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La stechiometria, termine derivante dal greco stoicheion che significa elemento e metron che significa misura, si potrebbe descrivere con una certa approssimazione e con maggiore familiarità come l'aritmetica applicata alla chimica. In pratica noi sappiamo che le sostanze possono reagire solo in determinate proporzioni molari ma il chimico ha la necessità di convertire tali quantità molari in masse, in modo da poter utilizzare la bilancia. Sicuramente la stechiometria non è tra gli argomenti preferiti dagli studenti di chimica e proprio per questo cercherò, in una maniera quanto più possibile semplice e chiara, di guidare con un esempio pratico tutti coloro che si devono cimentare con i problemi stechiometrici.

Un metodo per rendere l'approccio più amichevole per capire come poter risolvere i problemi di questo genere è certamente quello di seguire una serie di operazioni. Quello che consiglio a tutti è l'esecuzione, nell'ordine descritto, dei seguenti step:

  • elaborazione dell'equazione chimica descritta dal testo del problema
  • bilanciamento dell'equazione, mediante l'individuazione dei corretti coefficienti stechiometrici
  • individuazione del reagente limitante, tenendo in considerazione la proporzionalità stechiometrica
  • calcolo del prodotto risultante o del reagente occorrente, tenendo in considerazione la proporzionalità stechiometrica

Vediamo nel dettaglio i punti sopra esposti facendo un esempio.

Problema: se facciamo reagire 150 g di etano con 200 g di ossigeno, si ottengono diossido di carbonio e acqua. Qual è la massa dell'acqua che si forma?

Fase 1. Equazione chimica

C2H6(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g)

L'equazione ora descritta sopra non è bilanciata. Facciamolo adesso.

Fase 2. Bilanciamento dell'equazione

Abbiamo 2 atomi di carbonio a sinistra, quindi mettiamo un coefficiente pari a 2 a destra della freccia, davanti a CO2:

C2H6(g) + O2(g)2 CO2(g) + H2O(g)

Per bilanciare i 6 atomi di idrogeno dell'etano, poniamo un 3 davanti al simbolo dell'acqua, molecola che presenta 2 atomi di idrogeno (3x2 = 6 atomi di idrogeno)

C2H6(g) + O2(g)2 CO2(g) + 3 H2O(g)

Ora dobbiamo bilanciare l'ossigeno: abbiamo due atomi di questo elemento a sinistra e sette a destra. Per il momento possiamo porre il coefficiente frazionario 7/2 davanti all'ossigeno molecolare (cioè è come se considerassimo 7 atomi totali):

C2H6(g) + 7/2 O2(g)2 CO2(g) + 3 H2O(g)

Ora per eliminare il 2 al denominatore dell'ultimo coefficiente stechiometrico introdotto, moltiplichiamo entrambi i membri dell'equazione per 2:

2 C2H6(g)7 O2(g) → 4 CO2(g)6 H2O(g)

Ora l'equazione è bilanciata. Dalla sua lettura si vede qual è la proporzionalità tra le quantità in moli dei reagenti e dei prodotti. In pratica essa ci dice che facendo reagire 2 moli di etano con 7 moli di ossigeno molecolare si ottengono 2 moli di diossido di carbonio e 3 moli di acqua. Di questi coefficienti si terrà conto per il calcolo del reagente limitante.

Fase 3. Individuazione del reagente limitante

Prima dobbiamo trasformare le quantità dei reagenti, che sono masse, in moli. Ricordiamo che il numero di moli (n) di una sostanza si calcola dal rapporto tra la sua massa espressa in grammi e la rispettiva massa molare:

n di C2H6 = 150 g/30,07 g·mol-1 = 4,99 mol

n di O2 = 200 g/32 g·mol-1 = 6,25 mol

Quelle calcolate sono le moli effettive, cioè le quantità di sostanza realmente utilizzate. Ora dobbiamo vedere se il rapporto tra di esse è uguale a quello teorico. In pratica il rapporto tra 2 mol (coefficiente stechiometrico dell'etano) e 7 mol (coefficiente stechiometrico dell'ossigeno) si confronta con quello tra 4,99 mol (quantità di etano reale) e 6,25 mol (quantità di ossigeno reale). Si vede con facilità che utilizzando 4,99 mol di etano dovremmo avere:

2 : 7 = 4,99 : x

x = 17,465 mol di O2

Con tale quantità di etano non abbiamo abbastanza ossigeno: in chimica si dice che l'ossigeno è il reagente limitante. Adesso che abbiamo ricavato questa importante informazione possiamo andare allo step successivo.

Fase 4. Calcolo del prodotto risultante

Dall'equazione bilanciata dedotta nella fase (2) si vede che con 7 moli di O2 si ottengono 6 moli di acqua. Dobbiamo quindi utilizzare questi coefficienti:

x = 5,36 mol (moli di acqua ottenute)

Ora è sufficiente trasformare questa quantità in unità di massa:

m di acqua = 5,36 mol · 18 g·mol-1 = 96,48 g

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