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

Determinazione del reagente limitante nella reazione di spostamento del rame(II) ad opera dell'alluminio

L'obiettivo dell'esperienza consiste nel determinare l'agente limitante nella reazione di ossidazione dell'alluminio ad opera del cloruro di rame(II), mediante l'osservazione diretta del reagente rimanente a processo chimico concluso.

Tabella delle osservazioni

Prima reazione

Osservazioni

Inizio reazione: La soluzione inizialmente si presenta di colore azzurro-blu; ponendo l'alluminio solido in soluzione si nota che si formano delle piccole bolle sulla sua superficie, e inizia da subito la formazione di un prodotto che si presenta come solido con sfumature rosso-marrone scuro (il rame atomico). Il solido si forma sulla superficie dell'alluminio, in quanto è il punto nel quale si interfacciano l'alluminio e la soluzione e pertanto la superficie dell'alluminio metallico è il luogo dove avviene la reazione di ossidoriduzione.

Durante la reazione: Si ha un'evidente presenza di bolle sull'alluminio dovute al fatto che la reazione sia esotermica. Tale affermazione è testimoniata dal fatto che toccando il becker si nota un aumento di temperatura rispetto all'inizio della reazione. Che la reazione sia esotermica significa che viene liberato calore:

3CuCl₂ + 2Al → 3 Cu + 2 AlCl₃ + q

Dove q è il calore svolto dal processo chimico. Dato che l'alluminio solido è un metallo, e dunque un ottimo conduttore di calore, assorbe parte di q innalzando la propria temperatura. Tale aumento determina la formazione di bolle di vapore a contatto con l'alluminio metallico. Il solido di colore rosso-marrone scuro (il rame atomico), si presenta in soluzione come precipitato, allontanandosi dalla superficie dell'alluminio. Si può notare come durante la reazione, l'alluminio solido reagendo si consuma: prestando attenzione si nota difatti una variazione delle dimensioni dei fogli di alluminio posti in soluzione; mano a mano che la reazione progredisce il colore azzurro-blu diventa sempre più tenue.

Fine reazione: Si nota che, seppur parte dell'alluminio metallico ha evidentemente reagito (le strisce di alluminio appaiono visibilmente consumate), una certa quantità (calcolata di seguito) non ha reagito. Alla fine della reazione chimica si nota che la soluzione diviene incolore in quanto il colore azzurro-blu iniziale svanisce del tutto. Ciò è giustificato dalla formazione di Cu²⁺ e Al³⁺, a partire dai reagenti Al e dallo ione Cu²⁺ che conferisce il tipico colore azzurrino. Quanto descritto lascia presupporre che CuCl₂ sia il reagente limitante. La soluzione alla fine del processo chimico si manifesta come miscuglio eterogeneo composto da tre fasi: alluminio metallico, fase acquosa e rame atomico (che si presenta come precipitato di colore rosso-marrone scuro).

Seconda reazione

Osservazioni

Inizio reazione: La soluzione presenta un colore azzurro più tenue rispetto alla prima, determinato dalla minore concentrazione del CuCl₂, e quindi dalla minor presenza in soluzione di ioni Cu²⁺. Dopo poco tempo inizia a formarsi del rame atomico a contatto con la superficie dell'alluminio (il motivo esposto precedentemente rimane sempre valido, anche se varia la concentrazione di CuCl₂).

Durante la reazione: La presenza di bolle di vapore sulla superficie dell'alluminio risulta più evidente rispetto all'inizio della reazione. Il colore azzurro della soluzione si attenua più rapidamente in confronto alla prima reazione. Ciò si giustifica per la minor concentrazione di ioni Cu²⁺, la quale diminuisce ulteriormente per il processo di riduzione grazie al quale si forma rame metallico sotto forma di precipitato. Toccando il becker si nota in maniera meno evidente rispetto alla prima reazione l'aumento di temperatura. Ciò può essere attribuito alla minor quantità di cloruro di rame(II) reagente. Si può supporre che la diminuzione della quantità di CuCl₂ reagente, influisca sulla quantità di prodotti, e quindi anche sul calore svolto dal processo chimico, che parrebbe, almeno ad una prima analisi sensoriale, minore rispetto alla reazione precedente.

Fine reazione: Si nota che una grande quantità di alluminio solido non reagisce, e rimane intatto. La reazione termina più rapidamente rispetto a quella precedente e anche la fase acquosa diviene incolore più rapidamente rispetto alla reazione precedente. Ciò è giustificato dal fatto che è stata diminuita la quantità di cloruro di rame(II) e quindi la riduzione di una minor quantità di Cu²⁺, (nelle medesime condizioni) dovrebbe richiedere meno tempo. È evidente come sia presente una quantità di precipitato (il rame atomico) nettamente minore rispetto alla reazione precedente.

Tabelle riassuntive dei calcoli

Dati misurati e calcoli primo esperimento

Rapporto stechiometrico di Al/CuCl₂ = 2 mol/3 mol. Se n_Al = 9.27 × 10^-3 mol > (2.4 × n_CuCl2), allora Al è il reagente in eccesso.