Calcoli stechiometrici e composizione percentuale: formule empiriche, molecolari e volume molare

Composizione percentuale (centesimale)

Esempio: composizione percentuale di H₂O

Per determinare la composizione percentuale di una molecola si calcola la massa di ciascun elemento presente nella formula, si divide per la massa molare totale della molecola e si moltiplica per 100. In pratica si ottiene la percentuale in massa di ogni elemento usando il fattore di conversione moli/massa secondo i legami della molecola, come illustrato di seguito:

Formula empirica

Procedura per ottenere la formula empirica dalla composizione percentuale:

1. Trasformare le percentuali in masse (assumendo 100 g di composto, le percentuali corrispondono ai grammi).
2. Dividere la massa di ciascun elemento per il rispettivo peso atomico per ottenere il numero di moli di ciascun elemento.
3. Dividere tutti i valori ottenuti per il valore più piccolo tra essi per ottenere i rapporti molecolari.
4. Arrotondare i rapporti ai numeri interi più vicini (moltiplicare per 2, 3, ... se necessario per ottenere interi).

Di seguito un esempio visuale del procedimento per ottenere la composizione centesimale e la formula empirica:

Alla fine, ad ogni elemento viene assegnato il numero di atomi corrispondente al rapporto ottenuto: quella sarà la formula empirica.

Formula molecolare

Per ricavare la formula molecolare, partendo dalla composizione percentuale e dai pesi atomici, occorre prima ottenere la formula empirica e calcolarne la massa molare (massa della formula empirica).

Se si conosce la massa molare reale (massa molare sperimentale o data), si determina il fattore n calcolando il rapporto:

In sintesi: la formula molecolare è uguale alla formula empirica moltiplicata per il numero intero n trovato con il rapporto tra massa molecolare reale e massa della formula empirica.

Esercizio ponderale e reagente limitante

Esempio di reazione e approccio ponderale

Un esempio di trasformazione (rappresentazione sommaria di calcoli ponderali) potrebbe essere:

Si calcolano le masse molari dei reagenti e dei prodotti. Spesso, per risolvere problemi stechiometrici, si applica una tecnica illustrata nell'immagine seguente (metodo di calcolo passo-passo):

Dopo aver effettuato i calcoli indicati, si individua il reagente limitante e il reagente in eccesso. Il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo; il reagente in eccesso non reagisce completamente. Per proseguire si elimina la quantità excendente del reagente in eccesso secondo il calcolo illustrato:

Questo procedimento permette di determinare la quantità di prodotto formato e confermare quale sia il reagente limitante e quale quello in eccesso, come mostrato nell'immagine seguente:

Quando si ottengono le proporzioni molari si lavora sulle quantità in moli e non si «rimuovono» i pesi molecolari dalle proporzioni: si considerano i rapporti molari per i calcoli stechiometrici.

Volume molare

Per calcolare il volume molare si può partire dalla massa o dal volume a disposizione. Se viene richiesto il volume e ci viene data la massa (o viceversa), si utilizzano la massa molare e i fattori di conversione. A condizioni standard (STP), 1 mole di gas ideale occupa 22,4 L (valore da usare quando richiesto dalle condizioni del problema).

Rappresentazione del calcolo del volume molare:

Numero di moli

Il numero di moli si ottiene dividendo la massa di una sostanza per la sua massa molare (o peso molecolare):

Se si chiede di calcolare i grammi di una sostanza e si conosce il numero di moli, si usa la stessa equazione invertita: massa = numero di moli × massa molare.

Nel caso in cui siano note la densità e il volume e si debba calcolare la massa, si usa l'equazione:

Si risolve per la massa e, una volta ottenuta la massa, si calcola il numero di moli con la formula vista sopra.

Numero di Avogadro

Il numero di Avogadro è 6,02 × 10²³. Per i calcoli è il fattore di conversione utilizzato per passare tra moli e numero di particelle (atomi, molecole, ioni):

• Numero di particelle = moli × N_A
• Moli = numero di particelle ÷ N_A

Rappresentazione visiva dell'uso del numero di Avogadro:

Note finali

Questi passaggi riassumono i calcoli fondamentali di stechiometria: conversioni massa-moli, determinazione della formula empirica e molecolare, identificazione del reagente limitante e uso del volume molare e del numero di Avogadro. Le immagini inserite illustrano i singoli passaggi e gli esempi numerici.