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CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILEÀ DI PROTEZIONE CIVILE

Facoltà di Scienze Matematiche Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e NaturaliFisiche e Naturali

Università degli Studi di PerugiaUniversità degli Studi di Perugia

Il linguaggio chimico 3.

EQUAZIONI CHIMICHE

simboli atomi

formule molecole

equazioni chimiche reazioni chimiche

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE

REAZIONI CHIMICHE

una reazione chimica è un fenomeno durante il quale una o più sostanze (i reagenti) subiscono una variazione a livello molecolare trasformandosi in altre sostanze (i prodotti)

detto in altri termini, gli atomi che compongono le sostanze di partenza cambiano arrangiamento e si ricombinano in altre sostanze; per esempio la reazione fra due molecole di idrogeno (H2) e una molecola di ossigeno (O2) porta alla formazione di due molecole di acqua (H2O)

+ +

rappresenta un atomo di idrogeno rappresenta un atomo di ossigeno


Legge di conservazione della massa (Lavoisier, 1787): la massa totale dei prodotti è uguale alla massa totale dei reagenti

ora che è nota la struttura della materia, la spiegazione di tale legge è piuttosto ovvia: gli atomi non vengono distrutti né creati ma semplicemente si ricombinano in nuovi composti; poiché la massa è una proprietà intrinseca della materia (e quindi anche degli atomi) la conservazione degli atomi in una reazione chimica comporta automaticamente la conservazione della massa

es. se metto a reagire due moli di ferro (massa = 111,6 g) con 3 moli di zolfo (massa = 96,4 g) si forma una mole di solfuro ferrico di massa pari a 208 g

reagenti: Fe + S prodotto: Fe2S3


Una equazione chimica è la rappresentazione simbolica di una reazione in termini di formule chimiche

Reagente1+ Reagente2 (=) Prodotto1 + Prodotto2

Una equazione chimica scritta correttamente deve rappresentare la reazione da un punto di vista: 1) qualitativo (cioè va chiaramente rappresentata la natura chimica di ciascun reagente e prodotto) 2) quantitativo (cioè, poiché gli atomi non si creano né si distruggono, a destra e a sinistra della freccia compaiono esattamente lo stesso numero e lo stesso tipo di atomi

es. CH4 + O2 = CO2 + H2Ocosì scritta la reazione non è corretta: a sinistra abbiamo 2 atomi di ossigeno mentre a destra ce ne sono tre; a destra abbiamo 4 atomi di idrogeno e a sinistra solo 2

CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O i fattori numerici usati per bilanciare la reazione sono detti coefficienti coefficienti stechiometricistechiometrici

EQUAZIONI CHIMICHEEQUAZIONI CHIMICHE


NB una equazione chimica rappresenta la reazione sia su scala microscopica (cioè dei singoli atomi e molecole) che su scala macroscopica (cioè riferendosi a quantità prelevabili, ad es., con una bilancia). Ad esempio la reazione fra idrogeno e ossigeno per formare acqua va scritta come

2 H2 + O2 2 H2O

+ +

su scala microscopica significa che due molecole di idrogeno reagiscono con una molecola di ossigeno per formare due molecole di acquasu scala macroscopica significa che due moli di H2 (massa 4 g) reagiscono con una mole di O2 (massa 32 g) per formare due moli di H2O di massa 36 g

reagenti: H2 + O2 prodotto: H2O


Bilanciare le seguenti equazioni chimiche:1) C3H8 + O2 = CO2 + H2O

C3H8 + 5 O2 = 3 CO2 + 4 H2O

2) Ca + H2O = Ca(OH)2 + H2

Ca + 2 H2O = Ca(OH)2 + H2

3) O2 + PCl3 = POCl3

½ O2 + PCl3 = POCl3


Esempi di problemi tipici

1) Determinare la massa di anidride carbonica e acqua che si genera per combustione di una mole di propano C3H8

la combustione è una reazione chimica che comporta l’ossidazione di un combustibile da parte di un comburente (ossigeno dell’aria) con

sviluppo di calore; se il combustibile è un idrocarburo (cioè un composto formato esclusivamente da carbonio e idrogeno) i soli prodotti delle reazioni

di combustione sono anidride carbonica e acqua

- scriviamo prima reagenti e prodotti e poi bilanciamo l’equazione chimica

C3H8 + O2 CO2 + H2O 3 45

- relazioni fra le masse:• reagenti: 1 mole di propano pesa 3x12+8x1=44 g; 5 moli di ossigeno pesano 5x(16x2)=160g massa totale = 204 g• prodotti: 3 moli di CO2 pesano 3x(12+2x16)= 132 g; 4 moli di H2O pesano 4x(2+16)=72 g massa totale = 204 g


Esempi di problemi tipici2) Determinare la massa ossigeno necessaria a metabolizzare completamente 10 g di glucosio (C6H12O6)

il glucosio è un carboidrato, cioè un composto che contiene carbonio, idrogenoe ossigeno (carbo- per carbonio, idrato per H2O da greco =acqua); nellareazione di combustione/ossidazione si formano comunque solo CO2 e H2O


C6H12O6 + O2 CO2 + H2O 666

- il bilanciamento stechiometrico ci dice che per bruciare una mole di glucosio mi servono 6 moli di O2; noi però non abbiamo una mole di glucosio ma solo 10 g. A quante moli corrispondono 10 g? La massa molecolare di C6H12O6 è MM=6x12+12+6x16=180,0 uma. Quindi le moli di glucosio presenti in 10 grammi sono

moli di glucosio = 10/180 = 0,0555 molile moli di ossigeno necessarie sono 6 volte tanto e quindi

moli di ossigeno necessarie = 6 x 0,0555=0,333 moli di O2

massa di ossigeno = 0,333 x 32 = 10,7 g


Esempi di problemi tipici3) Determinare la massa di ossido ferrico (presente nelle rocce ferrose) necessarie a produrre 10 tonnellate di ferro per trattamento con carbone


Fe2O3 + C CO2 + Fe 3

- per produrre 4 moli di ferro metallico mi servono 2 moli di ossido ferrico e 3 moli di carbonio; noi però vogliamo produrre 10 tonnellate (=10x1000 kg = 10x1000x1000 g = 107g). A quante moli corrispondono 107 g di ferro? La massa atomica di Fe 55,8 uma, quindi le moli di ferro presenti in 10 t sono

moli di ferro = 107/55,8 = 1,79x105 molile moli di Fe2O3 necessarie sono la metà (2/4) e quindi

moli di Fe2O3 necessarie = 0,5 x 1,79x105=8,95x104 molimassa di Fe2O3 = 8,95x104x (2x55,8+3x16) = 1,43x107 g = 14,3 t

il carbone contiene essenzialmente carbonio amorfo

432

le moli di C necessarie sono invece i ¾ delle moli di ferro finali e quindimoli di C necessarie = 3/4 x 1,79x105=1,34x105 molimassa di C = 1,34x105x12 = 1,61x106 g = 1,61 t


REAGENTI LIMITANTIREAGENTI LIMITANTIChe cosa accade se invece di mettere a reagire i reagenti nelle quantità previste dall’equazione bilanciata ne metto uno in eccesso (oppure in difetto)?

- abbiamo visto in un esempio precedente che per bruciare 10 g di C6H12O6 mi servono 10,7 g di O2. Che cosa succede se metto a reagire soltanto 5,35 g di O2 (cioè la metà della massa necessaria alla combustione completa del glucosio)? È abbastanza intuitivo capire che soltanto la metà del glucosio inizialmente presente sarà bruciato, mentre l’altra metà, non potendosi combinare ulterioremente con l’ossigeno, resterà glucosio.

la quantità di prodotti che si forma quando i reagenti non sono tutti presenti in quantità

stechiometrica è determinata dal reagente in difetto


REAGENTI LIMITANTIREAGENTI LIMITANTI

un parallelo dalla vita comune…


REAGENTI LIMITANTIREAGENTI LIMITANTIun altro parallelo dalla vita comune…

+

reagenti in quantità stechiometrica: 4 bulloni + 4 dadi 4 coppie dado/bullone

+

il numero di dadi è in difetto: 4 bulloni + 3 dadi 3 coppie dado/bullonee mi resta un bullone che non ‘reagisce’

+

il numero di dadi è in difetto: 3 bulloni + 4 dadi 3 coppie dado/bullonee mi resta un dado che non ‘reagisce’


GLI STATI FISICI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIAOltre a poter essere classificata in base alla sua composizione chimica, la materia può anche essere classificata in base allo stato fisico con cui essa si presenta.I tre stati fisici possibili sono: - solido

- liquido- aeriforme o gassoso

acqua solida (ghiaccio)

acqualiquido

vaporeacqueo

Ad es. tutti abbiamo avuto esperienza nella vita comune del fatto che l’acqua possa esistere nei tre stati fisici, senza mai cambiare la sua natura di composto chimico (ad es. posso bere l’acqua liquida che si forma per fusione del ghiaccio o quella che si forma per condensazione del vapore)


GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIAda un punto di vista microscopico e

macroscopico

Stato gassoso(o aeriforme)Le particelle che lo compongono sono distanti fra di loro e sono in perenne movimento. Da un punto di vista macroscopico, i gas non hanno né forma né volume proprio.Stato liquido Le particelle che lo compongono sono a stretto contatto ma non occupano posizioni reciproche fisse. Da un punto di vista macroscopico, i liquidi hanno un volume proprio, ma non hanno una forma propria (assumono quella del recipiente in cui si trovano).Stato solidoLe particelle che lo compongono sono a stretto contatto ed occupano posizioni reciproche fisse. Da un punto di vista macroscopico, i solidi hanno volume e forma propri.


I GAS

I GAS visti ‘da vicino’: le particelle che costituiscono la materia allo stato gassoso possiedono una energia cinetica che prevale sulle forze di reciproca attrazione. I gas non hanno perciò né forma né volume proprio. Le particelle tengono a occupare tutto lo spazio disponibile (per esempio quello di un recipiente chiuso) urtandosi continuamente fra di loro e contro le pareti del recipiente che le contiene.

iniziamo da …

Le sostanze allo stato gassoso sono quelle che forse sfuggono di più alla nostra percezione nella vita quotidiana, eppure ne facciamo un uso molto esteso: ad esempio il gas metano è utilizzato nelle caldaie/cucine di molte abitazioni; l’aria è una miscela di gas, essenzialmente azoto (circa 80%) e ossigeno (circa 20%); il cloro viene usato come disinfettante.

Sebbene il comportamento chimico di ciascun gas dipenda dalla sua natura chimica, tutti i gas hanno un

comportamento fisico comune


Una miscela gassosa molto importante: l’aria


Variabili di stato: sono le grandezze che definiscono lo stato fisico e sono il volume (V), la temperatura (T) e la pressione (P)

VOLUME: spazio occupato da una porzione di materia. Nel caso di liquidi e solidi è pari circa alla somma dei volumi occupati dai singoli atomi/molecole

unità di misura: m3=1000 dm3(l)=1000000 cm3 ml

TEMPERATURA: una definizione rigorosa della temperatura è piuttosto complessa; in questo contesto diciamo che è una ‘misura del livello del calore’ di una certa porzione di materia; a livello microscopico la temperatura è associata all’energia cinetica (energia associata al moto) degli atomi e delle molecole

unità di misura: gradi assoluti e gradi centigradiT (gradi Kelvin) = t (gradi centigradi) + 273

PRESSIONE: per definizione, la pressione è la forza che agisce per unità di superficie; a livello microscopico diciamo che la pressione è il risultato degli urti delle particelle con le pareti.

unità di misura: pascal, bar (mbar), atmosfere1 atm = 1,013 bar = 101300 Pa


Equazione di stato: V=f (T, P, n)

L’equazione di stato esprime la relazione reciproca che esiste fra volume, temperatura, pressione (P) e numero di moli (n)

– per i solidi e i liquidi è estremamente complessa e dipende dalla natura dei composti in questione

– per i gas ha una espressione matematica semplice ed è unica per tutte le specie gassose


Nei solidi e nei liquidi le particelle (atomi, molecole, ioni) sono a contatto fra di loro ed esercitano delle interazioni reciproche che sono specifiche del particolare tipo di composto.

Nei gas la distanza fra le particelle è mediamente molto più grande delle loro dimensioni:- il volume occupato dalle particelle è trascurabile rispetto a quello del contenitore- le interazioni reciproche sono trascurabili e le particelle si comportano indipendentemente l’una dall’altra

Per specificare la condizione di un gas è sufficiente conoscere le variabili di stato che lo definiscono

V, P, T i cui valori non sono dipendenti

Perché?


Nel caso dei gas assume particolare importanza la funzione di stato pressione

pressione = forza esercitata su una superficie unitaria

barometro

pressioneatmosferica

- la pressione atmosferica è la forzaesercitata dalla colonna d’aria sovrastanteuna certa superficie- una colonna di mercurio alta 760 mm esercitauna spinta idrostatica sulla superficie di mercurio della vaschetta pari a quella esercitata dallapressione atmosferica

1 Pascal = 1 N / m2

1 atm = 1,013×105 Pa


Come si misura la pressione? Lo strumento che si usa è il ManometroLa pressione dei gas viene misurata tramite una serie di strumenti. Il più comune di questi è il manometro. Esso è costituito da un tubo di vetro a forma di U riempito di mercurio. La parte chiusa del manomentro è stata svuotata da ogni gas affinché non vi sia del gas che possa esercitare una pressione. Dall’altra parte il

manometro è collegato al recipiente

contenente il gas di cui si vuole misurare la pressione. La differenza del livello di mercurio dà direttamente una indicazione

della differenza di pressione.


Leggi empiriche dei gasLegge di Boyle PV= cost (T costante)

P (atm)

1/V (litri-1)

P(atm)

t (C)

P0C

V(litri)

t (C)

V0C

Legge di CharlesPt=P0C(1+ct) c=1/273

Legge di Gay-Lussac

Vt=V0C(1+ct) c=1/273

P=2 atm

V=2 litri

P=4 atm

V=1 litro


NB: questo significa che pressione e volume sono inversamente proporzionali (cioè se aumento la pressione diminuisce il volume, se diminuisco la pressione aumenta il volume)

Legge di Boyle: a temperatura costante il prodotto della pressione per il volume, P x V, è costante

PV

1


Le leggi empiriche dei gas


NB: questo significa che volume e temperatura (espressa in gradi Kelvin) sono direttamente proporzionali (cioè se aumento la temperatura aumenta il volume, se diminuisco la temperatura diminuisce il volume)

Legge di Charles: a pressione costanteil volume è direttamente proporzionale alla temperatura espressa in gradi Kelvin

TV



NB: questo significa che pressione e temperatura (espressa in gradi Kelvin) sono direttamente proporzionali (cioè se aumento la temperatura aumenta la pressione, se diminuisco la temperatura diminuisce la pressione)

Legge di Gay-Lussac: a volume costante la pressione è direttamente proporzionale alla temperatura espressa in gradi Kelvin

TP temperatura (kelvin)

pres

sion

e

T1 T2

P1

P2

P1/P2=T1/T2



NB: questo significa che il volume dipende anche dalla quantità di gas che sto considerando

Legge di Avogadro: a temperatura e pressione costanti, il volume è direttamente proporzionale al numero di moli di gas

nV


EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALIMettendo insieme le leggi empiriche si ha

PV/T = cost.

dove cost. = n R n è il numero di moli che costituiscono il campione gassoso e R è la costante universale dei gas

PV = nRT

Tale equazione è seguita da tutti i gas in condizioni di bassa densità e alta temperatura.

La costante universale dei gas, pur essendo una costante, può assumere diversi valori numerici a seconda delle unità di misura usate:

R=0,0822 l atm mol-1 K-1=8,314 J mol-1 K-1


VOLUME MOLARE DEI GAS

Il volume occupato da una mole di gas nelle condizioni ‘normali’ definite come P=1 atm e T=273 kelvin è una costante che ricorre spesso e si chiama volume molare c.n.

22,4litri1

0,0822x2731moleVolume c.n.


TEORIA CINETICA DEI GASSi tratta di un modello proposto su scala microscopica per rendere conto delle proprietà osservate macroscopicamente:

i) le molecole dei gas sono in continuo movimento caotico e sono dotate di una certa velocità ed energia cinetica; ii) le particelle sono trattate come masse puntiformi (non occupano cioè un volume proprio significativo); iii) le molecole non subiscono forze di interazione reciproca

con questo semplice modello microscopico è possibile spiegare il Comportamento dei gas osservato su scala macroscopica. In particolare alcune funzioni di stato macroscopiche sono relazionate alle proprietà microscopiche delle molecole

TEMPERATURA energia cinetica delle molecole (velocità) PRESSIONE frequenza degli urti delle melecole gassose

sulle pareti del recipiente


MISCELE DI GAS: legge di DaltonIn una miscela di due gas ideali A e B la pressione esercitata da ciascun gas è uguale a quella che eserciterebbe se fosse presente da solo nel recipiente:

= +

Se indico con PA e PB le pressioni esercitate da A e B quando sono da soli nello stesso recipiente ho che

Ptotale = PA + PB

PA e PB sono dette pressioni parziali . Nota bene chee quindi

VRT

nP AA V

RTnP BB

VRT

)n(nP BATot


ABA

A

BA

A

Tot

A xnn

n

VRT

)n(n

VRT

n

PP

BBA

B

Tot

B xnn

nPP

e similmente

XA e XB sono dette frazioni molari e sono date dal rapporto fra le moli del singolo gas componente la miscela e le moli totali di gas nella miscelaInoltre valgono le relazioni

TotBB PxP TotAA PxP 1xx BA

La percentuale in volume di un gas in una miscela è data dalla frazione molare di quel gas moltiplicata per 100 (conseguenza diretta del fatto che il volume è direttamente proporzionale alle moli)

N.B. 0 ≤ x ≤ 1 0 ≤ % in volume ≤ 100


VOLUMI NELLE REAZIONI FRA GAS

Abbiamo visto come ci sia una relazione diretta fra il volume di un gas e il numero di moli (a parità di pressione e temperatura).

nV Questo è vero per tutti i gas. Se considero una reazione chimica fra gas, anziché parlare di moli posso parlare direttamente di volumi perché c’è una relazione diretta fra volumi e moli. Una prima osservazione in questo senso fu fatta da Gay Lussac: due volumi di idrogeno reagiscono con un volume di ossigeno per dare due volumi di vapore acqueo

vapore acqueo


vapore acqueo

Amedeo Avogadro intuì la giusta spiegazione proprio assumendo che volumi uguali di gas contenessero un numero uguale di moli di gas


Il rapporto fra i coefficienti stechiometrici nell’equazione chimica bilanciata possono allora rappresentare, non solo le moli che si combinano, ma anche i volumi di gas che si combinano

H2(g) + Cl2(g) = 2 HCl(g)

1 mole 1 mole 2 moli

1 volume 1 volume 2 volumi

N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g)

1 mole 3 moli 2 moli

1 volume 3 volumi 2 volumi


C3H8(g) + 5 O2(g) = 3 CO2(g) + 4 H2O(g)

1 mole 5 moli 3 moli 4 moli

1 volume 5 volumi 3 volumi 4 volumi


Applicazioni numericheApplicazioni numericheL’equazione di stato dei gas può essere usata per determinare n, P, V e T noti i valori degli altri parametri.

1) Determinare la pressione esercitata da due moli di O2 che si trovano in un recipiente di volume pari a 20 litri e alla temperatura di 200°C.

Applico l’equazione di stato dei gas (NB converti la temperatura in gradi Kelvin)

P = nRT/V = 2 x 0,0822 x (273+200) / 20 = 3,88 atm

2) Determinare il numero di moli di elio contenute in un recipiente di 5 litri alla pressione di 0,5 atmosfere e alla temperatura di 20°C

n = (PV) / (RT) = (0,5x5) / [0,0822 x (20+273)] = 0,10 moli

3) Due recipienti identici (uguali V, T e P) contengono il primo 0,8 grammi di elio (MA=4,00 uma) e il secondo 3,2 grammi di un gas incognito X. Di quale gas si tratta?

Poiché i recipienti sono identici e sono nelle stesse condizioni, contengono lo stesso numero di moli di gas. Allora il secondo recipiente contiene

nX=nHe=massa di elio/MA(He)=0,8/4=0,2 moli e quindi MM(X)=3,2/0,2=16 CH4


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