate, l'alluminio rimarrà comunque il reagente in eccesso e CuCl limitante, e ciò vale sia nella

Prima che nella seconda reazione.

1.2 Sintesi del perborato di sodio esaidrato

L'obiettivo dell'esperienza consiste nella sintesi del perborato di sodio esaidrato a partire dal tetraborato di sodio, e nella determinazione della resa di reazione.

Calcoli stechiometrici ed elaborazione dati

La reazione bilanciata è:

Na₂B₄O₇(aq) + 4 H₂O(aq) + 2NaOH(aq) + 11H₂O(l) → 2Na[B(OH)₄]₂·6H₂O(s)

2m Na₂B₄O₇·10H₂O = 6.00g (bilancia tecnica)

M Na₂B₄O₇·10H₂O = (22.990*2+4*10.811+7*16+10*18.016)g/mol = 381.384g/mol

n Na₂B₄O₇·10H₂O = (m Na₂B₄O₇·10H₂O)/(M Na₂B₄O₇·10H₂O) = 1.57*10 mol

2m NaOH = 1.5750g (bilancia analitica), ciò significa che n NaOH = (m NaOH)/( M NaOH) = (1.5750/39.998)mol = 3.94*10 mol.

n(mol) Na₂B₄O₇·10 H₂O 1<Dalla stechiometria si nota che se e se(mol)NaOHn 2n(mol) Na₂B₄O₇·10 H₂O

1< allora Na B O • 10H O è il reagente limitante.2 4 7 24( )n mol H 2 O2 −2n(mol) Na2 B 4 O7 • 10 H 2 O ~1.57∗10 1= ¿ <0.4 .−2(mol)n NaOH 23.94∗10// Dalla ricetta di laboratorio si sa che la soluzione di H O è al 6% ossia ci sono 6g di H O in 100g di2 2 2 2soluzione. La densità di H O è di 1.45g/ml pertanto si ottiene che 6g occupano un V= 6g / 1.45g/ml =2 24.14ml. I restanti 94g di H O, presenti in soluzione, occupano un volume di 94ml. Conoscendo tali dati2ricavo la %V della soluzione di H O : %V=( 4.14/(94.00+4.14) )*100 = 4.22%. In 40ml saranno presenti2 2quindi V =(4.22/100)*40 ml= 1.69ml di H O . Conoscendo la densità, il volume e la massa molare,H2O2 2 2 -2ottengo nH O =(d* V )/M =(1.69*1.45)/34.016=7.20*10 mol //2 2 H2O2 H2O2 −2n(mol) Na2 B 4 O7 • 10 H 2 O ~1.57∗10 1= ¿ 0.218< .( ) −2 4n mol H 2 O2 7.20∗10Ne consegue che Na B O • 10H O è ilIl reagente limitante è il composto 2Na[B(O)(OH)]•6H2O. Possiamo calcolare la sua massa teorica utilizzando il bilancio di reazione: 2Na[B(O)(OH)]•6H2O = 2n NaBO2•10H2O