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La quantità chimica ed il suo uso nel calcolo stechiometrico

La quantità chimica ed il suo uso nel calcolo stechiometrico. Come si misura la quantità degli elementi e delle sostanze?. Di fronte a te hai diversi quantitativi di sostanze semplici. Come fai a dire quale delle sostanze semplici è presente in maggior quantità?

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La quantità chimica ed il suo uso nel calcolo stechiometrico

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Presentation Transcript

  1. La quantità chimica ed il suo uso nel calcolo stechiometrico

  2. Come si misura la quantità degli elementi e delle sostanze? • Di fronte a te hai diversi quantitativi di sostanze semplici. Come fai a dire quale delle sostanze semplici è presente in maggior quantità? • Per rispondere è necessario ricorrere a delle grandezze bilanciabili, vale a dire quelle grandezze che permettono di rispondere a domande del tipo :- quanto carbone c‘è?- quanto ne è stata aggiunto o tolto?-quanto ne è stato consumato?

  3. Quando si paragonano le quantità delle sostanze presenti nei corpi, si utilizzano grandezze bilanciabili (estensive) che fanno riferimento alle caratteristiche della materia: • La materia occupa dello spazio  Volume (V) • La materia ha un peso ed un‘inerzia al moto Massa (m) • La materia è costituita da un certo numero di atomi  quantità chimica dell‘elemento (n(X) ) • La materia è costituita da un certo numero di molecole  quantità chimica delle sostanze (n(XnYm )) • Per esprimere la quantità chimica si fa riferimento alla natura corpuscolare della materia. La quantità chimica è quindi legata ad un certo numero di particelle. • La quantità chimica di un elemento esprime un certo numero di atomi di un determinato elemento • La quantità chimica di una sostanza esprime un certo numero di molecole di una determinata sostanza

  4. Quale campione di riferimento (unità di misura) utilizzare per la quantità chimica? • L‘unità di misura per il volume (V) è un certo quantitativo di spazio (m3) ad esempio lo spazio occupato da un quantitativo di acqua scelto arbitrariamente. • L‘unità di misura per la massa (m) è una certa quantità di materia (kg), ad esempio la massa presente in un quantitativo di platino scelto arbitrariamente. • L‘unità di misura per la quantità chimica (n) è un certo numero di atomi di carbonio, ad esempio il numero di atomi presenti in un determinato quantitativo di carbonio, scelto arbitrariamente. Unità di misura per entità „corpuscolari“

  5. L‘unità di misura della quantità chimica L‘unità di misura scelta internazionalmente per la quantità chimica è un campione di carbonio che contiene un ben definito numero di atomi (tutti uguali) e che possiedono complessivamente una massa di esattamente 12 g. Campioni di riferimento per 1,0 mol costituiti da elementi differenti (figura): Carbonio, Cobalto, Alluminio, Bromo, Mercurio, Zolfo, Rame.

  6. Quante particelle ci sono in 1 mole? • Oggi si è potuto stimare che in 1 mole di carbonio (12,0 g)sono presenti 6,022.1023 atomi. Questo numero è chiamato numero di Avogadro (NA): in 1 mole di un elemento ci sono 6,022.1023 atomise si sta considerando un elemento e 6,022.1023 molecole se si sta considerando una sostanza) • La costante di proporzionalità tra il numero di particelle (N) e la quantità chimica (n) è chiamata costante di Avogadro : N=NA. ndove NA = 6,022.1023 1/mol

  7. Che quantità chimica corrisponde ad una particella? • Ad una mole di un elemento corrispondono 6,022.1023 atomi, per cui ad un atomo corrisponde una quantità chimica dell‘elemento pari a 1,66.10-24 mol. • La quantità chimica più piccola che si può avere di un elemento è quindi un atomo che corrisponde a  =1,66.10-24 mol • La più piccola quantità chimica che si può avere di una sostanza è quindi una molecola che corrisponde a 1,66.10-24 mol NA. = 6,022.1023 mol-1. 1,66.10-24 mol= 1

  8. La quantità chimica (n) si misura spesso indirettamente, sfruttando la proporzionalità diretta con cui è legata alle altre grandezze bilanciabili: • la proporzionalità diretta tra n e V (nei gas la costante di proporzionalità è indipendente dal tipo di sostanza utilizzata) • La proporzionalità diretta tra n e m (la costante di proporzionalità dipende dal tipo di sostanza utilizzata) • La proporzionalità diretta tra n e N (la costante di proporzionalità non dipende dal tipo di sostanza utilizzata) • Il rapporto tra le grandezze bilanciabili riferito al medesimo materiale è sempre uguale: m1/m2 = V1/V2 ; n1/n2=m1/m2 ; n1/n2=V1/V2 ; n1/n2=N1/N2

  9. Preparazione di una determinata quantità chimica per pesata Quantità chimica degli elementi Utilizzando unicamente la bilancia e le informazioni riportate sulla tavola periodica inserisci nel bicchiere: I) 1,0 mol di carbonio; II) 0,1 mol di carbonio; III) 0,5 mol di zolfo; Quale dei tre campioni: • ha una massa maggiore? • occupa un volume maggiore? Massa atomica e massa molare degli elementi La massa molare di un elemento (M) è la costante di proporzionalità tra m e n: m= M.n Completa la tabella!

  10. Pesa di più una mole di acqua (H2O) od una di alcol (C2H6O)?

  11. Una mole di alcune sostanze

  12. Preparazione di una determinata quantità chimica con una misura di volume Utilizzando due cilindri graduati riempi un primo recipiente con 1,0 mol di acqua ed un secondo con 2 mol di acqua. Ripeti l’operazione utilizzando il propanolo (C3H8O). Cosa cambia? Preleva ora una quantità di propanolo che contenga la stessa quantità chimica di idrogeno presente in 20 mL di acqua. Preleva con una siringa di vetro: • una quantità chimica di anidride carbonica pari a quella presente in 100 mL di butano. • Una quantità di butano che contenga la stessa quantità chimica di carbonio presente in 100 mL di anidride carbonica.

  13. Le quattro grandezze estensive a confronto e le rispettive costanti di proporzionalità Considera la tabella seguente nella quale sono riportati i dati per esprimere la quantità di propanolo presente in 4 differenti campioni. a) Utilizzando gli strumenti a tua disposizione effettua le misure che ti permettono di completare i dati riguardanti il primo campione di propanolo. Quale numero minimo di misure risulta necessario effettuare? b) Sfruttando le relazioni esistenti tra le quattro grandezze, completa la tabella deducendo i valori di m,V, n ed N per gli altri campioni di alcol.

  14. mmolec= 60 u  M = 60 g/mol

  15. mmolec= 60 u  M = 60 g/mol

  16. Relazioni e costanti di proporzionalità tra m, V, n ed N (1) m =d. V (2) m = M. n (3) V = Vmol. n (4) m = mmolec . N (5) N = NA. n Le 5 relazioni indicate sopra valgono per tutte le sostanze pure. Delle 5 relazioni la/le … non esiste/ono se ci si riferisce all’elemento invece che alla sostanza. Delle 5 costanti di proporzionalità indicate sopra, quella/e che non dipende/ono: - dalla sostanza o dall’elemento considerato è/sono…… - da T e p è/sono……….

  17. Relazioni e costanti di proporzionalità tra m, V, n ed N (1) m =d. V (2) m = M. n (3) V = Vmol. n (4) m = mmolec . N (5) N = NA. n Le 5 relazioni indicate sopra valgono per tutte le sostanze pure. Delle 5 relazioni la/le … non esiste/ono se ci si riferisce all’elemento invece che alla sostanza. Delle 5 costanti di proporzionalità indicate sopra, quella/e che non dipende/ono: - dalla sostanza o dall’elemento considerato è/sono…… - da T e p è/sono……….

  18. La rilettura delle formule chimiche in termini di quantità chimiche Livelloatomicomolecolare Livello macroscopico Rapporti tra le quantità chimiche con cui si combinano gli elementi:n(O)/n(C)= … Rapporto tra la massa di ossigeno e quella della CO2 in cui si trova: considerando 1 molecola : m(O)/m(CO2)=… considerando 1 mol di molecole m(O)/m(CO2)=… Rapporti tra le masse con cui si combinano gli elementi: m(O)/m(C)=…

  19. La rilettura dei rapporti di trasformazione delle sostanze in termini di quantità chimiche 1 5 3 4

  20. Rapporti tra i volumi delle sostanze gassose che reagiscono

  21. Massa molare, volume molare e densità T= 0°C , p = 1,0 bar

  22. La carica molare Ad uno ione corrisponde una massa, un volume, una quantità chimica ed una carica ben determinata. T= 0°C , p = 1,0 bar La carica molare rappresenta la costante di proporzionalità tra la carica e la quantità chimica. F = q(e). NA = 96500 C/mol

  23. Esempio • Calcola la carica molare degli ioni presenti in AlCl3 e trova la quantità chimica e la massa di Al che si produce in 1h quando attraverso AlCl3 liquido viene fatta passare una corrente di 2 A. • Quanta carica deve trasferirsi per produrre 10 mL di idrogeno gassoso dall’elettrolisi dell’ H2O ?

  24. Cartina al cloruro di cobalto 0,5 m L di sostanza da analizzare 5 g Ossido di rame (CuO) Soluzione acquosa di idrossido di bario 17 mL di una soluzione 0,2 M Verso la formula chimica: analisi elementare qualitativa L’analisi elementare permette di stabilire quali elementi sono presenti in un composto organico Analizza la combustione di etanolo, acido acetico e acetato di etile, quali sono le osservazioni che ti permettono di dedurre gli elementi presenti nelle rispettive sostanze? Un altro procedimento per identificare la presenza di C ed H è quello indicato in figura. Che cosa segnala la cartina di cloruro di cobalto? In che modo? Che cosa segnala la soluzione di idrossido di bario? Come?

  25. Verso la formula chimica: analisi elementare qualitativa Perché l’esperimento precedente ci permette di concludere che nelle nostre sostanze è presente l’elemento carbonio e l’elemento ossigeno? Durante le reazioni chimiche gli elementi si conservano. L’ossido di rame mette a disposizione della reazione dell’ossigeno. Se tra i prodotti trovo acqua e anidride carbonica, l’idrogeno e il carbonio devono per forza provenire dalla sostanza che ha reagito con l’ossido di rame. L’esperimento non mi dice se la sostanza contiene anche ossigeno: questo potrebbe provenire sia dalla nostra sostanza che dall’ossido di rame!

  26. Verso la formula chimica: analisi elementare qualitativa Analisi elementare quantitativa Permette di stabilire in quale percentuale in massa i vari elementi sono presenti nel composto e quindi di definire una formula minima del composto. Recipiente I Recipiente II Esempio: 3,0 mg di composto vengono introdotti nell’apparecchiatura. Al termine della reazione si constata che la massa contenente cloruro di calcio è aumentata di 1,80 mg, mentre quella con idrossido di sodio di 4,40 mg. Determina la formula minima del composto.

  27. L’aumento di massa misurato nel recipiente I è dovuto all’acqua catturata e quello nel recipiente II, all’anidride carbonica catturata • Dal quantitativo chimico di acqua rispettivamente anidride carbonica catturata si riesce a risalire ai quantitativi chimici degli elementi presenti nel campione di sostanza bruciata Usando le masse molari trovo la corrispondente quantità chimica delle sostanze prodottesi e di conseguenza degli elementi ivi contenuti:  La formula minima che esprime il rapporto di combinazione tra le quantità chimiche degli elementi è pertanto C1H2O1

  28. Verso la formula chimica: determinazione della massa molare La legge dei gas ideali Come potrebbero essere utilizzate queste apparecchiatura per determinare la massa molare delle nostre sostanze?

  29. Il volume occupato ad una ben determinata temperatura e pressione è direttamente proporzionale alla quantità chimica della sostanza presente • Se la formula molecolare fosse CH2O: La quantità chimica sarebbe n=0,1 mmol e il volume occupato di 3,93 mL. • Se la formula molecolare fosse C2H4O2: La quantità chimica sarebbe n=0,05 mmol e il volume occupato di 3,93/2= 1,97 mL. • e così via…

  30. trasparente azzurro 1.0 mL di sostanza 1 punta di spatola di reattivo (a base di cobalto) Verso la formula chimica: analisi elementare qualitativa Un altro indicatore ci permette di stabilire che nelle nostre sostanze è presente anche l’elementoossigeno Le nostre sostanze hanno quindi una formula del tipo:

  31. Dmitrij Ivanovič Mendeleev (1834-1907) 1 L'idea principale, con la quale si può giungere a spiegare la legge della periodicità, consiste proprio nella differenza radicale dei concetti di elemento e di sostanza semplice. Il carbonio è un elemento, è qualcosa di immodificabile, che è contenuto sia nel carbone, sia nell'anidride carbonica o nel gas illuminante, sia nel diamante, sia nelle sostanze organiche mutevoli, sia nel calcare e nel legno. Non si tratta di un corpo concreto…. …Come nei vapori acquei o nella neve non c'è un corpo concreto, cioè l'acqua liquida, bensì la medesima sostanza ponderabile con la somma delle sue proprietà, che appartengono soltanto a questa specifica sostanza, così in tutto ciò che vi è di carbonioso è contenuto il carbonio,…non il carbone, ma proprio il carbonio. Qui il termine riflette chiaramente la differenza dei concetti di carbone e di carbonio, vale a dire di sostanza semplice e di elemento, ma nel caso di molti altri elementi (anzi, per quasi tutti gli altri) non si dispone di questa differenza di termini. Così idrogeno è chiamato sia la sostanza semplice in stato gassoso sia l'elemento, contenuto nell'acqua e nella massa di altre sostanze composte liquide, gassose e solide. Si può pensare che col tempo questa imperfezione della lingua sarà corretta. Dmitrij Ivanovič Mendeleev, Il sistema periodico degli elementi – a cura di Silvano Tagliabue, Edizioni Teknos Roma 1994 pp 131-133 (Parte introduttiva del testo originale Periodičeskaja zakonnost' himičeskih elementov in Enciklopedičeskij slovar' brokgauza i Efrona, vol. XXIII, tomo XXIII, semitomo 45, Sankt Petersburg 1898, pp. 311-323.)

  32. La rilettura dell’equazione chimica in termini di quantità chimiche

  33. (1) m V (3) (4) (2) (5) n N

  34. Il rapporto tra la massa di una mole di carbonio e la massa una mole di idrogeno è uguale a quello tra la massa di un atomo di C e un atomo di H

  35. 1,0 g corrisponde a 6,022.1023 u

  36. Principio di Avogadro Se la temperatura e la pressione sono costanti , il volume occupato da un gas dipende soltanto dal numero di particelle presenti nel sistema e non dal tipo di molecole del gas considerato. Il principio di Avogadro mi permette di confrontare facilmente la quantità chimica di due sostanze gassose.

  37. Rapporti tra i volumi delle sostanze gassose che reagiscono

  38. Rapporti tra i volumi delle sostanze gassose che reagiscono

  39. Il volume molare dei gas

  40. Come faccio a riempire un bicchiere con 0,5 mol di zolfo? • La quantità chimica si misura spesso indirettamente sfruttando la proporzionalità diretta con cui è legata alle altre proprietà bilanciabili, massa e volume. • La costante di proporzionalità tra la massa e la quantità chimica è chiamata massa molare.

  41. Come misurare direttamente il numero degli atomi e determinare di conseguenza la quantità chimica? • Associando in modo univoco ad un numero conosciuto di atomi, il quantitativo di atomi che si vogliono contare.Nell‘anidride carbonica (CO2) 1 atomo di C è associato univocamente a 2 atomi di O :se brucio 12 g di C ed ottengo 44 g di anidride carbonica, deduco che in 32 g di ossigeno c‘è il doppio degli atomi presenti in 12 g di C, vale a dire 2 moli.

  42. Esempio:come determino quanto zolfo devo mettere in un bicchiere per avere 0,5 mol dell’elemento zolfo? La costante di proporzionalità tra la massa e la quantità chimica dell’elemento è chiamata massa molare (m=M.n) ed è direttamente legata alla massa atomica.

  43. Preparazione di una determinata quantità chimica per pesata (cont.) I) Utilizzando unicamente la bilancia edei cilindri graduati, riempi un cilindro graduato con 1,0 mol di acqua (H2O) ed un altro con 1,0 mol di propanolo (C3H8O). Quale dei due quantitativi: - ha una massa maggiore? - occupa un volume maggiore? - contiene una maggior quantità chimica di idrogeno? II) Che quantità chimica di acqua devi prendere per avere lo stesso quantitativo di idrogeno presente in 1,0 mol di propanolo? III) Che quantità chimica di anidride carbonica si può ottenere dalla decomposizione di 1,0 mol di propanolo? E dalla sua combustione?

  44. La rilettura delle formule chimiche in termini di quantità chimiche Livelloatomicomolecolare Livello macroscopico Rapporti tra le quantità chimiche con cui si combinano gli elementi:n(O)/n(C)= 2/1 Rapporto tra la massa di ossigeno e quella della CO2 in cui si trova: considerando 1 molecola : m(O)/m(CO2)=8/11 considerando 1 mol di molecole m(O)/m(CO2)=8/11 Rapporti tra le masse con cui si combinano gli elementi: .m(O)/m(C)=8/3

  45. La ril….ettura delle formule chimiche in termini di quantità chimiche Livelloatomicomolecolare Livello macroscopico Rapporti tra le quantità chimiche con cui si combinano gli elementi:…….. Rapporto tra la massa di ossigeno e quella della CO2 in cui si trova: considerando 1 molecola…………….. considerando 1 mol di molecole……. Rapporti tra le masse con cui si combinano gli elementi: ……..

  46. La rilettura dei rapporti di trasformazione delle sostanze in termini di quantità chimiche 1 5 3 4

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