Stechiometria

               

La stechiometria è il settore della chimica che si occupa di quantificare le relazioni quantitative tra reagenti e prodotti in una reazione chimica. Essa si basa sul principio di conservazione della massa e utilizza le proporzioni molari per calcolare le quantità di sostanze coinvolte in una reazione chimica.

La stechiometria è fondamentale per determinare le quantità esatte di reagenti necessari per una reazione, nonché per calcolare i rendimenti teorici e percentuali di una reazione.

Un'equazione chimica bilanciata, contiene tutte le informazioni sulle particelle e sulle moli coinvolte nella reazione.
I coefficienti dinanzi alle formule dei composti (coefficienti stechiometrici) indicano la proporzione delle moli dei reagenti e dei prodotti.
Attenzione! Nell'equazione bilanciata non ci sono informazioni dirette sulle masse impiegate nella reazione:

possiamo, solo dire che 2 moli di idrogeno reagiscono con 1 mole di ossigeno, ma non possiamo certo dire che 2 grammi di idrogeno si combinano con 1 grammo di ossigeno. La massa molare, costituisce il tramite tra il numero di moli e la massa corrispondente, secondo la relazione

E' la massa molare (PM) che fa da tramite tra il numero di moli (n) e la massa impiegata (m).
Se supponiamo di avere 1 mole di ossigeno che facciamo reagire con l'idrogeno, cosa accade? Tenendo conto che
PM(H₂)=2g/mol
PM(O₂)=32g/mol
PM(H₂O)=18g/mol

in base alla relazione m=n·PM
1·32=32g di O₂
2·1=4g di H₂
2·18=36g di H₂O

Si conclude che un'equazione chimica, fornisce tutte le informazioni necessarie per calcolare per calcolare le quantità delle sostanze consumate o prodotte in una reazione.

Lo studio delle relazioni quantitative tra le moli dei reagenti e dei prodotti in una reazione prende il nome di stechiometria.

Ad esempio, nell'equazione bilanciata tra calcio e ossigeno si forma la calce viva

il rapporto quantitativo tra le moli delle sostanze è il seguente:

2 moli di calcio + 1 mole di ossigeno ⟶ 2 moli di ossido di calcio.

Ci possiamo chiedere quanti grammi di ossido di calcio si possono ottenere da 15g di calcio metallico.
Sapendo che PM(Ca)=40 g/mol mentre PM(O₂)=32 g/mol e PM(CaO)=56 g/mol

   moli di Ca

per ogni mole di O₂ impiegato nella reazione ce ne vogliono 2 di Ca, quindi il numero di moli di ossigeno coinvolte nella reazione è

    moli di O₂

poi dall'equazione si vede che il numero di moli di calce viva prodotta è pari a quello di calcio impiegato come reagente, dunque, saranno prodotte 0,375 moli di CaO.

     di CaO prodotta.

Reagente e limitante

              

Anche se facciamo combinare delle sostanze in quantità a nostro piacere, esse reagiscono sempre secondo il rapporto dato dall'equazione chimica. In queste circostanze, uno dei reagenti si consuma completamente e per questo viene chiamato reagente limitante, perché limita e determina la quantità di prodotto formato. L'altro reagente risulta in eccesso, e di conseguenza, rimane, in parte, non combinato.

I passaggi per individuare il reagente limitante, in modo sistematico, possono essere schematizzati nel modo seguente:

A Scrivere l'equazione chimica bilanciata.
B Convertire la massa in grammi di ciascun reagente nelle moli corrispondenti.
C Calcolare per ciascun reagente il rapporto tra le moli e il proprio coefficiente stechiometrico :
il reagente che presenta il più basso rapporto moli/coefficiente è il reagente limitante.

Ad esempio, consideriamo il seguente quesito: si vogliono combinare 10g di Al e 10 g di F₂O₃ secondo l'equazione:

Tra le due sostanze che reagiscono: alluminio (Al) ed ematite (Fe₂O₃) quale è il reagente limitante? Notiamo che:
PM(Al)=27 g/mol
PM(Fe₂O₃)=159,7 g/mol
PM(Fe)=55,84 g/mol
PM(Al₂O₃)=102 g/mol

adesso possiamo individuare il reagente limitante

l'ematite Fe₂O₃ presenta il minor rapporto moli/coefficiente, essa è il reagente limitante. In base alla quantità di reagente limitante si possono poi trovare informazioni sulla quantità delle sostanze prodotte.

con ogni mole di limitante Fe₂O₃ reagiscono 2 moli di Al

quindi di 10 g di Al messi a disposizione solo 3,348 reagiscono. Risulterebbero eccedenti 6,652 g di Al.

Metodo degli equivalenti

              

Esiste un altro modo per determinare le relazioni ponderali tra prodotti e reagenti, evitando di passare attraverso l'equazione bilanciata, utilizzando la nozione di equivalente (o grammo - equivalente).

Gli equivalenti di un composto sono dati dal rapporto tra la massa in grammi del composto e dal suo peso equivalente.

in questa pagina è riportato un promemoria sulla nozione di peso equivalente .

Ad esempio: calcolare quanti grammi di Ca(OH)₂ si formano facendo reagire 320g di di CaO con una sufficiente quantità di acqua senza ricorrere all'equazione chimica.
Si devono individuare il numero di equivalenti dell'ossido di calcio CaO messo a reagire con l'acqua H₂O producono una incognita massa di idrossido di calcio Ca(OH)₂.

Ovviamente la reazione è

ma noi facciamo finta di niente.

Nel CaO il calcio ha numero di ossidazione +2

da 15 equivalenti di CaO si otterranno altrettanti equivalenti di Ca(OH)₂. Ricordando che l'idrossido di calcio è una base che si dissocia secondo l'equilibrio

producendo 2 ioni idrossile OH^- dunque