Stechiometria (Relazione Mole - Massa in Sistemi Chimici)

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Insegnamento di Chimica
Generale
083424 - CCS CHI e MAT
Soluzioni e Concentrazione
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/general-chemistry-lessons/
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Proprietà di Miscele: Soluzioni
 Tipi di soluzioni: forze intermolecolari e predizione della
solubilità
 Variazioni di energia nei processi di soluzione
 Solubilità come un processo d’equilibrio
 Modi quantitativi di esprimere la concentrazione
 Reazioni acido-base in soluzione (introduzione)
Attilio Citterio
3
Soluzioni e Colloidi
Una soluzione è una miscela omogenea esistente come una singola
fase. Le particelle in una soluzione sono singoli atomi, ioni, o molecole. I
composti polimerici covalenti hanno bassa o nulla solubilità, i composti
ionici si sciolgono in dipendenza del loro Kps.
Un colloide è una miscela eterogenea ed esiste come due o più fasi,
che possono essere visibilmente distinte. Le particelle in un colloide sono
tipicamente macromolecole o aggregazioni di piccole molecole.
L'acqua è un ottimo solvente per
molecole polari e Sali. In figura la
Distribuzione di carica e il momento
dipolare di H2O. L'atomo di ossigeno
elettronegativo richiama densità
elettronica dagli atomi di idrogeno.
e si carica negativamente, mentre H si carica positivamente. I dipoli di legame (al
centro) e i dipoli molecolari (a destra) si rappresentano come vettori. La freccia
punta dalla carica positiva alla carica negativa.
Attilio Citterio
Le Principali Tipologie di Forze
Intermolecolari
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Legame a H
(10-40)
Ione-dipolo
(40-600)
Metanolo
Ione-dipolo indotto
(3-15)
Dipolo-dipolo
(5-25)
Esano
Cloroformio
Dispersione
(0.05-40)
Dipolo indotto-dipolo
(2-10)
Xeno
Ottano
(in parentesi le energie in kJ·mol-1)
Attilio Citterio
Soluzioni Acquose:
Dissoluzione in Acqua di Composti Ionici
5
Interazione
ione-dipolo
Quando un solido ionico si scioglie in
acqua, le interazioni ione-ione sono
rimpiazzate dalle molte interazioni
ione-dipolo che superano i legami ionici
Interazione
ione-ione
Attilio Citterio
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Soluzioni Molecolari
I composti molecolari si sciolgono in solventi che hanno tipi simili di forze
intermolecolari. “Il simile scioglie il simile.”
I composti polari si sciolgono in solventi polari. I composti nonpolari o
debolmente polari si sciolgono in solventi nonpolari o debolmente polari.
Il liquido acetone è
solubile in H2O perché
contiene solo tre atomi
di C e il suo atomo O
può formare legami a
idrogeno con un atomo
H atomo di H2O.
Attilio Citterio
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Solubilità
“Il SIMILE SCIOGLIE IL SIMILE”
Sostanze con tipi simili di forze
intermolecolari si sciolgono l’una nell’altra.
Quando un soluto si scioglie in un solvente, le interazioni soluto-soluto e
solvente-solvente sono in parte sostituite dall’interazione soluto-solvente
Le nuove forze create tra soluto e solvente devono essere di forza
confrontabili con le forze distrutte all’interno del soluto e del solvente.
Il maggior fattore che determina
se una soluzione si forma è:
l’entità relativa delle forze intermolecolari all’interno e tra molecole
di soluto e quelle di solvente
Attilio Citterio
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Definizioni
Solvente: il componente più abbondante di una soluzione
Soluto: il componente disciolto nel solvente
Solubilità (S): la quantità massima di soluto che si scioglie in
una determinata quantità di solvente ad una certa temperatura (in
presenza di un eccesso di soluto)
Soluzioni diluite e concentrate: sono termini qualitativi
Attilio Citterio
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Tipi di soluzioni
Soluzioni Liquide


Soluzioni Gas e Solido

Liquido-Liquido
Gas-Liquido


Gas-Gas
Gas-Solido
Solido-Solido
Soluzione Gas-gas: Tutti i gas sono completamente solubili tra loro
Soluzioni Gas-solido: Le molecole di gas occupano gli spazi
tra le particelle strettamente impaccate del solido.
Soluzione solido-solido: lega (sostituzionale o interstiziale)
Attilio Citterio
10
Disposizione di Atomi in due Tipi di Leghe
Zinco
Carbonio
Rame
Ferro
A. Ottone, una lega sostituzionale
B. Acciaio, una lega interstiziale
Attilio Citterio
Solubilità di una Serie di Alcoli in Acqua ed
Esano
Alcol
Struttura
Solubilità
in Acqua
Solubilità
in Esano
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esano =
CH3(CH2)4CH3
CH3OH
/metanolo)
CH3CH2OH
(etanolo)
Competizione
tra
legami a H
e forze di
dispersione
CH3(CH2)2OH
(propanolo)
CH3(CH2)2OH
(butanolo)
CH3(CH2)2OH
(pentanolo)
CH3(CH2)2OH
(esanolo)
Attilio Citterio
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Basi Molecolari per la Solubilità di CH3OH in H2O
H 2O
CH3OH
Soluzione di CH3OH
in H2O
Legame a idrogeno (H): CH3OH può servire come donatore e accettore
(massimo numero di tre legami per molecola)
Attilio Citterio
Bilanci di Massa in Soluzione Molarità (Concentrazione di Soluzioni) = M
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In miscele omogenee di composti (soluzioni) i bilanci di massa si
eseguono (spesso) tenendo conto del Volume (V) in cui reagenti e
prodotti sono immersi, la grandezza di riferimento è così la Molarità M:
mol
Moli di Soluto
M=
=
L
Litri di Soluzione
(mol·L-1)
soluto = materiale sciolto nel solvente
Nell’aria, l’azoto è il solvente e l’ossigeno, il biossido di carbonio,
ecc. sono i soluti.
Nell’acqua di mare, l’acqua è il solvente, e il sale NaCl, il cloruro di
magnesio, ecc…, sono i soluti.
Nell’ottone, il Rame è il solvente (90%), e lo Zinco è il soluto (10%)
Attilio Citterio
Riassunto delle Relazioni Massa-MoleCoefficienti in una Reazione Chimica
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MASSA (g)
del composto A
MW (g·mol-1) del
composto A
QUANTITA’ (mol)
del composto A
Numero di Avogadro
(molecole·mol-1)
M = mol·L-1
MOLECOLE
(o unità di formula
del compound A
in soluzione)
Attilio Citterio
Se il sistema è
in fase liquida
VOLUME (L)
della soluzione
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Preparazione di una Soluzione - I
Problema: Si prepara una soluzione di Fosfato di Sodio
sciogliendo 3.95 g d sale in 100 ml di acqua e diluendo
quindi a 300.0 ml. Qual è la Molarità (M) del sale e quella di
ciascun ione?
Na3PO4(s)
H 2O
3 Na+(aq) + PO4-3(aq)
Molti composti ionici si dissociano completamente in
soluzioni acquose in cationi ed anioni idratati.
Attilio Citterio
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Preparazione di una Soluzione - II
Massa molare di Na3PO4 = 163.94 g·mol-1
3.95 g / (163.94 g·mol-1) = 0.0241 mol Na3PO4
sciogliere e diluire a 300.0 ml
M = (0.0241 mol Na3PO4) / (0.300 L) = 0.0803 M Na3PO4
• per gli ioni PO4-3 = 0.0803 M
• per gli ioni Na+ = 3 × 0.0803 M = 0.241 M
Attilio Citterio
Preparazione di Laboratorio
di Soluzioni Molari di NiSO4
A
B
17
C
Attilio Citterio
D
Preparazione una Soluzione
di Permanganato di Potassio
18
Problema: Preparare una soluzione sciogliendo 1.58 g di KMnO4 in
sufficiente acqua per portare a 250.00 ml di soluzione. Il KMnO4 ha
una massa formula di 158.04 g·mol-1
1.58 g KMnO4 ×
1 mol KMnO4
158.04 g KMnO4
= 0.0100 mol KMnO4
0.0100 mol KMnO4
Molarità =
= 0.0400 M
0.250 L
Molarità ione K+ =
[K+] = [MnO4-] = 0.0400 M
Diluizione di una soluzione
0.1 M di KMnO4 (colore
dovuto allo ione MnO4‾)
Attilio Citterio
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Diluizione di Soluzioni
Problema: Prendere 25.00 ml di una soluzione 0.0400 Molare di
CuSO4 e diluirla a 1.000 L - Quale sarà la Molarità (M) della soluzione
diluita risultante?
N° di moli = Volume × Molarità
mol
0.0250 L × 0.0400
L
Aggiunta
Solvente
= 0.0010 mol
0.00100 mol / 1.00 L = 0.00100 M
Soluzioni concentrate:
Più particelle di soluto
per unità di volume
Attilio Citterio
Soluzioni diluite meno
particelle di soluto
per unità di volume
Calcoli sulla Massa di Soluto da un Certo
Volume di Soluzione
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Volume (L) di Soluzione
× Molarità M = (moli soluto per Litri
di soluzione) = mol·L-1
Massa (g) di Soluto
× Massa Molare (MW) = (massa per mole)
= g·mol -1
Moli di Soluto
Attilio Citterio
Calcoli sulle Quantità di Reagenti e
Prodotti per una Reazione in Soluzione
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Al(OH)3(s) + 3 HCl(aq) → 3 H2O(l) + AlCl3(aq)
Massa (g) di Al(OH)3
MW (g·mol-1)
Dati 10.0 g Al(OH)3, quale volume di
HCl 1.50 M occorre per neutralizzare la
base?
10.0 g Al(OH)3
= 0.128 mol Al(OH)3
Moli di Al(OH)3
78.00 g·mol-1
3 mol HCl
Rapporto Molare 0.128 mol Al(OH) ×
3
mol Al(OH)3
= 0.385 mol HCl
Moli di HCl
M (mol·L-1)
Vol HCl =
Volume (L) di HCl
1.00 L HCl
× 0.385 mol HCl
1.50 mol HCl
= 0.256 L = 256 ml
Attilio Citterio
Soluzioni:
Unità di Misura della Concentrazione
Def. Concentrazione
rapporto
quantità (mol) di soluto
volume (L) di soluzione
molarità (M)
quantità (mol) di soluto
molalità (m)
massa (kg) di solvente
massa di soluto (kg)
massa di soluzione (kg)
parti in massa (p/p)*
volume di soluto (L)
parti in volume (v/v)*
volume di soluzione (L)
quantità (mol) di soluto
frazione molare (χ)*
quantità (mol) di soluto + quantità (mol)
di solvente
* I valori sono anche riportati come percentuali
Attilio Citterio
Risoluzione di Problemi sul Reagente
Limitante in Soluzione - Precipitazione
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Problema: Il Piombo è stato usato per anni per smaltare le porcellane, e
è pericoloso se queste non vengono cotte bene nel forno perché il
metallo può essere rilasciato dalla porcellana. L’aceto viene usato per
verificare il rilascio di ioni Pb2+, procedendo poi alla precipitazione del
Piombo come solfuro (PbS). Se si aggiungono 257.8 ml di una
soluzione 0.0468 M di nitrato di Piombo a 156.00 ml di una soluzione
0.095 M di Na2S, qual è la massa del PbS solido formato?
Piano: Si tratta di un problema di agente limitante perché sono fornite le
quantità dei due reagenti. Dopo aver scritto l’equazione bilanciata, si
determina il reagente limitante, quindi si calcolano le moli di prodotto.
Si passa alla massa di prodotto tramite il peso formula
Soluzione: L’equazione bilanciata è :
Pb(NO3)2(aq) + Na2S(aq) → 2 NaNO3(aq) + PbS(s)
Attilio Citterio
Schema per il Calcolo
della Percentuale in Massa
Volume (L)
di soluzione
di Pb(NO3)2
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Volume (L)
di soluzione
di Na2S
Moltiplicare
per M (mol·L-1)
Moltiplicare per
M (mol·L-1)
Quantità (mol) Il Rapporto Quantità (mol)
di Na2S
di Pb(NO3)2
Molare
Dividere per
il coefficiente
dell’equazione
inferiore
Quantità (mol)
di PbS
Massa (g) di PbS
Attilio Citterio
Dividere per
il coefficiente
dell’equazione
Risoluzione di Problemi sull’Agente
Limitante in Soluzione - Precipitazione
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moli di Pb(NO3)2 = V × M = 0.2578 L × (0.0468 mol·L-1) =
= 0.012065 mol Pb2+
moli di Na2S = V × M = 0.156 L × (0.095 mol·L-1) = 0.01482 mol S2Pertanto il Nitrato di Piombo è il Reagente Limitante!
Il calcolo del prodotto fornisce:
moli di PbS = 0.012065 mol
Pb2+
1 mol PbS
×
1 mol Pb2+
= 0.012065 mol
0.012065 mol Pb2+ = 0.012065 mol PbS
0.012065 mol PbS ×
239.3 g PbS
= 2.89 g di PbS
1 mol PbS
Attilio Citterio
Relazioni Stechiometriche Fondamentali tra
Mole-Massa-Coefficienti
MASSA (g)
dell’elemento
MASSA (g)
MASSA (g)
del composto A
del composto B
MW (g·mol-1)
QUANTITA’ (mol)
di ciascun elemento
nel composto A
Numero di
Avogadro
ATOMI
dell’elemento
QUANTITA’ (mol)
di composto A
M (mol·L-1)
VOLUME (L)
della
soluzione A
MASSA (g)
dell’elemento
MW (g·mol-1)
MW (g·mol-1)
formula
chimica
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Reazione
Rapporto
Molare QUANTITA’ (mol)
di composto B
Numero di
Avogadro
MOLECOLE
MOLECOLE
(o unità di formula
del composto A)
(o unità di formula
del composto B)
Attilio Citterio
MW (g·mol-1)
formula
chimica QUANTITA’ (mol)
di ciascun elemento
nel composto B
M (mol·L-1)
VOLUME (L)
della
soluzione A
Numero di
Avogadro
ATOMI
dell’elemento
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Calori di Soluzione e Cicli in Soluzione
Dissoluzione di un solido: il processo è spezzabile in tre stadi:
1.
Le particelle di soluto si separano tra loro - endotermico
soluto (aggregato) + calore
2.
∆Hsolute > 0
Le particelle di solvente si separano tra loro - endotermico
solvente (aggregato) + calore
3.
soluto (separato)
solvente (separato)
∆Hsolvent > 0
Separare la miscela di particelle di soluto e solvente - esotermico
soluto (separato) + solvente (separato)
Attilio Citterio
soluzione + calore ∆Hmix < 0
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Calcolo del Calore di Soluzione, ∆Hsoln
 ∆Hsoln è la variazione totale di entalpia che si ottiene quando si forma
una soluzione per dissoluzione di un soluto in un solvente
∆Hsoln. = ∆Hsoluto + ∆Hsolvente + ∆Hmisc.
Un ciclo termochimico in soluzione
Solvente
separato
+
∆Hsolvente
∆Hmisc
Hiniziale
Soluzione
∆Hmisc
∆Hsoluto
+
Solvente
aggregato
Soluto
aggregato
Hfinale
B. Processo di soluzione Endotermico
Attilio Citterio
Hfinale
∆Hsoln < 0
Hiniziale
∆Hsoln < 0
A. Processo di soluzione Endotermico
Soluzione
∆Hsolvente
∆Hsoluto
Soluto
aggregato
Soluto
separato
∆Hsolvente
Solvente
aggregato
∆Hsoluto
∆Hsoluto
∆Hsolvente
Entalpia, H
Solvente
separato
Entalpia, H
Soluto
separato
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Calore di Idratazione
• La solvatazione di ioni da parte dell’acqua è sempre esotermica.
M+ (g) [or X- (g)]
H2O
M+ (aq) [or X- (aq)]
∆Hidr. dello ione < 0
∆Hidr è legato alla densità di carica dello ione, cioè, sia la carica
coulombiana che la dimensione dello ione sono importanti.
L’energia reticolare è il ∆H implicato nella formazione
di un solido ionico dai suoi ioni in fase gas.
M+ (g) + X- (g)
MX(s)
∆Hreticolare è sempre (-)
perciò, ∆Hsoln = -∆Hreticolare + ∆Hidr
Attilio Citterio
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Andamento nei Calori Ionici di Idratazione
ione
Raggio ionico (pm)
∆Hidr (kJ·mol-1)
Gruppo 1A
Li+
Na+
K+
Rb+
Cs+
76
102
138
152
167
-510
-410
-336
-315
-282
Gruppo 2A
Mg2+
Ca2+
Sr2+
Ba2+
72
100
118
135
-1903
-1591
-1424
-1317
Gruppo 7A
FClBrI-
133
181
196
220
-431
-313
-284
-247
Attilio Citterio
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Ricordare! Bilanci Energetici in soluzione
Le reazioni chimiche in qualunque condizioni avvengano sono
soggette ai bilanci di materia (bilanci di massa) ma anche ai bilanci
di energia. Per esempio per la dissoluzione di un sale (AgF) si ha:
∆H°soluzione
22 kJ·mol-1
AgF(s)
Ag+(id) + F-(id)
+ H2O
−∆H°reticolare AgF
976 kJ·mol-1
∆H°idratazione ioni
Ag+(g) + F-(g)
Processo lievemente endotermico (bilancio
tra en. reticolare ed en. idratazione degli ioni)
Attilio Citterio