Reazioni in soluzione acquosa: esercizi
La risoluzione di esercizi relativi alle reazioni che avvengono in soluzione acquosa prevede alcuni passaggi comuni quali il bilanciamento della reazione. Pertanto occorre:
1) scrivere la reazione
2) bilanciare la reazione
3) dai coefficienti stechiometrici rilevare il rapporto tra le moli delle sostanze implicate nella reazione
4) ricavare le moli di un reagente noti il volume e la concentrazione dello stesso secondo i dati forniti
5) ricavare le moli dell’altro reagente (ovvero le moli di uno o di tutti i prodotti) e, tramite il peso molecolare la sua massa.
A volte uno dei reagenti si trova in fase gassosa e, in questo caso, le moli si ricavano applicando le leggi dei gas.
Alcune tipologie di esercizi propongono il caso di un reagente limitante (ovvero di un reagente le cui moli sono inferiori, secondo i rapporti stechiometrici rispetto a quelle dell’altro reagente).
In tal caso si dovrà calcolare il reagente limitante che è quella che “governa “ la reazione e dal quale si ricavano le moli dei prodotti. In altri casi viene richiesta la quantità di reagente in eccesso: in tal caso si calcolano le moli di reagente necessarie e, per differenza dal quelle realmente presenti si ricavano le moli in eccesso.
Esercizi
1) Calcolare quanti grammi di zinco metallico sono portati in soluzione quando sono attaccati da 125 cm3 di una soluzione 0.544 M di acido cloridrico.
La reazione tra un metallo e un acido è una reazione di scambio semplice che, nella fattispecie, dell’esercizio è la seguente:
Zn +2 HCl → ZnCl2 + H2
Il rapporto stechiometrico tra le moli di zinco e le moli di HCl è di 1:2
Le moli di HCl si ricavano dal volume e dalla concentrazione della soluzione secondo la formula:
moli = Volume (espresso in Litri o dm3) ∙Molarità
125 cm3 = 0.125 dm3
Moli di HCl = 0.125 ∙ 0.544 = 0.0680
Dal rapporto stechiometrico sappiamo che le moli di zinco sono pari alla metà rispetto a quelle di HCl. Pertanto:
moli di Zn = 0.0680/2 = 0.0340
Nei casi più complessi può risultare conveniente impostare una proporzione che, nel nostro caso è:
1 (mole di Zn) : 2 (moli di HCl) = x (moli di zinco) : 0.0680 moli di HCl
Da cui: x (moli di zinco) = 0.0680 (moli di HCl) ∙ 1 (mole di zinco) / 2 (moli di HCl) = 0.0340
Per ottenere la massa di zinco moltiplichiamo il numero di moli per il peso molecolare:
Massa di zinco = 0.0340 mol ∙ 65.39 g/mol = 2.22 g
2) 1.00 dm3 di CO2 in condizioni standard è fatto assorbire da 10.0 dm3 di una soluzione acquosa di Ba(OH)2 6.74∙10-3 M. Calcolare la massa di BaCO3 che precipita.
La reazione bilanciata è la seguente:
Ba(OH)2 + CO2 → BaCO3 + H2O
Da cui si ha un rapporto 1:1 tra i reagenti
In condizioni standard (p = 1 atm e T = 273 K) 1 mole di gas occupa un volume di 22.4 L ( o dm3)
Le moli di CO2 sono quindi pari a: 1.00/ 22.4 =0.0446
Moli di Ba(OH)2 = moli di Ba(OH)2 = 10.0 dm3 ∙ 6.74 ∙ 10-3 M = 6.74 ∙ 10-2
che risultano in eccesso ( infatti solo 0.0446 moli di Ba(OH)2 reagiscono con altrettante moli di CO2 rimanendo 6.74 · 10-2 – 0.0446 =0.0228 moli in eccesso). Le moli di BaCO3 sono determinate dal reagente limitante che è CO2. Poiché il rapporto stechiometrico tra CO2 e BaCO3 è di 1:1 le moli di BaCO3 che precipitano sono 0.0446.
La massa di BaCO3 è quindi pari a 0.0446 mol ∙ 197.3 g/mol= 8.80 g
3) Un eccesso di MnO2 è fatto reagire con 100 cm3 di una soluzione 1.50 M di HCl. Calcolare il volume di Cl2 misurato nelle condizioni standard che si sviluppa nella reazione da bilanciare:
MnO2 + H+ + Cl–→ Mn2+ + Cl2 + H2O
La reazione proposta è una reazione di ossidoriduzione infatti il manganese passa da numero di ossidazione +4 a numero di ossidazione +2 mentre il cloro passa da numero di ossidazione zero. Tale reazione può essere bilanciata con il metodo delle semireazioni che sono:
MnO2 + 4 H+ + 2e– → Mn2+ + 2 H2O
2 Cl– = Cl2 + 2 e–
Poiché il numero di elettroni scambiati è uguale basta sommare membro a membro:
MnO2 + 4 H+ + 2 Cl– → Mn2+ + Cl2 +2 H2O
Tuttavia poiché a 4H+ devono corrispondere altrettante moli di Cl– la reazione completa bilanciata è:
MnO2 + 4 H+ + 4 Cl– → Mn2+ + Cl2 +2 H2O + 2 Cl–
Le moli di HCl sono pari a 0.100 dm3 ∙ 1.50 M = 0.150
Dal rapporto tra Cl– e Cl2 che è di 4:1 si ha che le moli di Cl2 che si sviluppano sono pari a 0.150/4 = 0.0375
Il volume di Cl2 risulta quindi pari a 0.0375 mol ∙22.4 dm3/mol= 0.840 dm3
4) 1.45 g di KNO2 sono sciolti in 100 cm3 di acqua e la soluzione acidificata è ossidata con una soluzione 0.154 M di permanganato di potassio. Calcolare il volume della soluzione di permanganato di potassio necessario per ossidare completamente lo ione NO2– a NO3–
La reazione è una reazione di ossidoriduzione:
NO2– + MnO4– + H+ →NO3– + Mn2+ + H2O
Le due semireazioni sono:
NO2– + H2O → NO3– + 2 H+ + 2 e–
MnO4– + 8 H+ + 5 e– → Mn2+ + 4 H2O
Poiché il numero di elettroni scambiati deve essere uguale moltiplichiamo la prima per 5 e la seconda per due:
5 NO2– +5 H2O → 5 NO3– + 10 H+ + 10 e–
2 MnO4– + 16 H+ + 10 e– → 2 Mn2+ + 8 H2O
Sommiamo membro a membro semplificando le specie che compaiono sia a destra che a sinistra:
5 NO2– + 2 MnO4– + 6 H+ → 5 NO3– + 2 Mn2+ + 3 H2O
Le moli di KNO2 sono pari a 1.45 g /85.11 g/mol = 0.0170
Dal rapporto stechiometrico che è di 5:2 si possono ricavare le moli di permanganato necessarie:
moli di permanganato necessarie: 0.0170 ∙ 2 / 5= 0.00681
Il volume di soluzione di permanganato è quindi V = 0.00681 / 0.154 M= 0.0443 dm3 => 44.3 cm3
5) 0.500 dm3 di una soluzione di HClO4 0.00560 M sono aggiunti a 0.500 dm3 di una soluzione di Ca(OH)2 0.000700 M. Calcolare la concentrazione dell’acido rimasto in soluzione supponendo i volumi additivi.
La reazione bilanciata tra HClO4 e Ca(OH)2 è la seguente:
2 HClO4 + Ca(OH)2 → Ca(ClO4)2 + 2 H2O
Da cui si ricava un rapporto stechiometrico tra le moli di 2:1
Moli di HClO4 = 0.500 dm3 ∙ 0.00560 M =0.00280
Moli di Ca(OH)2 = 0.500 dm3 ∙ 0.000700 = 0.000350
Quelle di HClO4 che sono neutralizzate = 0.000350 ∙ 2 = 0.000700
Moli di HClO4 in eccesso = 0.00280 – 0.000700 =0.00210
Volume totale = 0.500 + 0.500 = 1.00 dm3
Concentrazione dell’acido in eccesso = 0.00210 / 1.00 = 0.00210 M
il 31 Agosto 2012