STECHIOMETRIA DELLE REAZIONI

STECHIOMETRIA DELLE REAZIONI
I concetti che devono essere acquisiti per poter svolgere gli esercizi sono:
significato di formula minima e formula molecolare;
significato degli indici di una formula;
misura della quantità di materia in moli;
significato dei coefficienti stechiometrici di un’equazione chimica;
bilanciamento di una reazione imponendo la conservazione nel numero degli atomi;
alcune unità di misura della concentrazione (molarità, percentuale in massa);
reazioni degli acidi (mono e polibasici) con le basi (anche quelle che hanno più di un gruppo OH);
reazione dei carbonati con gli acidi;
solubilità e reazioni di precipitazione;
reazioni di decomposizione termica;
equazione di stato dei gas ideali e correlazione tra densità di un gas e la massa delle sue molecole
numero di ossidazione e reazioni di ossido-riduzione
Nomenclatura e rappresentazione simbolica...............................................................................1
Composizione elementare, formule minime e molecolari............................................................2
Identificazione dei prodotti e bilanciamento di reazioni .............................................................2
Calcoli stechiometrici ..................................................................................................................4
Concentrazione delle soluzioni e calcoli stechiometrici..............................................................6
Solubilità e reazioni di precipitazione .........................................................................................9
Numeri di ossidazione e reazioni redox.......................................................................................9
Esercizi
Nomenclatura e rappresentazione simbolica
1) Individuare il simbolo corretto dell'elemento
sodio
potassio
magnesio
piombo
fluoro
So, SO, N, Na, NA
Po, Pt, PO, P, K
Mn, Mg, Ma, Ms, M
P, PB, Pi, Pb, Pm
F, Ph, Fl, Fu, FL
2) Scrivere il nome dell'elemento accanto ad ogni simbolo
B
Be
He
Ne
Mg
Zn
Ni
Mn
Cr
Cs
1
3) Scrivere accanto a ogni termine la sua rappresentazione simbolica (in formule)
2 atomi di fluoro
una molecola di fluoro
cinque atomi di piombo
due molecole di acqua
tre atomi di ossigeno
una molecola di ozono
due molecole di ammoniaca
Composizione elementare, formule minime e molecolari
4) Considerare la seguente sequenza
nome composto ----> formula ----> massa molare ----> composizione elementare
per i composti dell'esercizio 10)
5) Considerare la sequenza
composizione elementare ----> formula minima ----> formula molecolare
per i seguenti dati
composizione elementare per 1 g
H 0,010033 Cl 0,352912 O 0,637055
C 0,817136 H 0,182864
H 0,030857 P 0,316074 O 0,653069
H 0,059265 O 0,940735
m. molare formula minima formula molecolare
100,4585
44,09562
97,9952
34,01468
6) Un composto contiene: C, 80% e H, 20%. Calcolare: a) la formula più semplice del composto;
b) la formula molecolare del composto, sapendo che il peso molecolare è uguale a 30. [CH3;
C2H6]
7) Un composto contiene: C, 76,86%; H, 12,90%; O, 10,24%. Calcolare la formula minima del
composto [C10H20O]
8) Due minerali di rame hanno formula minima Cu5FeS4 e Cu2S rispettivamente. Stabilire quale
composto contiene percentualmente più rame. [79,9% in Cu2S; 63,3% in Cu5FeS4]
Identificazione dei prodotti e bilanciamento di reazioni
9) Completare il bilanciamento delle seguenti reazioni tra specie chimiche pure
C2H2 + O2 = CO2 +
H2O = H2 + O2
H2O
2
C8H18 + O2 = CO2 +
Na2CO3 + Ca(OH)2 =
Ag2SO4 + NaI =
H2O
10) Identificare i prodotti delle reazioni tra le seguenti specie chimiche pure
1.
2.
3.
4.
5.
acido solforico e idrossido di potassio
(*)
acido fosforico e cloruro di rame(II)
(*)
solfuro di potassio e nitrato di argento
solfato di Ni(II) e carbonato di ammonio
acido nitrico e idrossido di bario
(*)
e bilanciare le equazioni chimiche corrispondenti. Le reazioni con asterisco hanno prodotti
diversi a seconda delle quantità relative dell'acido e della base.
Riscrivere le reazioni in forma ionica.
11) Scrivere la formula dei seguenti ossidi e, facendo riferimento alla Tavola Periodica, determinare
quali possono reagire con basi e quali con acidi
ossido di calcio
triossido di zolfo
pentossido di fosforo
ossido di sodio
diossido di azoto
ossido di cloro(I)
Scrivere la formula dei prodotti nel caso in cui l'acido fosse il solforico e la base l'idrossido di bario.
12) Scrivere la formula dei seguenti ossidi e, facendo riferimento alla Tavola Periodica, determinare
quali possono reagire con basi e quali con acidi
ossido di bario
diossido di carbonio
pentossido di arsenico ossido di litio
diossido di zolfo
ossido di bromo(III)
Scrivere la formula dei prodotti nel caso in cui l'acido fosse il fosforico e la base l'idrossido di
calcio
13) Scrivere la formula dei seguenti ossidi e, facendo riferimento alla Tavola Periodica, determinare
quali possono reagire con basi e quali con acidi
Triossido di zolfo
ossido di manganese (IV)
Ossido di stagno (II) ossido di lantanio (III)
Ossido di rame (I)
ossido di bromo (V)
Scrivere la formula dei prodotti nel caso in cui l'acido sia il solfidrico e la base l'ossido di magnesio
3
Calcoli stechiometrici
14) Il clorato di potassio si decompone per riscaldamento in ossigeno e cloruro di potassio. Quanti
grammi di KClO3 sono necessari per preparare 4,00 g di ossigeno? [10,2 g]
La reazione non bilanciata è
KClO3 = KCl + O2
Bilanciando, si ha
KClO3 = KCl + 3/2O2
Convertiamo i grammi di ossigeno in moli. 4,00/32 = 0,125.
Se per avere 1,500 mol di O2 è necessaria una mole di KClO3, per averne 0,125 sono necessarie
1,5 : 1 = 0,125 : x
x = 0,0833
Poiché una mole di KClO3 ha una massa pari a 122,55, 0,0833 mol corrispondono a 10,21 g.
15) Dalla combustione di 1,07 g di un composto contenente carbonio, idrogeno e ossigeno, si
ottengono 2,354 g di CO2 e 1,284 g di H2O. Calcolare la composizione percentuale del composto
e la formula minima del composto. [C3H8O]
Scriviamo la formula del composto come CxHyOz. La reazione di combustione bilanciata sarà
CxHyOz + (x + y/4-z/2)O2 = xCO2 + y/2 H2O
2,354 g di CO2 sono 2,354/44,01 = 0,0535 mol, che corrispondono a 0,0535·12= 0,643 g di C.
1,284 g di H2O sono 1,284/18,02 = 0,0713 mol e 0,1426 mol di H, che corrispondono a 0,1437
g di H. Quindi la composizione elementare sarà
C 100·0,643/1,07 = 60,1 %
H 100·0,1437/1,07 = 13,4 %
O
26,5%
Queste quantità corrispondono a 5 mol di C, 13,4 mol di H e 1,66 mol di O, per 100g di
sostanza. Dividendo per 1,66, si ha la formula minima C3H8O
16) L'ossidazione di CH2O (è la formula convenzionale di un carboidrato) con ossigeno produce
anidride carbonica e acqua. Bilanciare l'equazione e calcolare quanti grammi di CH2O possono
essere ossidati da un grammo di ossigeno.
CH2O + O2 = CO2 + H2O
una mole di ossigeno (circa 32 g) ossida una mole di CH2O (circa 30 g). Quindi la proporzione
sarà
32:30=1:x x= 30/32= 0,94
4
17) Quante moli di anidride carbonica si possono preparare da 150 g di Fe2(CO3)3?
I carbonati, per riscaldamento o per trattamento con acidi producono CO2. Qualunque sia il
processo, per ogni mole di Fe2(CO3)3, si ottengono 3 mol di CO2. Poiché 150 g sono 150/291,72
= 0,514 mol, si otterranno 1,542 mol di anidride carbonica
18) Riscaldando ad alta temperatura rame e zolfo si forma il solfuro rameoso, Cu2S. Se si mettono a
reagire 60 grammi di rame e 40 di zolfo, calcolare: l’elemento che rimane in eccesso; la quantità
in grammi che non reagisce. [S 24,62 g]
L'equazione bilanciata è
2 Cu + S = Cu2S
da cui si vede che sono necessarie 2 mol di Cu per ogni mol di S. Poiché 60 g di Cu sono 0,944
mol e 40 g di S sono 1,247 mol, lo zolfo è in eccesso (ne basterebbero 0,472 mol). Il reagente
limitante è quindi il Cu che reagisce completamente con 0,472 mol di S producendo 0,472 mol
di solfuro rameoso. Rimangono 0,775 mol di S che corrispondono a 24,85 g e 75,15 g di solfuro
di Cu(I).
19) Calcolare quanti grammi di H2SO4 sono necessari per preparare HNO3 partendo da 20 g di
KNO3 ; calcolare anche quanti grammi di HNO3 si ottengono. [19,4 H2SO4; 12,5 g HNO3]
La reazione bilanciata è
H2SO4 + 2 KNO3 = 2 HNO3 + K2SO4
20 g di KNO3 sono 20/101,103 = 0,198 mol. Queste richiedono, come risulta dall'equazione
chimica, 0,0989 mol di H2SO4
20) 50 g di calcio sono mescolati con 30 g di ossigeno: si fa avvenire la reazione che produce CaO.
Calcolare: a) quale elemento è in eccesso e di quanti grammi; b) la massa di CaO formato. [O2;
70 g]
21) Per preparare acido cloridrico vengono usati 234 g di NaC1 e 294 g di H2SO4. Calcolare la
massa di acido cloridrico formato, sapendo che la reazione è:
2NaCl + H2SO4 = Na2SO4 + 2HCl
[146 g]
22) Lo zolfo di un minerale viene trasformato in solfato e precipitato come solfato di bario: da 1,500
g di campione si ottengono 755 mg di precipitato. Calcolare la percentuale di zolfo nel
campione di partenza.
755 mg di solfato di bario BaSO4 sono 0,755/233,39 = 0,00323 mol o 3,23 mmol. Poiché in
ogni mole di BaSO4 c'è un numero uguale di moli di S, questo è anche il numero di moli di S
presente nel campione. Questo corrisponde a 3,23·32,07 = 104 mg di S. La percentuale di
zolfo è quindi 104· 100/1500 = 6,92 %
5
23) 10 g del composto AB reagiscono completamente con 10 g del composto CD. I prodotti sono
AC e BD. La percentuale di A in AB è del 30%. La percentuale di C in CD è del 50%. Stabilire
la composizione percentuale dei prodotti e le loro quantità in grammi. Calcolare quanti grammi
di AC e di BD si otterrebbero facendo reagire 5 g di AB con 10 g di CD. [37,5 A e 62,5 C; 58,3
B e 41,7 D; AC 4 g; BD 6 g]
24) Quanti grammi di ossigeno sono necessari per la combustione di 20 g di propano C3H8? [72,96]
25) 0,0368 g di un idrocarburo vengono fatti reagire con un eccesso di ossigeno.Il biossido di
carbonio prodotto viene assorbito da una soluzione contenente 0,378 g di NaOH in 92 ml.
L’idrossido di sodio in eccesso viene determinato titolandolo con 48,2 ml di una soluzione di
acido cloridrico 0,0908 M. 0,0368 g dello stesso idrocarburo vengono posti in un recipiente del
volume di 0,0501 L e portati allo stato gassoso alla temperatura di 189 °C. Si registra una
pressione pari a 0,48 atm. Determinare la formula molecolare dell’idrocarburo. [C4H10]
Possiamo scrivere la reazione di combustione come
CxHy + (x + y/4)O2 = xCO2 + y/2 H2O
La quantità in moli di CO2 prodotta corrisponde al numero di moli di C presenti nel
campione. La CO2 reagisce con NaOH secondo la reazione
CO + 2 OH– = CO = + H O
2
3
2
per cui il numero di moli di NaOH consumate è il doppio delle moli di CO2 prodotta.
Queste sono date da quelle introdotte meno quelle in eccesso. Quelle introdotte sono
0,378/40,00 = 9,45 mmol. Quelle in eccesso sono date dal numero di moli di HCl
consumate (la reazione è H+ + OH– = H O). Queste sono 48,2·0,0908 = 4,38 mmol.
2
Quindi il numero di moli di NaOH consumata sarà 9,45 – 4,38 = 5,07 mmol. Le
mmoli di CO2 sono 2,54. Queste sono anche le mmoli di C presenti nel campione, che
corrispondono a 2,54*12 = 30,42 mg di C. La massa dell'idrogeno quindi sarà 36,8 –
30,42 = 6,38 corrispondenti a 6,33 mmoli. Il rapporto y/x è 2,5. La formula minima è
quindi C2H5. Per trovare la massa molare, si applica l'equazione di stato dei gas PV =
n RT che ci dà n = PV/RT = 6,34·10-4. La massa molare sarà m/n = 0,0368/6,34·10-4 =
58,1. Quindi la formula molecolare è C4H10.
Concentrazione delle soluzioni e calcoli stechiometrici
26) Qual è la molarità (M) di una soluzione di acido fosforico che contiene 5 g di acido in 25 ml di
soluzione? [2,04]
27) Calcolare quante moli di solfato di alluminio ci sono in 20 ml di una soluzione 3M e a quanti
grammi corrispondono. Calcolare anche il numero di moli di Al e di SO4. [0,060 mol;
20,52g;0,120 Al; 0,180 SO4]
28) Quanti grammi di idrossido di calcio, Ca(OH)2, vi sono in 800 ml di una soluzione 0,06 M?
[3,55]
6
29) L’ammoniaca concentrata è una soluzione al 26% in massa di NH3. La densità della soluzione è
0904 g/ml. Qual è la sua molarità? [13,8]
30) Una soluzione di solfato di cerio, Ce(S2, contiene 33,2 mg di sale per ogni millilitro di soluzione
e la sua densità è 1,02 g/ml. Calcolare la molarità e la percentuale in massa (definita come la
massa di soluto per 100 g di soluzione) [0,100 M; 3,25%]
31) 7,50 g di solfato di sodio vengono disciolti in acqua e portati a 500 ml in un matraccio tarato.
Calcolare la molarità della soluzione.
Il solfato di sodio ha formula Na2SO4. La sua massa molare è 142,04. 7,50 g corrispondono a
7,50/142,04 = 0,0430 mol. In un litro di soluzione ci saranno 0,0860 mol. La molarità della
soluzione è quindi 0,0860
32) Una soluzione ha una concentrazione pari a 8,54 g/L. Calcolare il volume che è necessario
prelevare per preparare un litro di una soluzione che abbia una concentrazione pari a 0,335 g/L.
Nel litro di soluzione a concentrazione c2 c'è la stessa quantità di soluto presente nel volume della
soluzione a concentrazione c1 che dobbiamo prelevare. Quindi
c2V2 = c1V1
0,335*1000 = 8,54*x
Il volume (in ml) da prelevare sarà x = 39,23 ml
33) Calcolare il volume di una soluzione 16,5 M di acido acetico che deve essere utilizzato per
preparare 1000 ml di una soluzione 1,52 M.
x = 1520/16,5 = 92,1 ml
34) 20 ml di HCl sono neutralizzati esattamente da 10 ml di NaOH. La soluzione risultante viene
fatta evaporare ed il residuo ottenuto è di 0,0585 g. Calcolare la molarità delle soluzioni di HC1
e di NaOH.
Nella reazione di neutralizzazione di una soluzione di acido con una soluzione di base, si forma
H2O e rimangono soltanto gli ioni positivi della base e negativi dell'acido. In questo caso
rimangono ioni Na+ e Cl–. NaCl ha una massa molare pari a 58,44 g. 0,0585 g corrispondono
quindi a 0,00100 mol. Queste sono anche le moli dell'acido e della base. Quindi HCl ha una
molarità pari a 0,00100/0,020 = 0,0500 M e NaOH pari a 0,100 M
35) Il solfuro di idrogeno può reagire con diossido di zolfo per dare zolfo elementare e acqua.
Calcolare quanti grammi di zolfo si ottengono dalla reazione tra 5,00 g di diossido di zolfo e
5,00 g di solfuro di idrogeno.
36) 0,125 g di un campione contenente CaCO3 sono trattati con 40 ml di HCl 0,1N. Per determinare
l’eccesso di HCl sono necessari 20,0 ml di NaOH 0,15 M. Calcolare la percentuale in massa di
CaCO3 nel campione [40%]
7
37) Considerata una soluzione di HC1 0,75M, calcolare il volume necessario a preparare 100 ml di
una soluzione 0,40 M. [53 ml]
38) Per neutralizzare 40,0 ml di una soluzione di idrossido di calcio sono stati impiegati 27,3 ml di
una soluzione 0,0983 di acido solforico. Calcolare la concentrazione della soluzione di idrossido
di calcio.
39) 500 ml di cloro gassoso, misurati a 0 °C e a 1 atm. vengono fatti reagire a 60 °C con 800 ml di
idrossido di sodio 0,2M. Si formano 2,174 g di cloruro di sodio, 0,792 g di clorato di sodio e
acqua. L’idrossido di sodio in eccesso viene neutralizzato con 192,3 ml di acido solforico 0,3M.
Scrivere l’equazione bilanciata sulla base di questi dati. Calcolare i grammi di idrossido di sodio
che dovrebbero essere aggiunti alla soluzione se il volume di cloro misurato nelle stesse
condizioni, fosse cinque volte superiore. [3 Cl2 + 6 NaOH = 5 NaCl + NaClO3 + 3 H2O; 2,520
g]
40) In un recipiente del volume di 5,413 litri, contenente cloro, si misura una pressione di 1,485 atm
alla temperatura di 95 °C. In questo recipiente vengono introdotti 10,42 g di biossido di silicio e
3,195 g di carbonio. Quando la reazione è completata, la pressione è diventata di 2,228 atm. e
nel recipiente non è più presente il cloro, ma si è prodotto un gas diverso; il carbonio ha reagito
completamente, mentre è rimasta una certa quantità di biossido di silicio. Raffreddando a 19 °C
parte del gas condensa a liquido, che risulta essere tetracloruro di silicio, mentre la pressione
scende a 1,178 atm. Il gas residuo viene fatto combinare con l’ossigeno e fornisce solamente
biossido di carbonio.
Sulla base di questi dati determinare i coefficienti stechiometrici e scrivere l’equazione chimica
relativa al processo. [2 C + 2 Cl2 + SiO2 = 2 CO + SiCl4]
Calcolare quanti grammi di biossido di silicio sono rimasti nel recipiente. [2,403 g]
41) Un campione di 1,240 g di un minerale contenente carbonato di calcio viene trattato con un
eccesso di una soluzione di acido cloridrico. Il volume di biossido di carbonio che si sviluppa,
misurato a 25,0 °C e 1 atm, risulta pari a 283 ml. In un altro esperimento 1,320 g dello stesso
minerale vengono trattati ugualmente con acido cloridrico in eccesso. Il biossido di carbonio che
si sviluppa viene fatto assorbire da 100,0 ml di una soluzione 0,150 M di idrossido di bario. Il
carbonato di bario che precipita viene allontanato per filtrazione, mentre il filtrato, contenente
l’idrossido di bario residuo, viene titolato con 29,0 ml di acido cloridrico 0,200 M. Scrivere le
equazioni che descrivono le reazioni considerate e ricavare dalle due serie di dati il valore medio
della percentuale di carbonato di calcio nel minerale.[93,6 e 91,7]
42) 1,000 g di una sostanza organica contenente C, H, O e N vengono bruciati completamente.
L’acqua formata nella combustione viene fatta assorbire su una sostanza igroscopica,
provocando un aumento di massa di questa pari a 0,524 g. Il biossido di carbonio che si sviluppa
nella combustione viene fatta assorbire da 250,0 mi di una soluzione di idrossido di sodio
0,488M. Tale soluzione viene successivamente trattata con 17,30 ml di una soluzione di acido
cloridrico 0,375M per eliminare l’eccesso di base. Per determinare l’azoto presente si trattano
poi 20,0 mg della stessa sostanza prima con acido solforico e poi con una base, in maniera da
liberare tutto l’azoto sotto forma di ammoniaca. L’ammoniaca sviluppata viene neutralizzata da
1,620 ml di una soluzione di acido solforico di concentrazione 5,000 g/litro. Determinare la
formula molecolare della sostanza, sapendo che la sua densità rispetto all’idrogeno è 60,5.
[C7H7NO; C7H7NO]
8
Solubilità e reazioni di precipitazione
43) La solubilità del cloruro di piombo è 3,98 g/litro. Dire se si ha o meno formazione di precipitato
mescolando 50,0 ml di una soluzione 0,0500 M di nitrato di piombo con 50,0 ml di una
soluzione 0,0500 M di cloruro di sodio.
44) La solubilità del solfato di calcio è 1,15 g/litro. Dire se si ha o meno formazione di precipitato
mescolando 50,0 ml di una soluzione 0,0500 M di cloruro di calcio con 50,0 ml di una soluzione
0,0500 M di solfato di sodio.
45) La solubilità del cloruro di piombo è 3,98 g/litro. Dire se si ha o meno formazione di precipitato
mescolando 50,0 ml di una soluzione 0,0500 M di nitrato di piombo con 50,0 ml di una
soluzione 0,0500 M di cloruro di sodio.
46) La solubilità del solfato di calcio è 1,15 g/litro. Dire se si ha o meno formazione di precipitato
mescolando 50,0 ml di una soluzione 0,0500 M di cloruro di calcio con 50,0 ml di una soluzione
0,0500 M di solfato di sodio.
47) La solubilità del cloruro di piombo è 3,98 g/litro. Dire se si ha o meno formazione di precipitato
mescolando 50,0 ml di una soluzione 0,0500 M di nitrato di piombo con 50,0 ml di una
soluzione 0,0500 M di cloruro di sodio.
48) La solubilità del solfato di calcio è 1,15 g/litro. Dire se si ha o meno formazione di precipitato
mescolando 50,0 ml di una soluzione 0,0500 M di cloruro di calcio con 50,0 ml di una soluzione
0,0500 M di solfato di sodio.
Numeri di ossidazione e reazioni redox
49) Scrivere due possibili ossoacidi dei seguenti elementi per ognuno dei diversi numeri di
ossidazione (sono indicati tra parentesi con un numero romano)
S(IV, VI)
N(III, V)
Cl(I, III, V, VII)
P(III, V)
50) Dalle formule sotto riportate calcolare la "valenza" (intesa come rapporto di combinazione) dei
gruppi sottolineati
HNO3, Na2SO4, H3PO4, CaCO3, H2S
e scrivere la formula del corrispondente composto con l'allumino.
51) Calcolare il numero di ossidazione degli elementi sottolineati
NaNO3 H2S2O8 K2CrO4 KMnO4 K2Cr2O7 NOCl Ca(ClO2)2 NH4Cl
52) Il diossido di Pb(IV) ossida l'acido iodidrico a iodio e si riduce a ioduro di Pb(II). Bilanciare
l'equazione di ossido-riduzione e calcolare quanti grammi di iodio si otterrebbero da 48,2 ml di
una soluzione 2,20 M di acido iodidrico.
9
53) L'ossido di carbonio può reagire con pentossido di iodio(V) per dare iodio e diossido di
carbonio. Bilanciare la reazione e calcolare quante moli di I2 si formerebbero a partire da 22,4
g di ossido di carbonio e 270,2 g di pentossido di iodio.
54) Bilanciare la reazione tra perossido di idrogeno e acido nitrico e calcolare quanti litri di acido
nitrico 5x10-2 M occorrono per far reagire completamente 4.8 g di acqua ossigenata.
+2
H2O2 + HNO3 = NO2 + O2
-3
55) Completare e bilanciare la reazione
Cu + HNO3 = NO + Cu(NO3)2
e calcolare quanti grammi di nitrato di rame si ottengono facendo reagire 3,42 grammi di rame
con 94,8 ml di una soluzione di acido nitrico 0,897 M.
10