Reazione completa con sviluppo di gas Ca + 2H2O → Ca(OH)2↓ +

UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI CAMERINO SCUOLA DI SCIENZE E TECNOLOGIE
Corso di Laurea in CHIMICA (Piano Lauree Scientifiche)
Esperienza n. 1
Reazione completa con sviluppo di gas
Materiali occorrenti
 cilindro graduato da 50 ml,
 sostegno e pinza,
 cristallizzatore da 2 litri,
 beuta da 25 ml,
 tubo in gomma con tappo in gomma forato.
Reagenti


Sostegno
Pinza
Cilindro graduato
Tubo in gomma
calcio elementare,
acqua distillata.
Reazione chimica
Ca + 2H2O
→
Ca(OH)2↓ + H2 ↑
Obiettivo dell’esperienza
Calcolare il volume teorico di idrogeno che si libera dalla
reazione in base alla quantità di calcio pesata e verificare
l’esattezza del risultato sperimentalmente.
Beuta da 25 ml
Cristallizzatore
Pezzetti di calcio
Metodica
Riempire il cristallizzatore con acqua fino a metà altezza. Riempire fino all’orlo il cilindro da 50 ml
poi, tappandolo con una mano, capovolgerlo ed immergere l’estremità nell’acqua del cristallizzatore.
Fissare quindi il cilindro alla pinza come in figura. Introdurre nella beuta circa 20 ml di acqua
distillata. Pesare in una navicella una quantità compresa fra 0,040 e 0,080 g di calcio elementare (circa
2 pezzetti). Introdurre la quantità pesata di calcio nella beuta e collegare immediatamente il tubicino in
modo da convogliare l’idrogeno che si sviluppa nel cilindro precedentemente riempito di acqua.
Misurare il volume di idrogeno raccolto sull’acqua.
Esempio
Immaginiamo di aver pesato 0,0561 g di calcio. Calcoliamo le moli di calcio corrispondenti a 0,0561
g. Le moli si calcolano dal rapporto tra grammi e massa atomica del calcio (40 uma).
n
g
MM
→
n
0,0561( g )
 0,0014 moli di calcio.
40(uma)
Dalla stechiometria della reazione possiamo dedurre che le moli di calcio corrispondono anche alle
moli di idrogeno, infatti da ogni atomo di calcio si ottiene una molecola di idrogeno. Conoscendo le
moli di idrogeno possiamo calcolare il volume di idrogeno sviluppato tramite la legge dei gas.
PV = nRT
V
nRT
P
quindi
V
0,0014(n)  0,082(l  atm  K 1 )  293( K ) 0,0336
1(atm)
1
litri
0,0336 litri corrispondono a 33,6 ml. Quindi dalla reazione dovrebbe liberarsi un volume di 33,6 ml
misurabile tramite il cilindro graduato in millilitri.
Filtrazione dell’idrossido di calcio Ca(OH)2
Alla fine della reazione nella beuta si osserverà la presenza di un precipitato bianco, si tratta
dell’idrossido di calcio Ca(OH)2 poco solubile in acqua. Tale precipitato può quindi essere separato
dalla fase liquida per filtrazione. Utilizzando la carta da filtro realizzare un filtro da posizionare
nell’imbuto e versare tutto il contenuto della beuta di reazione nel filtro. Riprendere un po’ della
soluzione satura per lavare la beuta e recuperare eventuali residui di Ca(OH)2 rimasti sul vetro.
Lasciare asciugare il precipitato sul filtro, e successivamente pesare la quantità di calcio idrossido
Ca(OH)2 ottenuta.
Anello di sostegno
Beuta di reazione in
cui è contenuto il
Ca(OH)2
Imbuto con carta da filtro
Becher per la raccolta
della soluzione satura
Determinazione della quantità di calcio incognita
Lavare la beuta con acqua distillata e ripreparare tutto il sistema di raccolta dei gas sull’acqua per una
nuova esperienza in cui si dovrà determinare una quantità incognita di calcio metallico in base al
volume di gas idrogeno liberato dalla reazione.
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Corso di Laurea in CHIMICA (Piano Lauree Scientifiche)
Esperienza n. 2
Un esempio di reazione completa: l’esplosione dell’argento azide AgN3
Materiali occorrenti
 filo di ferro ed accendino,
 supporto in cartone.
Reagenti

argento azide AgN3.
Reazione chimica
2AgN3(solido)
2Ag(solido) + 3N2(gas)
Obiettivo dell’esperienza
Osservare e comprendere le caratteristiche di alcune reazioni di decomposizione estremamente veloci,
definite reazioni esplosive.
Metodica
Si dispone, con molta cautela, su una superficie di cartone una piccolissima quantità di AgN3 (circa 45 mg). Si scalda con un accendino l’estremità di un filo di ferro che sia lungo almeno 30 cm.
Avvicinando l’estremità rovente alla piccola quantità di argento azide si osserverà l’immediata
esplosione, che lascia solo piccole tracce di argento metallico sull’estremità del filo di ferro. L’onda
d’urto dell’esplosione genera un buco nel cartone usato come supporto. Tale esplosivo ha un forte
effetto dirompente, che per le quantità utilizzate si limita ad un corto raggio d’azione, circa 2-3
centimetri.
Alcune informazioni
L’argento azide (o argento nitruro) AgN3 è un composto estremamente instabile che può dar luogo
facilmente a una reazione di decomposizione molto veloce, in grado di liberare azoto gassoso e calore.
Il gas azoto N2 viene liberato in una frazione di secondo, provocando un repentino aumento di volume
che genera l’onda d’urto dell’esplosione. L’argento azide è estremamente pericolosa in quanto può
esplodere molto facilmente anche per urto. L’argento azide si può ottenere tramite una reazione di
precipitazione tra argento nitrato AgNO3 e sodio azide NaN3 in acqua, come indicato nel seguente
schema di reazione.
2AgN3↓ + NaNO3
AgNO3 + NaN3
L’airbag
La sodio azide NaN3 (o sodio nitruro) è un composto anch’esso esplosivo ma più stabile rispetto
all’argento azide, e può essere conservato tranquillamente senza pericolo di esplosione per urto. La
sodio azide viene utilizzata negli airbag, infatti quando NaN3 viene innescata tramite un contatto
elettrico, esplode liberando il gas azoto N2 che immediatamente gonfia l’airbag. È fondamentale che la
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reazione sia estremamente rapida in modo da gonfiare l’airbag prima che il conducente arrivi ad urtare
lo sterzo, si tratta di tempi dell’ordine dei centesimi di secondo.
La reazione viene innescata elettricamente quando il veicolo decelera bruscamente


L’azoto liberato dalla sodio azide riempie l’airbag in 0.050 secondi (5 centesimi di secondo)
Le collisioni tra veicoli durano mediamente circa 0.125 secondi
Esercizio
Se volete riempire un airbag, che ha un volume di 28 L (ad una pressione di 1.09 atm a 22°C), quanta
sodio azide NaN3 è necessaria per generare la quantità richiesta di azoto N2 ? Consideriamo la
reazione chimica:
2NaN3(solido)
2Na(solido) + 3N2(gas)
Prima di tutto dobbiamo calcolare le moli di azoto gassoso tramite la legge dei gas: PV = nRT
Esplicitiamo rispetto al numero di moli n  n 
PV
RT
Ora, poiché dalla stechiometria di reazione sappiamo che per ogni 2 moli di NaN3 si ottengono 3 moli
di azoto gassoso N2, possiamo calcolare le moli di sodio azide NaN3 necessarie tramite la seguente
proporzione:
(2 moli di NaN3) : (3 moli di N2) = (moli di NaN3 incognite) : (moli calcolate di N2)
n NaN 3 
2
nN
3 2
Dalle moli di sodio azide calcolate si risale ai grammi di sodio azide NaN3 necessari a gonfiare
l’airbag da 28 L, sapendo che il suo peso molecolare è 65.
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Esperienza n. 3
Reazioni di precipitazione e riconoscimento di ioni metallici
Materiali occorrenti
 12 provette da saggio,
 porta provette,
 spruzzetta con acqua distillata,
 cilindro da 10 ml.
Reagenti


soluzioni al 5% di potassio ioduro KI, potassio solfato K2SO4, piombo nitrato
Pb(NO3)2, bario cloruro BaCl2 e magnesio cloruro MgCl2,
acqua distillata.
Obiettivo dell’esperienza
Realizzare alcune reazioni di precipitazione, osservare le caratteristiche dei prodotti ed acquisire
conoscenze sul comportamento di alcuni ioni metallici. Successivamente, sulla base delle conoscenze
acquisite, individuare il contenuto incognito di tre soluzioni.
Metodica
Introdurre circa 3 ml di acqua distillata in una provetta ed aggiungere 3 gocce della soluzione
contenente piombo nitrato Pb++(NO3−)2 e successivamente 3 gocce della soluzione contenente potassio
ioduro K+ I−, osservare cosa si verifica e riportare nella tabella le osservazioni.
Procedere in modo analogo con le altre reazioni indicate in tabella.
Reazione chimica
Scrivi cosa osservi
Pb++ (NO3−)2 + 2 K+ I−
→
PbI2↓ + 2 K+ NO3−
Pb++ (NO3−)2 + (K+)2 SO4−−
Mg++ (Cl−)2 + 2 K+ I−
→
Mg++ (Cl−)2 + (K+)2 SO4−−
Ba++ (Cl−)2 + 2 K+ I−
→
Ba++ (Cl−)2 + (K+)2 SO4−−
→
PbSO4 ↓ + 2 K+ NO3−
Mg++ (I−)2 + 2 K+ Cl −
→
Mg++ SO4−− + 2 K+ Cl −
Ba++ (I−)2 + 2 K+ Cl −
→
BaSO4 ↓ + 2 K+ Cl −
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Determinazione degli ioni metallici presenti nelle soluzioni (1), (2) e (3)
Ciascuna delle 3 soluzioni fornite dai docenti viene suddivisa in due provette, in modo da poter
effettuare i due saggi di riconoscimento, usando in un caso la soluzione di potassio ioduro K+ I− e
nell’altro la soluzione di potassio solfato (K+)2 SO4−−. Procedere come riportato in tabella:
Reazione chimica
Scrivi cosa osservi e ipotizza il prodotto
ione metallico incognito (1) + K+ I−
→
ione metallico incognito (1) + (K+)2 SO4−−
ione metallico incognito (2) + K+ I−
________________
→
→
ione metallico incognito (2) + (K+)2 SO4−−
ione metallico incognito (3) + K+ I−
________________
________________
________________
→
→
ione metallico incognito (3) + (K+)2 SO4−−
________________
________________
→
Cristalli di piombo ioduro PbI2 (foglioline d’oro)
Versare il contenuto delle due provette contenenti il precipitato giallo di piombo ioduro PbI2 in un
matraccio da 20 ml e portare a volume con acqua distillata. Successivamente immergere il matraccio
in acqua calda a 60-70 gradi. A caldo il precipitato giallo dovrebbe disciogliersi e, per lento
raffreddamento, sarà poi possibile osservare la formazione di cristalli di PbI2 con forma di foglioline
simili all’oro.
Si aggiunge acqua
distillata fino al segno
PbI2
Matraccio
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Esperienza n. 4
Reazione di formazione del biossido di azoto.
Equilibrio chimico tra biossido di azoto (NO2) e tetrossido di diazoto (N2O4).
Materiali occorrenti
 beuta da 100 ml,
 cristallizzatore da 2 litri,
 ampolla sigillata contenente miscela all’equilibrio di NO2 e N2O4.
Reagenti


rame metallico in fili,
acido nitrico HNO3 concentrato (soluzione al 65%).
Reazioni chimiche
Cu + 4HNO3
Cu(NO3)2 + 2NO2 ↑ + 2H2O
2NO2(gas)
N2O4(gas)
Rosso bruno
Incolore
Obiettivo dell’esperienza
Osservare e comprendere l’effetto della temperatura sull’equilibrio chimico.
Aspetti microscopici
Temperatura
ambiente
Temperatura
bassa
2NO2(gas)
N2O4(gas)
← Incolore
Rosso bruno →
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Metodica per la produzione del biossido di azoto NO2
Alcuni fili di rame vengono messi in una beuta da 100 ml, in cui si aggiungono circa 10 ml di acido
nitrico concentrato. Immediatamente si osserva la formazione di un gas di colore rosso bruno, molto
denso e pesante, che fuoriuscendo dalla beuta scende verso il basso perché più pesante dell’aria. Le
molecole di biossido di azoto NO2 tendono ad aggregarsi per formare un gas incolore costituito da
molecole di tetraossido di diazoto N2O4. Il biossido di azoto NO2 (rosso bruno) è in equilibrio con la
sua forma dimerica tetraossido di diazoto N2O4 (incolore). Abbassando la temperatura l’equilibrio
chimico si sposta a favore della specie N2O4 incolore, si osserva quindi la decolorazione del gas. Al
contrario riscaldando, le molecole dimeriche incolore tendono a decomporre, formando nuovamente
molecole NO2 che impartiscono la colorazione rosso bruno.
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