Chimica analitica: esercizi svolti e commentati

Nell’ambito dello studio della chimica analitica possono essere proposte molte tipologie di esercizi come, ad esempio risoluzione di miscele, titolazioni, retrotitolazioni  ecc.
Per la risoluzione ognuno di questi esercizi di chimica analitica si deve seguire una certo percorso considerando le reazioni coinvolte, i rapporti stechiometrici tra le specie utilizzando i dati forniti

Esercizi di chimica analitica

1)      L’idrossilammina NH₂OH riduce lo ione Fe³⁺ secondo la reazione:

 NH₂OH + Fe³⁺ → N₂O + Fe²⁺

Il ferro (II) ottenuto è titolato dal permanganato secondo la reazione:

MnO₄^– + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺

Un campione di 10.0 mL di idrossilammina è diluito a 1 L; a 50.0 mL di tale soluzione diluita viene aggiunto Fe³⁺ in eccesso.

La soluzione ottenuta viene titolata con 12.0 mL di permanganato di potassio 0.020 M. Calcolare la massa di idrossilammina presente nella soluzione iniziale

Innanzi tutto si devono bilanciare le due reazioni e ci si può avvalere del metodo delle semireazioni. Per la prima reazione:

2 NH₂OH → N₂O + H₂O + 4 H⁺ + 4 e^–

Fe³⁺ + 1 e^– → Fe²⁺

Moltiplichiamo la seconda semireazione per 4, sommiamo membro a membro e semplifichiamo gli elettroni:

2 NH₂OH + 4 Fe³⁺ → N₂O + 4 Fe²⁺+ 4 H⁺ + H₂O

Per la seconda reazione:

MnO₄^– + 8 H⁺ + 5 e^– → Mn²⁺ + 4 H₂O

Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1 e^–

Moltiplichiamo la seconda semireazione per 5, sommiamo membro a membro e semplifichiamo gli elettroni:

MnO₄^– + 5 Fe²⁺  +8 H⁺ → Mn²⁺ +5 Fe³⁺ + 4 H₂O

Le moli di permanganato sono pari a:

moli di permanganato = 0.0120 L ∙ 0.020 M= 0.00024

Poiché il rapporto stechiometrico tra permanganato e ferro (II) è di 1 : 5

Moli di Ferro (II) = 0.00024 ∙ 5 =0.0012

Consideriamo ora la prima reazione in cui il rapporto tra idrossilammina e Ferro (II) è di 2:4 ovvero di 1:2

Moli di idrossilammina presenti in 50.0 mL =  0.0012 ∙ 1 / 2= 0.00060

Moli di idrossilammina presenti in 1 L (= 1000 mL) = 1000 ∙ 0.00060/ 50.0=0.012 = moli di idrossilammina presenti nella soluzione iniziale

Massa di idrossilammina = 0.012 mol ∙ 33.0297 g/mol=0.40 g

2)      Una miscela avente massa 4.08 g di BaO e di un carbonato avente formula MeCO₃ è riscaldata e il residuo di massa di 3.64 g è trattato con 100.0 mL di carbonato 1.0 M.

L’eccesso di HCl viene retrotitolato con 16.0 mL di NaOH 2.5 M.

Identificare il metallo M

La reazione di decomposizione termica del carbonato è:

MeCO₃→ MeO + CO₂

Ciò implica che la massa persa durante il riscaldamento della miscela è dovuto all’allontanamento del biossido di carbonio.

Massa di CO₂ = 4.08 – 3.64 =0.44 g

Moli di CO₂ = moli di  MeCO₃= 0.44 g/ 44 g/mol= 0.010

Sia BaO che MO reagiscono con HCl secondo le reazioni:
BaO + 2 HCl = BaCl₂ + H₂O

MO + 2 HCl = MCl₂ + H₂O

Le moli di MeO sono uguali alle moli di MeCO₃

Le moli di HCl usate sono pari a 0.100 L ∙ 1.0 M = 0.100

Quelle di NaOH sono pari a 0.0160 L ∙ 2.5 M =0.040

Quindi le moli di HCl necessarie a titolare i due ossidi sono pari a 0.100-0.040=0.060

Poiché 0.010 moli di MeO richiedono 0.010 ∙ 2 = 0.020 moli di HCl ciò implica che le moli di HCl necessarie a titolare BaO sono pari a 0.060 – 0.020 = 0.040 moli

Moli di BaO = 0.040/2 = 0.020

Massa di BaO = 0.020 mol ∙ 153.33 g/mol=3.07 g

Massa di MeCO₃ = 4.08 – 3.07 =1.01 g

Peso molecolare di MeCO₃ = 1.01 g/ 0.010 mol=101 g/mol

Peso atomico di Me = 101 – 12 – 3(16)= 41 g/mol

Con il beneficio delle approssimazioni il metallo è il calcio

3)      Viene preparata una soluzione unendo 5 mL di HNO₃ a concentrazione 8 M, 4.8 mL di HCl a concentrazione 5 M e un certo volume di H₂SO₄ a concentrazione 17 M. La soluzione preparata viene diluita fino a un volume di 2 L. Un volume pari a 30 mL di tale soluzione è necessario a neutralizzare 42.9 mL di una soluzione di Na₂CO₃· 10 H₂O che contiene 1 g di soluto in 100 mL di tale soluzione. Calcolare il volume di H₂SO₄

Moli di HNO₃ = 0.005 L ∙ 8 mol/L = 0.04

Moli di HCl = 0.0048 ∙ 5 mol/L = 0.024

Quelle totali di H⁺ dovute agli acidi HNO₃ e HCl presenti in 2 L (= 2000 mL) = 0.04 + 0.024 = 0.064

Moli di H⁺ dovute agli acidi HNO₃ e HCl presenti in 30 mL = 0.0064 ∙ 30/2000 =0.00096

Peso molecolare di Na₂CO₃· 10 H₂O = 286.14 g/mol

Moli di Na₂CO₃· 10 H₂O in 100 mL = 1 g/ 286.14 g/mol = 0.00349

Moli di Na₂CO₃· 10 H₂O in 42.9 mL = 0.00349 ∙ 42.9/100 =0.0015

Dalla reazione netta CO₃^2- + 2 H⁺ = H₂O + CO₂

Moli di H⁺ necessarie per neutralizzare 0.0015 moli di CO₃^2- = 0.0015 ∙ 2 = 0.0030

Moli di H⁺ dovute ad H₂SO₄ = 0.0030 – 0.00096 = 0.00204

Pertanto le moli di H₂SO₄ sono: 0.00204/2 = 0.00102 in 30 mL

Moli di H₂SO₄ presenti in 2 L = 0.00102 ∙ 2000/30= 0.068

Volume di H₂SO₄ = 0.068 mol / 17 mol/L =0.004 L = 4 mL

4)      Un campione di solfato di idrazina N₂H₆SO₄ viene sciolto in 100 mL di acqua. Quando 10 mL di tale soluzione vengono trattati con un eccesso di ferro (III) si forma ferro (II) secondo la reazione:

N₂H₆SO₄ + 4 Fe³⁺ → N₂ + 4 Fe²⁺ + 4 H⁺

Lo ione ferro (II) viene titolato con  20.0 mL di una soluzione M/50 di permanganato secondo la reazione  MnO₄^– + 5 Fe²⁺  +8 H⁺ → Mn²⁺ +5 Fe³⁺ + 4 H₂O

Calcolare la massa di idrazina presente nella soluzione originale

Innanzi tutto diciamo che M/50 significa 1/50 M ovvero 0.02 M

Moli di permanganato = 0.02 M ∙ 0.020 L = 0.0004

Dal rapporto stechiometrico tra permanganato e ferro (II) si ha: moli di ferro (II) = 5 ∙ 0.0004 =0.002

Dal rapporto stechiometrico tra solfato di idrazina e ferro (II) si ha:

moli di solfato di idrazina presenti in 10 mL = 0.002/4 =0.0005

moli di solfato di idrazina presenti in 100 mL = 0.0005 ∙ 100 /10=0.005

massa di solfato di idrazina = 0.005 mol  ∙  130 g/mol =0.65 g