Secondo la legge dei volumi di combinazione quando due sostanze allo stato gassoso reagiscono tra loro, a pressione e temperatura costanti, i volumi dei reagenti stanno tra loro secondo rapporti detti rapporti di combinazione espressi da numeri piccoli e interi. Questa legge è nota anche come legge dei volumi di combinazione di Gay-Lussac
La legge dei volumi di combinazione consente quindi, nota la reazione chimica, di ottenere il rapporto tra i volumi noto il rapporto tra i coefficienti stechiometrici.
Esercizi svolti
1) Data la reazione HCl(g) + NH3(g)→ NH4Cl(s) calcolare il volume di NH3(g) necessario a reagire con 25.0 cm3 di HCl(g)
Nella reazione i reagenti stanno tra loro in un rapporto tra le moli di 1:1; essi sono entrambi gassosi e pertanto, nelle stesse condizioni di pressione e di temperatura occorreranno 25.0 cm3 di NH3(g)
2) Data la reazione N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) calcolare il volume di N2(g) necessario a reagire con 30.0 L di H2(g) e il volume di NH3(g) ottenuto supponendo una resa del 100%
Il rapporto stechiometrico tra H2(g) e N2(g) è di 3:1 pertanto il volume di N2 necessario a reagire con 30.0 L di H2 è pari a 30.0/3 = 10.0 L.
Il rapporto stechiometrico tra H2(g) e NH3(g) è di 3:2 pertanto il volume di NH3 prodotto da 30.0 L di H2 è pari a 30.0 ∙ 2/3 = 20.0 L.
3) Data la reazione 4 NH3(g) + 3 O2(g) → 2 N2(g) + 6 H2O(l). Calcolare il volume di NH3(g) necessario a reagire con 15.0 L di O2.
Il rapporto stechiometrico tra O2(g) e NH3(g) è di 3:4 pertanto il volume di NH3 necessario a reagire con 15.0 L di O2 è pari a 15.0 ∙ 4/3 = 20.0 L.
4) Data la reazione 2 H2(g) + O2(g)→ 2 H2O(g) calcolare il volume di reagente in eccesso quando si fanno reagire 2.35 L di O2(g) con 3.72 L di H2(g). Calcolare inoltre la resa percentuale se sono stati ottenuti 2.50 L di H2O(g)
Bisogna individuare il reagente limitante: dal rapporto stechiometrico tra H2(g) e O2(g) che è di 2:1 possiamo dire che il volume di O2 necessario per reagire con 3.72 L di H2 è di 3.72/2=1.86 L.
Poiché il volume di O2 è di 2.35 L ciò implica che O2 è in eccesso e H2 è il reagente limitante. Il volume di O2 in eccesso è quindi pari a 2.35 – 1.86 = 0.49 L
Il rapporto stechiometrico tra il reagente limitante H2 e il prodotto di reazione H2O è di 2:2 ovvero di 1:1 quindi il volume di H2O teorico è di 3.72 L.
Resa % = 2.50 ∙ 100/3.72= 67.2%
5) Data la reazione di combustione del metano CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) calcolare il volume di aria necessaria per la combustione di 20.0 L di metano assumendo che l’aria contenga il 20.0% di O2
Il rapporto stechiometrico tra CH4(g) e O2(g) è di 1:2 quindi sono necessari 2 ∙ 20.0 = 40.0 L di O2.
Poiché l’aria contiene il 20.0 % di O2 sono necessari 40.0∙ 100/20 = 200 L di aria
6) E’ stato trovato che 10.0 cm3 di bromo allo stato di vapore si combinano con 30.0 cm3 di cloro gassoso per dare un composto. Trovare la formula del composto e il volume di prodotto ottenuto
Considerando che sia Br2 che Cl2 sono molecole diatomiche possiamo dire che Br2 e Cl2 stanno in rapporto 10.0:30.0 ovvero in rapporto di 1:3. La reazione tra Br2 e Cl2 è pertanto: Br2 +3 Cl2. Il prodotto di reazione è quindi BrCl3:
Br2 +3 Cl2 → 2 BrCl3
Il rapporto stechiometrico tra Br2 e BrCl3 è di 1:2 quindi si otterranno 10.0 ∙ 2 = 20.0 cm3 di BrCl3
7) Sono fatti reagire 12.0 L di NH3 e 12.0 L di Cl2 misurati nelle stesse condizioni di pressione e temperatura secondo la reazione: 2 NH3(g) + 3 Cl2(g) → N2(g) + 6 HCl(g). Quando la reazione è giunta a completezza calcolare i volumi di tutte le specie
Iniziamo a determinare il reagente limitante: dal rapporto stechiometrico tra i reagenti che è di 2:3 il volume di NH3 necessario a reagire con 12.0 L di Cl2 è di 2 ∙ 12.0/3= 8.0 L quindi, disponendo di 12.0 L di NH3 si ha che NH3 è in eccesso mentre Cl2 è il limitante.
Alla fine della reazione il volume di NH3 in eccesso è di 12.0 – 8.0 = 4.0 L
Il cloro, essendo il limitante non sarà presente
Il rapporto stechiometrico tra Cl2 e N2 è di 3:1 quindi il volume di N2 formato è di 12.0/3 = 4.0 L
Il rapporto stechiometrico tra Cl2 e HCl è di 3:6 ovvero di 1:2 quindi il volume di HCl formato è di 12.0 ∙ 2 = 24.0 L