Per esprimere la concentrazione di una soluzione acquosa di acqua ossigenata ovvero del perossido di idrogeno avente formula H2O2 (Peso molecolare 34.014 g/mol) si usano spesso i volumi ovvero il numero di litri di ossigeno che si sviluppano a STP da 1.0 L di soluzione acquosa di acqua ossigenata.
Tale metodo di esprimere la concentrazione è diverso dal % volume volume e fa riferimento alla decomposizione del perossido di idrogeno che avviene secondo la reazione:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Dal rapporto stechiometrico si rileva che dalla decomposizione di 2 moli di perossido di idrogeno si ottengono 2 moli di acqua e 1 mole di ossigeno molecolare.
La massa di perossido di idrogeno corrispondente a due moli è data da:
massa di acqua ossigenata = 2 mol ∙ 34.014 g/mol = 68.03 g
Da 68.03 g di perossido di idrogeno si ottiene quindi 1 mole di ossigeno che nelle condizioni standard ovvero alla temperatura di 273 K e alla pressione di 1 atm corrisponde a un volume di 22.4 L (Volume molare in condizioni standard).
Esercizi
1) Calcolare la concentrazione in volumi di una soluzione acquosa di acqua ossigenata avente concentrazione molare pari a 1.75 M
Dalla definizione di molarità sappiamo che una tale soluzione contiene 1,75 moli di H2O2 in 1 L di soluzione.
Massa di acqua ossigenata = 1.75 mol ∙ 34.014 g/mol= 59.52 g
Ricordando che da 68.03 g di acqua ossigenata si ottengono 22.4 L di ossigeno si ha:
volume di ossigeno = 22.4 L ∙ 59.52 g/ 68.03 g= 19.6 L
Il rapporto tra il volume di ossigeno prodotto e il volume di soluzione è 19.6 L / 1 L = 19.6 quindi la concentrazione della soluzione corrisponde a 19.6 volumi
2) Calcolare la concentrazione in volumi di una soluzione acquosa di perossido di idrogeno al 12% (m/V)
Dalla definizione di % m/V sappiamo che una tale soluzione contiene 12 g di H2O2 in 100 mL di soluzione quindi in 1 L di soluzione (= 1000 mL) sono contenuti 120 g di H2O2.
Ricordando che da 68.03 g di acqua ossigenata si ottengono 22.4 L di ossigeno si ha:
volume di ossigeno = 22.4 L ∙ 120 g/ 68.03 g= 39.5 L
Il rapporto tra il volume di ossigeno prodotto e il volume di soluzione è 39.5 L / 1 L = 39.5 quindi la concentrazione della soluzione corrisponde a 39.5 volumi
3) L’acqua ossigenata viene commercializzata con vari titoli tra cui quella a 24 volumi. Determinare la concentrazione di tale soluzione in g/L
Una concentrazione pari a 24 volumi significa che un 1 L di soluzione sviluppa 24 L di O2 che corrispondono a 24/ 22.4 = 1.07 moli di O2
Moli di acqua ossigenata = 1.07 mol ∙ 2 = 2.14
Massa di acqua ossigenata = 2.14 mol ∙ 34.014 g/mol = 72.8 g
La massa di acqua ossigenata che dà 24 volumi di ossigeno è quindi 72.8 g
La concentrazione espressa in g/L è quindi 72.8 g/L
4) Calcolare la concentrazione in volumi di una soluzione acquosa di perossido di idrogeno di una soluzione 4.0 N
Dalla definizione di normalità una soluzione 4.0 N di acqua ossigenata contiene 4.0 equivalenti per Litro di soluzione, essendo un equivalente pari al rapporto tra massa di soluto e peso equivalente.
Per calcolare il peso equivalente P.E. di una sostanza si usa la seguente formula:
P.E. = peso molecolare/n
dove n è un numero intero che assume valori diversi in dipendenza della reazione a cui la sostanza partecipa.
Nel caso di una reazione di ossido-riduzione questo numero si calcola esaminando la semireazione bilanciata di ossidazione ( o di riduzione) della sostanza considerata: n è pari al numero di elettroni persi (o acquistati ) nella semireazione di ossidazione (o di riduzione). Nel caso dell’acqua ossigenata la semireazione da considerare è:
H2O2 → O2 + 2 H+ + 2 e–
Pertanto n è uguale a due e quindi il peso equivalente dell’acqua ossigenata è:
P.E. = 34.014/ 2 = 17.0
In una soluzione 4.0 N vi sono quindi 4.0 ∙ 17.0 = 68.0 g di acqua ossigenata.
Ricordando che da 68.03 g di acqua ossigenata si ottengono 22.4 L di ossigeno si ha:
volume di ossigeno = 22.4 L ∙ 68.0 g/ 68.03 g= 22.4 L
Il rapporto tra il volume di ossigeno prodotto e il volume di soluzione è 22.4 L / 1 L = 22.4 quindi la concentrazione della soluzione corrisponde a 22.4 volumi
