La stechiometria è una branca della chimica che si occupa delle relazioni quantitative tra i reagenti e i prodotti in una reazione chimica. Conoscere la stechiometria consente ai chimici di determinare le quantità di sostanze consumate e prodotte in una reazione, rendendolo fondamentale per il lavoro di laboratorio e le applicazioni industriali.
Nella stechiometria, l'equazione chimica fornisce una ricetta per una reazione chimica. Mostra quali reagenti si combinano e quali prodotti si formano, insieme alle rispettive quantità. Consideriamo l'equazione per la combustione del metano:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{O}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{O} \)Questa equazione ci dice che una molecola di metano ( \(\textrm{CH}_4\) ) reagisce con due molecole di ossigeno ( \(2\textrm{O}_2\) ) per produrre una molecola di anidride carbonica ( \(\textrm{CO}_2\) ) e due molecole di acqua ( \(2\textrm{H}_2\textrm{O}\) ).
La mole è un'unità utilizzata in chimica per esprimere quantità di una sostanza chimica. Una mole contiene esattamente \(6.022 \times 10^{23}\) particelle della sostanza (numero di Avogadro). Usando il concetto di mole, i chimici possono mettere in relazione la massa delle sostanze con il numero di particelle o moli coinvolte in una reazione.
I numeri che precedono le formule chimiche in un'equazione chimica sono chiamati coefficienti stechiometrici. Indicano le proporzioni in cui i reagenti si combinano e si formano i prodotti. Nell'esempio della combustione del metano, i coefficienti stechiometrici sono 1 per il metano, 2 per l'ossigeno, 1 per l'anidride carbonica e 2 per l'acqua.
Per eseguire calcoli stechiometrici, spesso è necessario convertire le moli in grammi o viceversa. Questo può essere fatto utilizzando la massa molare della sostanza, che è la massa di una mole di quella sostanza. La massa molare di un composto è la somma delle masse molari dei suoi componenti. Per esempio:
Calcoliamo la massa di anidride carbonica prodotta quando \(50.0\, \textrm{G}\) di metano viene completamente bruciato in ossigeno. La massa molare del metano è \(16.04\, \textrm{g/mol}\) e la massa molare dell'anidride carbonica è \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Innanzitutto, converti la massa del metano in moli:
\( \textrm{moli di CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{G}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Utilizzando i coefficienti stechiometrici dell'equazione bilanciata, sappiamo che 1 mole di metano produce 1 mole di anidride carbonica, quindi le moli di anidride carbonica prodotte saranno uguali alle moli di metano reagite.
Quindi, converti le moli di anidride carbonica in grammi:
\( \textrm{massa di CO}_2 = \textrm{moli di CO}_2 \times \textrm{massa molare di CO}_2 \)In una reazione chimica, il reagente limitante è la sostanza che viene consumata completamente per prima e determina la quantità massima di prodotto che può essere formato. La resa teorica è la quantità massima di prodotto prevista da una reazione, in base alla quantità di reagente limitante.
Per identificare il reagente limitante, confrontare il rapporto molare dei reagenti disponibili con il rapporto molare richiesto dall'equazione chimica bilanciata. Il reagente che fornisce la minor quantità di prodotto secondo il rapporto stechiometrico è il reagente limitante. Il calcolo della resa teorica implica l'utilizzo della quantità di reagente limitante e della stechiometria della reazione.
Consideriamo la reazione tra il gas azoto ( \(\textrm{N}_2\) ) e il gas idrogeno ( \(\textrm{H}_2\) ) per produrre ammoniaca ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Se abbiamo 28 g di \(\textrm{N}_2\) e 10 g di \(\textrm{H}_2\) , qual è il reagente limitante e qual è la resa teorica di \(\textrm{NH}_3\) ?
Massa molare di \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Massa molare di \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Convertire grammi in moli:
\( \textrm{moli di N}_2 = \frac{28\, \textrm{G}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{moli di H}_2 = \frac{10\, \textrm{G}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)Confronta il rapporto molare disponibile tra \(\textrm{H}_2\) e \(\textrm{N}_2\) con il rapporto stechiometrico dell'equazione. Il reagente limitante determina la quantità massima di \(\textrm{NH}_3\) che può essere prodotta. Convertire le moli del reagente limitante in moli di \(\textrm{NH}_3\) utilizzando i coefficienti stechiometrici, quindi in grammi se necessario.
I calcoli stechiometrici non si limitano ai reagenti e ai prodotti nella loro forma pura; si applicano anche alle soluzioni. Nelle soluzioni acquose, le concentrazioni sono spesso espresse in molarità, ovvero in moli di soluto per litro di soluzione ( \(M = \textrm{mol/l}\) ).
Quando si eseguono reazioni in soluzione, il volume della soluzione e la sua molarità possono essere utilizzati per trovare le moli di reagente o prodotto coinvolti. Ciò è particolarmente utile negli esperimenti di titolazione, in cui una soluzione di concentrazione nota viene utilizzata per determinare la concentrazione di una soluzione sconosciuta mediante neutralizzazione.
Supponiamo di dover neutralizzare 50,0 mL di una soluzione 1,0 M di HCl con una soluzione di NaOH. La reazione è la seguente:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{O} \)La stechiometria della reazione ci dice che una mole di HCl reagisce con una mole di NaOH per produrre una mole di NaCl e una mole di acqua. Per prima cosa determiniamo le moli di HCl:
\( \textrm{Moli di HCl} = \textrm{Volume (l)} \times \textrm{Molarità (M)} \)Quindi, utilizzando il rapporto stechiometrico, calcolare il volume della soluzione di NaOH necessaria per reagire completamente con la soluzione di HCl. Questo esempio dimostra l'applicazione della stechiometria nelle soluzioni, dove la concentrazione e il volume delle soluzioni determinano le quantità di reagenti e prodotti.
La stechiometria è un concetto fondamentale in chimica che consente l'analisi quantitativa dei reagenti e dei prodotti in una reazione chimica. Comprendendo la relazione tra le quantità di diverse sostanze coinvolte in una reazione, i chimici possono prevedere la resa dei prodotti, identificare i reagenti limitanti e calcolare le quantità necessarie di materiali per le reazioni. Sia che si tratti di reazioni nella loro forma pura o in soluzioni, i calcoli stechiometrici forniscono informazioni preziose sia per gli esperimenti di laboratorio che per i processi chimici industriali. I componenti chiave, tra cui il concetto di mole, i coefficienti stechiometrici e la capacità di convertire tra moli e grammi o di determinare le concentrazioni nelle soluzioni, sono essenziali per eseguire questi calcoli in modo accurato. Attraverso la pratica e l'applicazione, è possibile padroneggiare i calcoli stechiometrici e applicarli a un'ampia gamma di problemi chimici.
