Stechiometria

L’equazione bilanciata è il punto di partenza

Per N₂ + 3H₂ → 2NH₃, una molecola di N₂ reagisce con tre molecole di H₂ formando due molecole di NH₃. Lo stesso rapporto vale per le moli:

Il rapporto non significa che 1 g di N₂ reagisca con 3 g di H₂, perché sostanze diverse hanno masse molari diverse.

Esempio svolto da massa a massa

Supponiamo che 10,0 g di H₂ reagiscano con N₂ in eccesso. Usando M(H₂) ≈ 2,016 g·mol⁻¹:

Scrivere le unità a ogni passaggio rende visibile la logica dimensionale e permette di individuare molti errori di impostazione.

Reagente limitante e resa teorica

Quando sono note le quantità di più reagenti, si calcola quanto prodotto potrebbe formare ciascuno. La quantità prevista più piccola deriva dal reagente limitante.

La resa teorica è la quantità massima di prodotto consentita dalla stechiometria a partire dal reagente limitante. Il reagente in eccesso rimane dopo il consumo del reagente limitante.

Resa effettiva e resa percentuale

Negli esperimenti reali si può perdere prodotto, la reazione può arrestarsi prima del completamento o possono formarsi prodotti secondari. La resa percentuale confronta il prodotto recuperato con il massimo teorico:

Una resa superiore al 100 % indica in genere un prodotto umido o impuro, un errore di misura o una composizione assunta in modo errato, non una reazione che abbia creato materia aggiuntiva.

Calcolatore del rapporto molare

Il calcolatore esegue soltanto il passaggio relativo al rapporto molare. Un problema completo richiede comunque un’equazione bilanciata e le eventuali conversioni di massa, volume o concentrazione.

Soluzioni, gas e stechiometria

Per una soluzione, le moli si possono ricavare da n = cV quando la concentrazione c è espressa in mol·L⁻¹ e il volume V in litri. Le quantità di gas possono essere ottenute da un’equazione di stato appropriata e poi messe in relazione mediante la reazione bilanciata.

La regola centrale resta la stessa: convertire la grandezza misurata in moli, applicare il rapporto tra coefficienti e quindi convertire nella grandezza richiesta.

Reagente in eccesso e quantità residua

Dopo aver identificato il reagente limitante, la quantità di reagente in eccesso consumata si calcola con lo stesso rapporto molare. Sottraendola dalla quantità iniziale si ottiene ciò che rimane.

Per N₂ + 3H₂ → 2NH₃ con 2,00 mol N₂ e 4,00 mol H₂, l’idrogeno è limitante. Consumare 4,00 mol H₂ richiede 4,00/3 = 1,33 mol N₂, lasciando 0,67 mol N₂.

Il calcolo della quantità residua è importante nella progettazione dei reattori e nella pianificazione di laboratorio, perché il reagente in eccesso può influire su purificazione, costi e sicurezza.

Stechiometria in soluzione e titolazione

Se sono note la concentrazione c e il volume V, la quantità di sostanza in soluzione è n = cV. Una volta determinate le moli, l’equazione bilanciata fornisce il rapporto stechiometrico esattamente come in un problema di massa.

La titolazione misura il volume necessario per raggiungere un punto stechiometrico di reazione. Il colore di un indicatore o un segnale strumentale permette di individuare un punto finale sperimentale vicino al punto di equivalenza.

Stechiometria dei gas

Le quantità di gas possono essere convertite in moli mediante un’equazione di stato come PV = nRT quando il comportamento di gas ideale è un’approssimazione adeguata. Alla stessa temperatura e pressione, i volumi dei gas sono proporzionali alle quantità in moli, quindi i coefficienti bilanciati possono diventare anche rapporti di volume.

Per 2H₂ + O₂ → 2H₂O(g), due volumi di H₂ reagiscono con un volume di O₂ formando due volumi di vapore acqueo alla stessa T e P, purché i gas si comportino idealmente e l’acqua rimanga allo stato gassoso.

Purezza, idrati e formula chimica effettivamente presente

Un campione pesato può non essere costituito da reagente puro. Se un solido contiene il 92,0 % in massa del composto attivo, nel calcolo delle moli di quel composto va usata solo 0,920 volte la massa del campione.

I sali idrati richiedono la massa molare dell’idrato effettivamente presente. CuSO₄·5H₂O e CuSO₄ anidro contengono la stessa quantità di CuSO₄ per mole di unità formula, ma frazioni massiche molto diverse perché la massa dell’idrato comprende cinque molecole d’acqua.

Molti apparenti errori di stechiometria sono in realtà errori nella formula o nella composizione del campione commessi prima ancora di applicare il rapporto tra coefficienti.

L’avanzamento di reazione unifica tutte le variazioni stechiometriche

Per una descrizione più avanzata, l’avanzamento di reazione ξ misura quanto è progredita una reazione bilanciata. Se νᵢ è il coefficiente stechiometrico con segno della specie i, la sua quantità varia secondo Δnᵢ = νᵢξ.

Per N₂ + 3H₂ → 2NH₃, un avanzamento di 1,00 mol consuma 1,00 mol N₂ e 3,00 mol H₂ producendo 2,00 mol NH₃. I consueti rapporti molari sono la forma per componenti di questa singola relazione.

Cifre significative e coefficienti esatti

I coefficienti stechiometrici di un’equazione correttamente bilanciata sono interi esatti per la reazione indicata e non limitano le cifre significative. La precisione deriva dalle misure di massa, volume, concentrazione e massa molare.

Conviene mantenere cifre aggiuntive nei passaggi intermedi e arrotondare alla fine. Un arrotondamento prematuro può alterare sensibilmente il confronto tra reagenti limitanti quando due quantità previste di prodotto sono vicine.

Esercizi

Rapporto molare

Per 2H₂ + O₂ → 2H₂O, quante moli di H₂O possono formarsi da 3,0 mol di O₂ con H₂ in eccesso?

Reagente limitante

Per N₂ + 3H₂ → 2NH₃, quale reagente è limitante: 1,0 mol N₂ o 2,0 mol H₂?

Resa percentuale

La resa teorica è 25,0 g e quella effettiva 20,0 g. Calcola la resa percentuale.