Utente:Pep-k/Sandbox/Stechiometria by examples

La stechiometria si occupa di calcolare la relazione tra le quantità di reagenti e prodotti in una reazione. Partiamo da un esempio:

L'esperimento Ipotizziamo di avere un recipiente in cui è contenuto 1 L di aceto e di aggiungervi un cucchiaino di bicarbonato di sodio. Cosa accade? L'esperienza ci insegna che si verifica un'effervescenza dovuta alla formazione di anidride carbonica. Al termine della reazione aggiungiamo un altro cucchiaino di bicarbonato di sodio. Cosa accade? Di nuovo, si verifica un'effervescenza. Cosa accade se continuiamo queste aggiunte? In un primo tempo continueremo ad assistere al fenomeno dell'effervescenza, tuttavia ad un certo punto la quantità di bicarbonato diventerà eccessiva rispetto a quella dell'aceto e l'effervescenza non si verificherà più. La stechiometria risponde alla domanda: qual è la massima quantità di bicarbonato che posso aggiungere all'aceto continuando ad avere un'effervescenza?

Tale esempio, seppur semplice, espone in maniera chiara cosa è la stechiometria. In che modo viene fornita una risposta al quesito esposto? Tramite le equazioni chimiche, già accennate nella lezione reazioni chimiche. Vediamo come:

Miscelando aceto e bicarbonato di sodio si può assumere che l'unica reazione che contribuisce all'effervescenza è la reazione tra acido acetico (CH₃COOH)e bicarbonato di sodio (NaHCO₃) che produce anidride carbonica (CO₂), acqua (H₂O) acetato di sodio (CH₃COONa).

$CH_{3}COOH+NaHCO_{3}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O+CH_{3}COONa$

In questa equazione contiamo gli atomi di ciascun elemento presente complessivamente nei reagenti e nei prodotti:

	Reagenti	Prodotti
Carbonio (C)	3	3
Idrogeno (H)	5	5
Ossigeno (O)	5	5
Sodio (Na)	1	1

Gli atomi di ciascun elemento risultano presenti in uguale quantità sia a destra che a sinistra dell'equazione. Per questo motivo tale equazione è detta bilanciata (stechiometricamente). Questo vuol dire che

una molecola di CH3COOH e una molecola di NaHCO3 reagiscono a dare una molecola di H2O, una molecola di CO2 e una molecola di CH3COONa.

Come visto nella lezione mole, massa molare e costante di Avogadro possiamo parlare di moli invece che di molecole ottenendo un risultato ugualmente corretto. Dunque

una mole di CH3COOH e una mole di NaHCO3 reagiscono a dare una mole di H2O, una mole di CO2 e una mole di CH3COONa. 

Esprimere le quantità in gioco con le moli crea un grosso vantaggio: posso immediatamente passare da moli a grammi calcolando le masse molari dei reagenti e dei prodotti della reazione. Allora se utilizziamo i grammi, di che quantità stiamo parlando?

L'acido acetico ha una massa molare di 60.06 g mol^-1, il bicarbonato di sodio di 84.02 g mol^-1, l'anidride carbonica di 44.01 g mol^-1, l'acqua di 18.02 g mol^-1 e l'acetato di sodio di 82.05 g mol^-1.

Dunque, utilizzando i grammi dovremo dire che

60.06 g di acido acetico reagiscono con 84.02 g di bicarbonato di sodio a dare 44.01 g di anidride carbonica, 18.02 grammi di acqua e 82.05 grammi di acetato di sodio. 

Come è evidente i rapporti tra reagenti e prodotti in grammi non sono per niente semplici. Tuttavia, ora che conosciamo queste quantità possiamo rispondere al quesito iniziale utilizzando le seguenti approssimazioni:

1) L'aceto può essere considerato in buona approssimazione una soluzione di acido acetico al 6% in peso.
2) La densità dell'aceto può essere approssimata a quella dell'acqua cioè 1 L = 1000 g. 

Di conseguenza la quantità di acido acetico che abbiamo nel nostro recipiente è: ${\frac {6}{100}}1000\ g=60\ g$.

A questo punto già sappiamo la risposta al quesito che ci eravamo posti: qual è la massima quantità di bicarbonato che posso aggiungere all'aceto per continuare ad avere un'effervescenza?

La risposta è: 84 g.

Inoltre, sappiamo anche che l'effervescenza che risulta da questa reazione è dovuta alla formazione di 44 g di anidride carbonica, e che nel recipiente rimarrà una soluzione contenente 82 grammi di acetato di sodio. Ovviamente la quantità di acqua nel recipiente sarà aumentata di 18 g per un totale di ${\frac {94}{100}}1000+18\ g=958\ g$ quindi nel recipiente abbiamo una soluzione di acetato di sodio al 7.9% in peso.