Stechiometria

La stechiometria è quella branca della chimica che studia i rapporti quantitativi delle sostanze chimiche e delle reazioni chimiche.

La stechiometria di reazione indica in che rapporti due o più sostanze reagiscono tra di loro. Essa viene rappresentata attraverso coefficienti, detti appunto coefficienti stechiometrici, i quali esprimono i rapporti molari con cui le sostanze coinvolte nella reazione reagiscono. Il calcolo stechiometrico permette di determinare matematicamente le quantità di reagenti e prodotti coinvolti in una reazione chimica.

Gli atomi reagiscono tra loro in rapporti esprimibili con numeri naturali, anche se per comodità spesso vengono usati coefficienti frazionari; comunque dato che cambiando i coefficienti cambia anche la costante di equilibrio, una reazione è bilanciata correttamente solo con coefficienti interi.

I coefficienti stechiometrici vengono posti prima di ogni specie chimica che partecipa alla reazione. In assenza di coefficiente si presuppone che il numero sia 1.

Esempi

Combustione del metano

Nella reazione di combustione del metano con ossigeno:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

l'equazione chimica ci informa che qualsiasi quantità di metano e di ossigeno si sia messa a reagire si troverà a reazione terminata che: la quantità in moli di metano reagita sarà la metà della quantità in moli di ossigeno reagita e anche che sarà uguale alla quantità in moli di anidride carbonica prodotta e anche che sarà la metà della quantità in moli di acqua prodotta. Si noti quindi che, grazie ai coefficienti stechiometrici, è sufficiente conoscere uno qualsiasi dei valori, in moli, di sostanza reagita o prodotta per conoscere agevolmente il valore, in moli, di tutte le altre sostanze reagite o prodotte. Facendo riferimento a valori semplici: ogni mole di metano (16 grammi) reagisce con due moli di ossigeno (2 × 32 = 64 grammi) formando una mole di anidride carbonica (44 grammi) e due moli di acqua (2 × 18 = 36 grammi).
Si noti che la massa totale reagita (80 g) è uguale alla massa totale prodotta (legge di Lavoisier), casualmente anche il n° di moli reagite (3) è uguale al n° di moli prodotte (3) però in generale per le reazioni chimiche si troverà che la massa sarà sempre conservata mentre il n° di moli potrà aumentare o diminuire. Nelle reazioni chimiche quantitative o totali (non in quelle di equilibrio) la reazione ha termine quando almeno uno dei reagenti si è esaurito di tale reagente si dice che è "in difetto" o che è il reagente limitante, gli altri vengono detti reagenti in eccesso. I coefficienti stechiometrici di un'equazione chimica forniscono, come visto, i rapporti molari tra reagenti, tra prodotti e tra reagenti e prodotti, mantenendo inalterati tali rapporti si può scrivere correttamente una equazione chimica usando varie combinazioni di numeri come coefficienti stechiometrici per questo motivo possono essere espressi anche in forma frazionaria (o decimale). Per comodità si usano coefficienti interi che permettono di considerare un rapporto semplificato tra molecole.

Formazione dell'acqua da ossigeno e idrogeno

Ecco un esempio (la reazione della formazione dell'acqua, espressa con coefficienti interi):

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

oppure con numeri frazionari:

H₂ + 1/2 O₂ → H₂O

dall'una o dall'altra scrittura ricaviamo l'informazione che le moli di idrogeno reagite saranno il doppio delle moli di ossigeno reagite, che le moli di acqua formate saranno il doppio di quelle di ossigeno reagite, ecc.

Combustione nei motori termici

Un altro esempio sull'importanza del rapporto stechiometrico lo si ha nella combustione nei motori termici, dove si ha sia una determinata quantità d'aria (comburente) e di combustibile; situazioni differenti da quella ideale possono portare a decadimenti strutturali e/o prestazionali, per questo nelle trasformazioni del motore per poter funzionare con altri combustibili è opportuno rivedere il sistema d'alimentazione.

Nel caso di motori a benzina si hanno come valori limite gli 8:1 e 20:1, dove in questo range si ha il funzionamento del motore, mentre nel caso si verifichi una situazione al di fuori di questo range il motore non riesce a funzionare per eccesso di benzina se il rapporto è più basso, mentre se è più alto la causa è data dall'eccesso d'aria, questa situazione è comunque sia analoga a qualsiasi altro carburante, dove il funzionamento è ristretto a un determinato range.

Procedura calcoli stechiometrici

1) Bilanciare la reazione chimica data o verificare che essa sia già bilanciata.

2) Calcolare la M.M.R. (massa molecolare relativa) della sostanza di cui si conosce la massa e di quella la cui massa è incognita.

3)Calcolare il numero di moli effettive della sostanza di cui si conosce la massa.

4) Verificare il rapporto tra le moli teoriche della sostanza di cui si conosce la massa e le moli teoriche di quella la cui massa è incognita.

5) Calcolare le moli effettive della sostanza la cui massa è incognita di solito tramite una propozione.

6) Calcolare la massa incognita.

Ecco un problema sui calcoli stechiometrici: "Data la seguente reazione chimica, calcola la massa di IDROSSIDO DI SODIO che é necessaria per produrre 35g. di FOSFATO DI SODIO.

NaOH + H3PO4 ------> Na3PO4 + H2O Come possiamo notare in questa reazione chimica è che non è bilanciata.

3NaOH + H3PO4 ------> Na3PO4 + 3H2O Ora la reazione chimica è bilanciata.

M.M.R. NaOH: 23+16+1= 40g/mol

M.M.R. Na3PO4= (23x3)+31+(16x4)= 164g/mol

mol effettive Na3PO4= 35g : 164g/mol= 0,21mol.

Adesso bisogna seguire il passaggio numero 4, ovvero: Verificare il rapporto tra le moli teoriche della sostanza di cui si conosce la massa e le moli teoriche di quella la cui massa è incognita. Si svolge in questo modo: x= incognita.

3mol teoriche NaOH : 1mol teorica Na3PO4 = x : 0,21 X= 0,63mol. Infine l'ultimo passaggio, ovvero calcolare la massa. Massa= 0,63mol x 40 (M.M.R.) = 25,5g.

Voci correlate

• Composto non stechiometrico
• Legge della conservazione della massa (chimica)
• Legge delle proporzioni definite
• Legge delle proporzioni multiple
• Reazione chimica
• Valenza (chimica)

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