Esercizi svolti sulle rese ponderali

La quantità di prodotto che si ottiene a seguito di una reazione chimica dipende dalle quantità dei reagenti che possono essere stechiometriche o un reagente può essere in eccesso rispetto agli altri.

I reagenti che sono in quantità minore rispetto a un altro e che determinano la quantità dei prodotti ottenuti vengono detti limitanti. 

Per risolvere questo tipo di problemi si deve:

    1. bilanciare la reazione
    2. calcolare le moli di ciascun reagente
    3. valutare sulla base dei coefficienti stechiometrici il reagente limitante
    4. determinare le moli dei prodotti ottenuti
    5. determinare la massa dei prodotti ottenuti

Esercizi

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 ∙ 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 ∙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 ∙ 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 ∙ 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 ∙ 222.775 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 ∙ 4 =0.484

la massa di H3PO4 è pari a 0.484 mol ∙ 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 ∙ 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 ∙ 4.54 =18.2

La massa di K necessaria è quindi 18.2 mol ∙ 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 ∙ 4 = 0.0167

La massa di H2O2 necessaria è pari a 0.0167 mol ∙ 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:

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Author: Chimicamo

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