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Esercizi svolti sulle rese ponderali


Dedico questa raccolta di esercizi all’ideatore e creatore del sito Massimiliano Balzano, che, nel corso di venti anni di insegnamento è stato il mio allievo migliore, riuscendo con domande che denotano una particolare propensione per la disciplina, a mettermi a dura prova. Gli auguro di raggiungere la vetta più alta, a coronamento dell’impegno che ha sempre profuso, auspicando che in un prossimo futuro ad una sua domanda io debba, mio malgrado, rispondere: “ Non so”.

Maurizia Gagliano

1)       Pb(NO3)2 per riscaldamento si decompone secondo la reazione:

2 Pb(NO3)2 → 2 PbO + 4 NO2 + O2

Calcolare la massa di ciascun prodotto di reazione che si forma dopo la decomposizione di 10.0 g di reagente.

 

Calcoliamo le moli di reagente:

moli di Pb(NO3)2 = 10.0 g/331.2 g/mol=0.0302

il rapporto stechiometrico tra Pb(NO3)2 e PbO è di 2: 2 quindi si otterranno 0.0302 moli di PbO pari a 0.0302 mol x 233.2 g/mol= 6.74 g

il rapporto stechiometrico tra Pb(NO3)2 e NO2 è di 2:4 quindi si otterranno 0.0302×4/2 = 0.0604 moli di NO2 pari a 0.0604 mol x 46.0 g/mol=2.78 g

il rapporto stechiometrico tra Pb(NO3)2 e O2 è di 2: 1 quindi si otterranno

0.0302 /2 = 0.0151  moli di O2 pari a 0.0151 mol x 31.998 g/mol=0.483 g

Si può osservare che la somma delle masse dei prodotti ( 0.483 + 2.78 + 6.74) è pari a 10.0 g che corrisponde alla massa di Pb(NO3)2 iniziale. Questa operazione serve a verificare l’esattezza dello svolgimento dell’esercizio oltre a confermare la legge di Lavoisier.

2)    5.00 g di magnesio sono fatti reagire con 5.00 g di arsenico in atmosfera inerte secondo la reazione:

3 Mg + 2 As → Mg3As2

Calcolare il reagente in eccesso e la massa del prodotto di reazione.

 

L’approccio a questo tipo di problema è semplice se si seguono i seguenti steps:

-         calcoliamo la moli di Mg: moli di Mg = 5.00 g / 24.305 g/mol=0.206

-         sulla  base del rapporto stechiometrico tra i reagenti calcoliamo le moli di As necessarie: moli di As necessarie = 0.206 x 2/3=0.137

-         calcoliamo le moli di As disponibili:

moli di As disponibili = 5.00 g/ 74.92 g/mol= 0.0667 quindi è evidente che le moli di As sono insufficienti quindi As è il reagente limitante. Risulta quindi che la quantità di prodotto formato dipende dalla quantità di As disponibile

-         dal rapporto stechiometrico tra As e Mg3As2 si ricava che le moli di prodotto saranno pari a 0.0667/2 = 0.0334

la quantità di Mg3As2 sarà pari a0.0334 mol x222.775 g/mol=7.44 g

3)    Il fosforo bianco può essere ossidato da HNO3 secondo la reazione da bilanciare

P4 + H+ + NO3-→ H3PO4 + NO2 + H2O

Calcolare quanto H3PO4 si forma dalla reazione quando 15.0 g di P4 sono fatti reagire con un eccesso di HNO3

 

Iniziamo con il bilanciamento che può essere fatto tramite il metodo delle semireazioni.

-         Dividiamo la reazione in due semireazioni:

P4 → H3PO4

NO3-→ NO2

 

-         Bilanciamo la massa:

P4 →4 H3PO4

NO3-→ NO2

 

-         Aggiungiamo ossigeno dove è mancante sotto forma di acqua:

P4 + 16 H2O→4 H3PO4

NO3-→ NO2 + H2O

 

-         Aggiungiamo idrogeno, sotto forma di H+ dove è mancante:

P4 + 16 H2O→4 H3PO4 + 20 H+

NO3- +2 H+→ NO2 + H2O

 

-         Bilanciamo la carica aggiungendo elettroni:

P4 + 16 H2O→4 H3PO4 + 20 H+ + 20 e-

NO3- +2 H+ + 1 e-→ NO2 + H2O

 

-         Moltiplichiamo ciascuna semireazione per un numero appropriato in modo che il numero di elettroni scambiati sia uguale:

(P4 + 16 H2O→4 H3PO4 + 20 H+ + 20 e-) x 1

(NO3- +2 H+ + 1 e-→ NO2 + H2O) x 20

 

-         Sommiamo membro a membro cancellando ogni duplicazione che appaia a destra e a sinistra:

P4 + 16 H2O + 20 NO3- + 40 H+ + 20 e- →4 H3PO4 + 20 H+ + 20 e- + 20 NO2 + 20 H2O

Da cui:

P4 +  20 NO3- + 20 H+ →4 H3PO4 + 20 NO2 + 4 H2O

 

Dopo aver bilanciato la reazione calcoliamo il numero di moli di P4:

moli di P4 = 15.0 g/123.9 g/mol=0.121

poiché il rapporto stechiometrico tra P4 e H3PO4  è di 1 : 4 le moli di H3PO4 che si ottengono sono pari a 0.121 x 4 =0.484

la massa di H3PO4 è pari a 0.484 mol x 98.00 g/mol =47.4 g

4)    Il silicio fu preparato per la prima volta alla stato elementare dalla reazione da bilanciare:

K2SiF6 + K → KF + Si

Calcolare quanto silicio si ottiene per ogni Kg di esafluorosilicato di potassio e quanto potassio si consuma

 

La reazione bilanciata è la seguente:

K2SiF6 + 4 K →6 KF + Si

Calcoliamo le moli di K2SiF6 : 1000 g/220.29 g/mol= 4.54

Il rapporto stechiometrico tra K2SiF6 e Si è di 1:1 quindi si otterranno 4.54 moli di Si pari a 4.54 mol x 28.09 g/mol=  127.5 g

Il rapporto stechiometrico tra K2SiF6  e K è di 1:4 pertanto le moli di K necessarie a reagire con 4.54 moli di K2SiF6 sono pari 4 x 4.54 =18.2

La massa di K necessaria è quindi 18.2 mol x 39.10 g/mol=710 g

5)    Per sbiancare le vernici annerite per invecchiamento si sfrutta la reazione da bilanciare:

PbS (nero) + H2O2→ PbSO4(bianco) + H2O

Calcolare quanto H2O2 è richiesto per ossidare completamente 1.00 g di PbS.

 

Questa reazione di ossidoriduzione presenta uno ione spettatore, ovvero una specie che non si ossida né si riduce, che va eliminato in sede di bilanciamento, salvo a reintrodurlo nella reazione bilanciata. Il piombo, infatti, sia nel solfuro di piombo che nel tetraossosolfato (VI) di Piombo (II) presenta lo stesso numero di ossidazione. Eliminando tale ione spettatore la reazione in forma ionica si presenta come:

S2- + H2O2 →SO42- + H2O

Il bilanciamento di tale reazione può, ovviamente essere fatto sia con il numero di ossidazione che con il metodo delle semireazioni. Ancora una volta, però il metodo delle semireazioni, qualora non si ricordi che H2O2 è un perossido e pertanto il numero di ossidazione dell’ossigeno è pari a -1, risulta il più semplice. Bilanciamo secondo gli steps dell’esercizio (3:

-         S2- = SO42-

H2O2 = H2O

 

-         S2-  + 4 H2O= SO42-

H2O2 = H2O + H2O ovvero: H2O2 = 2 H2O

 

-         S2-  + 4 H2O= SO42- + 8 H+

H2O2 + 2 H+= 2 H2O

 

-         S2-  + 4 H2O= SO42- + 8 H+ + 8 e-

H2O2 + 2 H+ + 2 e- = 2 H2O

 

-         (S2-  + 4 H2O= SO42- + 8 H+ + 8 e-) x 1

(H2O2 + 2 H+ + 2 e- = 2 H2O) x 4

 

 

-         S2-  + 4 H2O + 4 H2O2 + 8 H+ + 8 e- = SO42- + 8 H+ + 8 e- + 8 H2O

 

-         S2-  + 4 H2O2  = SO42- + 4 H2O

 

A questo punto introduciamo lo ione spettatore per ottenere la reazione bilanciata in forma molecolare:

 

PbS + 4 H2O2 → PbSO4 + 4 H2O

Calcoliamo le moli di PbS: moli di PbS = 1.00 g / 239.3 g/mol= 0.00418

Il rapporto stechiometrico tra PbS e H2O2 è di 1 : 4 pertanto le moli di H2O2 necessarie sono pari a 0.00418 x 4 = 0.0167

La massa di H2O2 necessaria è pari a 0.0167 mol x 34.01 g/mol=0.568 g

6)    Un campione di argento impuro fu sciolto in acido nitrico e precipitato come cloruro di argento. Il cloruro di argento secco pesa 1.00 g. Calcolare la percentuale di argento nel campione.

 

In linea teorica si dovrebbe conoscere la reazione tra Ag e HNO3 che è:

Ag (s) + 2 H+ (aq) + 2 NO3- (aq) → NO2(g) + Ag+(aq) + NO3- (aq) + H2O (l)

Tuttavia, risulta evidente che, per la soluzione del problema la semireazione di nostro interesse è:

Ag (s) → Ag+ (aq) dove si rileva un rapporto di 1:1 tra Ag e Ag+

La reazione di precipitazione del cloruro di argento è:

Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl (s) in cui il rapporto è sempre di 1:1 . In definitiva le moli di AgCl ottenute sono pari alle moli di argento contenute nel campione iniziale impuro: moli di AgCl = 1.00 g / 143.3 g/mol= 0.00698

Quindi le moli di argento sono pari a 0.00698

La massa di argento presente nel campione iniziale è pari a

0.00698 mol x 107.9 g/mol =  0.753 g

La percentuale di argento presente nel campione iniziale è pari a

0.753 x 100/ 1.00 g = 75.3 %

7)    1.00 g di ferro reagiscono ad alta temperatura con 0.861 g di zolfo per dare il composto di formula generica FexSy. Trovare la formula del prodotto.

 

Calcoliamo le moli di ferro : moli di ferro = 1.00 g/ 55.84 g/mol= 0.0179

Calcoliamo le moli di zolfo : moli di zolfo = 0.861 g / 32.066 g/mol=0.0269

Poiché dal testo dell’esercizio si evince che la reazione è completa e non vi è un reagente in eccesso possiamo calcolare il rapporto tra zolfo e ferro:

0.0269/ 0.0179= 1.5

Ciò implica che il rapporto stechiometrico tra Fe e S  è  1: 1.5

Per ottenere numeri interi moltiplichiamo per 2 e la formula è Fe2S3

8)    10.0 g di I2 sono fatti reagire con una soluzione di NaOH secondo la reazione da bilanciare:

I2 + OH-→ I- + IO3-

Si calcoli quanti grammi di NaI e NaIO3 si possono formare dalla reazione.

 

La reazione rappresenta una dismutazione ovvero è una reazione in cui lo stesso elemento si ossida e si riduce. Nello specifico lo iodio passa da numero di ossidazione zero a numero di ossidazione – 1 in I- e a numero di ossidazione +5 in IO3-. Bilanciamo, come al solito, con il metodo delle semireazioni:

-                     I2 = I-

I2 = IO3- -                     I2 =2  I-

I2 =2  IO3- -                     I2 =2  I-

I2 + 6 H2O =2  IO3-

 

-                     I2 =2  I-

I2 + 6 H2O =2  IO3- + 12 H+

 

-                     (I2 + 2 e-=2  I-) x 5

I2 + 6 H2O =2  IO3- + 12 H+ + 10 e-

 

-         5 I2 + 10 e+ I2 + 6 H2O = 10 I- + 2 IO3- + 12 H+ + 10 e-

 

-         6 I2 + 6 H2O = 10 I- + 2 IO3- + 12 H+

 

-         Poiché i coefficienti stechiometrici sono tutti divisibili per 2 dividamo per 2 tali coefficienti:

 

3 I2 + 3 H2O = 5 I- + IO3- + 6 H+

 

-         Poiché la reazione avviene in ambiente basico dobbiamo aggiungere a destra e a sinistra tanti OH- quanti sono gli H+ ricordando che H+ + OH- = H2O

La reazione bilanciata è pertanto:

3 I2 + 6 OH- = 5 I- + IO3- + 3 H2O

Calcoliamo le moli di I2 : moli di I2 = 10.0 g/ 253.8 g/mol = 0.0394

Il rapporto stechiometrico tra I2 e I- è 3 : 5 pertanto le moli di I- e quindi di NaI sono pari a 0.0394 x 5/3 = 0.0657 . La massa di NaI è pari a

0.0657 mol x 149.9 g/mol= 9.85 g

Il rapporto stechiometrico tra I2 e IO3- e quindi NaIO3 è di 3:1 pertanto le moli di NaIO3 prodotte è pari a 0.0394 /3 = 0.0131. La massa di NaIO3 è pari a

0.131         x 197.89 g/mol=  2.59 g

9)    15.0 g di K2Cr2O7 furono ridotti in ambiente acido per acido solforico con alcol etilico secondo la reazione da bilanciare:

K2Cr2O7 + CH3CH2OH → Cr3+ + CH3CHO

Si calcoli la quantità massima di KCr(SO4)2 12 H2O che si può ottenere dalla reazione e quanto alcol si è consumato, considerando la reazione quantitativa.

 

Anche in questo caso conviene, per bilanciare la reazione, usare il metodo delle semireazioni in quanto l’attribuzione dei numeri di ossidazione al carbonio nei composti organici è piuttosto complessa. Conviene, inoltre, al fine di bilanciare con più semplicità scrivere la formula bruta dell’alcol e dell’aldeide.

-         Cr2O72- = Cr3+

C2H6O = C2H4O

 

-         Cr2O72- =2 Cr3+

C2H6O = C2H4O

 

-         Cr2O72- =2 Cr3+ + 7 H2O

C2H6O = C2H4O

 

-         Cr2O72- + 14 H+ =2 Cr3+ + 7 H2O

C2H6O = C2H4O + 2 H+

 

-         (Cr2O72- + 14 H+ + 6 e-=2 Cr3+ + 7 H2O) x 1

(C2H6O = C2H4O + 2 H+ + 2 e-) x 3

 

-         Cr2O72- + 14 H+  + 3 C2H6O + 6 e- =2 Cr3+ + 7 H2O + 3 C2H4O + 6 H+ + 6 e-

 

La reazione bilanciata è pertanto la seguente:

Cr2O72- + 8 H+  + 3 C2H6O =2 Cr3+ + 7 H2O + 3 C2H4O

Le moli di K2Cr2O7 sono pari a 15.0 g /294.2 g/mol= 0.0510

Il rapporto stechiometrico tra K2Cr2O7  e Cr3+ è 1:2 pertanto le moli di Cr3+ prodotte sono pari a 0.0510 x 2 = 0.102

Poiché il rapporto stechiometrico tra Cr3+ e KCr(SO4)2 12 H2O è di 1:1 le moli di KCr(SO4)2 12 H2O prodotte sono 0.102.

La massa di KCr(SO4)2 12 H2O prodotta è pari a 0.102 mol x 499.27 g/mol= 50.9 g

Il rapporto stechiometrico tra K2Cr2O7 e l’alcol è di 1:3 le moli di alcol prodotte sono pari a 0.0510 x 3 = 0.153

La massa di alcol prodotta è 0.153 mol x 46.069 g/mol=7.05 g

10)   MnO2 reagisce con KOH e KClO3 fusi secondo la reazione da bilanciare:

MnO2 + KOH + KClO3→ K2MnO4 + KCl

 

Lo ione potassio è uno ione spettatore pertanto lo eliminiamo in fase di bilanciamento, inoltre la presenza di KOH, indica che la reazione avviene in ambiente basico e di questo si terrà conto alla fine del bilanciamento. Bilanciamo con il metodo delle semireazioni secondo i soliti steps:MnO2 = MnO42-

-         MnO2 = MnO42-

ClO3- = Cl-

 

-         MnO2 + 2 H2O= MnO42-

ClO3- = Cl- + 3 H2O

 

-         MnO2 + 2 H2O= MnO42- + 4 H+

ClO3- + 6 H+= Cl- + 3 H2O

 

-         (MnO2 + 2 H2O= MnO42- + 4 H+ + 2e -) x 3

(ClO3- + 6 H+ + 6 e-= Cl- + 3 H2O) x 1

 

-         3 MnO2 + 6 H2O + ClO3- + 6 H+ + 6 e-= 3 MnO42- + 12 H+ + 6e - + Cl- + 3 H2O

-         3 MnO2 + 3 H2O + ClO3- = 3 MnO42- + 6 H+ + Cl-

-         Poiché la reazione avviene in ambiente basico aggiungiamo 6 OH- a destra e a sinistra e otteniamo:

-         3 MnO2 + ClO3- + 6 OH- = 3 MnO42- + 3 H2O + Cl-

 

Calcoliamo le moli di MnO2 : moli di MnO2= 6.00 g/86.938 g/mol=  0.0690

Poiché il rapporto stechiometrico tra MnO2 e ClO3- è di 3:1 le moli di KClO3 necessarie sono pari a 0.0690/3 = 0.0230

La massa di KClO3 necessaria è pari a 0.0230 mol x 122.55 g/mol= 2.82 g quindi KClO3 è in eccesso e MnO2 è il reagente limitante. Poiché il rapporto stechiometrico tra MnO2 e MnO42- ovvero K2MnO4 è di 3:3 o 1:1 le moli di K2MnO4 che si ottengono è pari a 0.0690

La massa di K2MnO4 è quindi pari a 0.0690 mol x 197.14 g/mol=13.6 g

Autore: Chimicamo

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