051 – Stoechiometrie

Stoichiometria este aritmetica chimiei: setul de reguli care îi permite unui chimist să anticipeze, înainte ca orice să fie amestecat, exact cât produs va genera o reacție. O uzină farmaceutică o folosește pentru a dimensiona un lot, un operator de stație de tratare a apei o folosește pentru a doza un coagulant, iar un proiectant de motoare o folosește pentru a stabili raportul aer-combustibil. Regulile decurg dintr-un singur fapt, conservarea materiei — o reacție rearanjează atomii, dar nu îi creează și nu îi distruge niciodată — astfel încât coeficienții unei ecuații echilibrate stabilesc raportul în care substanțele se combină. Acest raport este un raport de moli, nu de grame și nu de mililitri, motiv pentru care fiecare calcul stoichiometric trece prin mol în drumul său de la ceea ce se măsoară la ceea ce se anticipează.

Acest laborator pune la încercare acea predicție pe o neutralizare. Acidul sulfuric este diprotic: fiecare unitate formulă poate elibera doi protoni, așa că necesită doi moli de hidroxid de sodiu pentru fiecare mol al său, iar ecuația egalizată este H₂deci₄(aq) + 2 NaOH(aq) → Na₂deci₄(aq) + 2 H₂O(l). Ambele produse sunt invizibile în momentul în care se formează — sulfatul de sodiu rămâne dizolvat, iar noua apă se adaugă pur și simplu la apa deja existentă — așa că singura modalitate de a vedea ce s-a format este să îndepărtezi solventul.

În acest laborator veți pipeta 10 mL de acid sulfuric 1,0 mol/L și 10 mL de hidroxid de sodiu 2,0 mol/L într-o capsulă de porțelan care a fost deja cântărită, veți evapora apa pe o placă de încălzire, veți usca reziduitul la 70 °C și veți cântări din nou capsula. Deoarece capsula, hârtia de filtru și bagheta de agitare se află pe balanță de ambele dăți, masele lor se anulează la scădere, iar diferența reprezintă masa sării singure. Această masă măsurată este apoi comparată cu masa pe care o prevede ecuația echilibrată. Comparația, mai degrabă decât sarea, este rezultatul experimentului.

Obiective educaționale

Interpretarea unei ecuații chimice echilibrate

• Citește coeficienții unei ecuații ca un raport de moli, mai degrabă decât de mase sau volume.
• Un acid diprotic consumă doi moli de hidroxid monobazic deoarece fiecare moleculă de acid poate elibera doi ioni de hidrogen ($H^+$), în timp ce o moleculă de hidroxid monobazic furnizează un singur ion de hidroxid ($OH^-$); prin urmare, sunt necesari doi moli de bază pentru a neutraliza complet un mol de acid. Pentru alte perechi acid-bazic, raportul molar dintre acid și bază este invers proporțional cu numărul de ioni $H^+$ și $OH^-$ pe care fiecare îi poate elibera. Regula generală este că numărul de moli de acid înmulțit cu valența acidului (numărul de $H^+$ eliberați) este egal cu numărul de moli de bază înmulțit cu valența bazei (numărul de $OH^-$ eliberați). De exemplu: - Un acid monoprotic și o bază monobazică: raport 1:1. - Un acid triprotic și o bază monobazică: raport 1:3. - Un acid diprotic și o bază dibazică: raport 1:1 (sau 2:2).

Conversia între concentrație, volum, cantitate și masă

• Se aplică formula n = C × V pentru a determina cantitatea de substanță conținută într-un volum măsurat al unei soluții cu concentrație cunoscută.
• Calculați masa molară pe baza maselor atomice și folosiți relația m = n × M pentru a converti o cantitate estimată într-o masă estimată.

Recunoașterea cantităților stoichiometrice și limitante

• Testează dacă doi reactanți au fost furnizați în raportul cerut de ecuație, în loc să presupui că au fost.
• Identificați care reactant ar fi limitant dacă raportul ar fi diferit și calculați randamentul pe care acea limitare l-ar impune.

Tehnică de laborator cantitativă

• Măsurați un volum prestabilit cu ajutorul unei pipete volumetrice și precizați toleranța specifică acestui instrument.
• Cântăriți prin diferență, menținând pe balanță, la ambele citiri, fiecare element care nu este analitul, astfel încât masa acestuia să se anuleze.
• Utilizați o placă de încălzire cu agitare magnetică și un cuptor de uscare pentru a izola un solid nevolatil din soluție.

Izolarea unui produs dizolvat

• Explicați de ce un produs solubil trebuie recuperat prin evaporare și nu prin filtrare.
• Precizați de ce contează temperatura de uscare pentru o sare care poate cristaliza ca hidrat.

Compararea unei măsurători cu o previziune

• Calculați randamentul procentual și explicați ce ar însemna o valoare mai mare sau mai mică decât 100 %.

Manipularea în condiții de siguranță a substanțelor corozive și a echipamentelor fierbinți

• Lucrați cu acid de 1 mol/L și bază de 2 mol/L, folosind echipamentul de protecție adecvat, și adăugați baza în acid, nu invers.
• Folosiți mănuși termice pentru a muta un vas de porțelan fierbinte și pentru a deschide un cuptor de uscare.

Protocol

Înainte de a începe experimentul, calculați masa de Na₂SO₄ obținut în urma amestecării a 10 mL de H₂SO₄ 1 M și 10 mL NaOH 2 M. Ecuația stoichiometrică este următoarea: H₂Na2SO4(aq) + 2 H2O(l)₂SO4(aq) + 2 H₂O(l).

1. Introduceți o bară de agitare magnetică în vasul de porțelan.
2. Pune hârtia de filtru înPâlnia Büchner.
3. Cântăriți vasul de porțelan cu hârtia de filtru și bagheta de agitare folosind balanța electronică.
4. Masa se găsește în tabelul de rezultate.
5. Scoateți hârtia de filtru din creuzetul de porțelan și așezați-o pe blat.
6. Măsurați 10 mL de acid sulfuric 1M (H₂SO₄) cu pipeta de măsurare.
7. Toarnă tot acidul sulfuric (H₂SO₄) în vasul de porțelan.
8. Măsurați 10 mL de soluție de hidroxid de sodiu (NaOH) 2M cu pipeta de măsură.
9. Adăugați cu blândețe hidroxidul de sodiu (NaOH) în vasul de porțelan care conține acid sulfuric.
10. Pune hârtia de filtru în pahar. Filtrul este prezent pentru a evita stropirea.
11. Așezați paharul de porțelan pe plita fierbinte.
12. Atașați o clemă universală la suport.
13. Atașați termometrul la clema universală, astfel încât vârful termometrului să fie poziționat în vas.
14. Porniți agitatorul magnetic.
15. Ajustați temperatura plitei la 105 °C, pentru a atinge punctul de fierbere al apei.

Notă: După atingerea temperaturii de 100 °C, apa poate dura până la 1 minut înainte de a trece în starea de vapori (din cauza căldurii latente de vaporizare). Într-adevăr, în timpul vaporizării, se adaugă energie, dar termometrul nu se mișcă. Această energie servește doar la schimbarea stării fizice, nu la încălzirea lichidului.

16. Încălziți până când temperatura lichidului din pahar atinge 100 °C. Odată ce a început fierberea, treceți la pasul următor.
17. Opriți agitatorul și reduceți temperatura țintă a plitei la 15 °C.
18. Scoateți termometrul din suport și așezați-l pe masă.
19. Îndepărtați clema universală de pe suport.
20. Porniți cuptorul de uscare apăsând butonul de pornire de pe panoul central.
21. Deschide ușa cuptorului de uscare.
22. Prinde paharul de porțelan folosind mănușile termice.
23. Apoi așezați balonul în centrul unuia dintre rafturile etuvei.
24. Închide ușa cuptorului de uscare.
25. Setați cuptorul de uscare la 70 °C.
26. Lăsați la uscat la 70 °C timp de 24 de ore. Pentru a face acest lucru, apăsați butonul din dreapta ceasului.
27. Deschide ușa cuptorului de uscare.
28. Scoateți balonul din etuva de uscare și cântăriți-l împreună cu conținutul său, hârtia de filtru și bagheta magnetică, folosind balanța.
29. Închide ușa cuptorului de uscare.
30. Oprește cuptorul de uscare.
31. Masa finală se găsește în tabelul de rezultate.
32. Scoateți hârtia de filtru și tija magnetică din paharul de porțelan.
33. Fă o fotografie a sării obținute pe fundul paharului Berzelius (camera este poziționată cu accesoriile de siguranță lângă coșul de gunoi).

După experiment

1. Calculați masa de sare formată din diferența dintre masele măsurate la pasul 3 și pasul 26.
2. Comparați această masă cu masa teoretică așteptată conform calculelor stoechiometrice sugerate în introducere.

Rezultate anticipate

Reacția și raportul molar. Neutralizarea studiată este cea a lui H₂deci₄(aq) + 2 NaOH(aq) → Na₂deci₄(aq) + 2 H₂O(l). Exprimat ca proces ionic, acesta nu este altceva decât 2 H₃O⁺ + 2 OH⁻ → 4 ore₂O: ionii de sodiu și de sulfat sunt „spectatori” și rămân în soluție neschimbați până la îndepărtarea apei. Coeficientul 2 din fața hidroxidului reprezintă întreaga stoichiometrie a acestui experiment și provine din faptul că acidul este diprotic.

Cantitățile livrate. Fiecare volum pipetat corespunde unei cantități calculate prin formula n = C × V:

n(H₂deci₄) = 1,0 mol/L × 0,0100 L = 0,0100 mol
n(NaOH) = 2,0 mol/L × 0,0100 L = 0,0200 mol

Raportul n(NaOH) / n(H₂deci₄) = 0,0200 / 0,0100 = 2,00 este exact raportul dintre coeficienți, deci reactanții sunt prezenți în proporții stoichiometrice și niciunul nu este limitant: ambii sunt consumați complet în același moment. Concentrațiile de 1,0 și 2,0 mol/L au fost alese din acest motiv, iar volumele egale sunt cele care fac ca raportul dintre concentrații să fie egal cu raportul dintre cantități.

Masa teoretică a produsului. Ecuația indică formarea unui mol de sulfat de sodiu pentru fiecare mol de acid sulfuric, deci n(Na₂deci₄) = 0,0100 mol. Masa sa molară este M = 2 × 22,99 + 32,06 + 4 × 16,00 = 45,98 + 32,06 + 64,00 = 142,04 g/mol, și, prin urmare,

m(Na₂deci₄) = n × M = 0,0100 mol × 142,04 g/mol = 1,42 g

Ce ar trebui să arate soldul. Vasul este cântărit gol la pasul 3 și din nou cu conținutul său uscat la pasul 26. Valorile de mai jos sunt cele pe care simularea le înregistrează în tabelul său de rezultate.

De ce vasul este cântărit de două ori în loc să fie tarat. Cantitatea dorită este m_sare = m_final − m_inițial. Capsula, hârtia de filtru și bagheta de agitare apar în ambii termeni și se anulează exact — cu condiția ca niciuna dintre ele să nu fie îndepărtată între cele două cântăriri, motiv pentru care protocolul lasă bagheta de agitare în capsulă pe tot parcursul menținerii în etuvă. Prin urmare, metoda nu trebuie să știe niciodată cât cântărește capsula, ci doar că aceasta a cântărit la fel de ambele dăți.

Precizia pe care o poate atinge această metodă. Cântărirea prin diferență are un cost: cantitatea dorită este de 1,42 g, dar fiecare citire este în jur de 102 g, astfel încât o eroare relativă mică asupra unui număr mare devine o eroare relativă mare asupra celui mic. Dacă fiecare citire este precisă până la ±0.05 g, diferența poartă √(0.05² + 0.05²) = 0,07 g, rezultând 1,42 ± 0,07 g, sau ±5 %. Cele două pipete volumetrice de 10 mL, clasa A, în schimb, au fiecare o precizie de ±0,02 mL — 0,2 % — astfel încât, prin cuadratură, cantitățile eliberate sunt cunoscute cu o precizie de 0,3 %, de aproximativ șaptesprezece ori mai bună decât masa recuperată. Cântărirea, nu măsurarea, este ceea ce limitează acest experiment. Un vas cu o masă de zece ori mai mică sau o balanță cu o precizie de 0,001 g ar îmbunătăți rezultatul mult mai mult decât orice atenție suplimentară acordată pipetei.

De ce trebuie îndepărtată apa și cât de multă este. Sulfatul de sodiu este solubil în proporție de aproximativ 28 g la 100 mL de apă la 25 °C. Cele 1,42 g formate aici se află în aproximativ 20 mL de soluție, adică aproximativ 7 g la 100 mL — un sfert din saturație — așa că nimic nu precipită la amestecare și nu există nimic de văzut sau de filtrat. Recuperarea sa înseamnă îndepărtarea a aproximativ 20 g de apă: încălzirea acelei ape de la temperatura camerei până la punctul de fierbere necesită 20 g × 4,18 J/g·K × 81 K = 6,8 kJ, iar vaporizarea acesteia necesită încă 20 g × 2257 J/g = 45 kJ, în total aproximativ 52 kJ. Nouă zecimi din energie se duc în schimbarea de fază și nu în încălzire, motiv pentru care plita rămâne la valoarea sa de setare o perioadă lungă de timp, termometrul refuzând să urce peste 100 °C, și motiv pentru care această etapă domină experimentul real.

De ce cuptorul este setat la 70 °C și nu este lăsat la temperatura camerei. Acesta este pasul tratat cel mai adesea ca o formalitate și este cel care decide dacă predicția poate fi testată în vreun fel. Sub 32,4 °C, faza solidă stabilă a sulfatului de sodiu în contact cu apă nu este sarea anhidră, ci decahidratul, Na₂deci₄·10H₂O — Sarea lui Glauber — cu masa molară de 322,20 g/mol. Cele zece molecule de apă de cristalizare dublează masa: aceeași cantitate de 0,0100 mol ar cântări 0,0100 × 322,20 = 3,22 g, ceea ce reprezintă un randament aparent de 227 %. Uscarea la 70 °C menține sarea peste acea temperatură de tranziție și o transformă în forma anhidră, astfel încât cei 1,42 g prevăzuți reprezintă o estimare referitoare la Na₂deci₄ și nu despre un hidrat. În schimb, un vas uscat la aer pe bancul de laborator va ajunge la o masă situată undeva între 1,42 și 3,22 g, iar un student care nu poate numi tranziția nu va avea nicio modalitate de a explica acest număr.

Căldura pe care o degajă însăși reacția. Neutralizarea unui acid tare de către o bază tare eliberează aproape 57,3 kJ pentru fiecare mol de apă format, deoarece în fiecare astfel de reacție are loc același proces la nivel molecular. Aici se formează 0,0200 mol de apă, astfel încât căldura eliberată este de 0,0200 mol × 57,3 kJ/mol = 1,15 kJ. Răspândită în aproximativ 21 g de soluție cu o capacitate termică specifică de aproape 4,0 J/g·K, aceasta oferă ΔT = 1150 J / (21 g × 4.0 J/g·K) ≈ 14 °C. Prin urmare, amestecul ar trebui să fie cald la atingere – aproape 33 °C de la o pornire de 19 °C – înainte ca plita să fie pornită, iar un termometru plasat în vas la pasul 13 ar trebui să înregistreze saltul.

Cum ar trebui să arate reziduul. Sulfatul de sodiu anhidru este o pulbere cristalină albă, cu curgere liberă. Deoarece este sarea unui acid slab și a unei baze tari (Note: strong acid and strong base -> acid tare și bază tare), niciunul dintre ionii săi nu se hidrolizează semnificativ, iar soluția rămâne la pH 7 pe parcursul evaporării. Nimic coroziv nu este concentrat pe măsură ce volumul scade, ceea ce face tocmai ca această reacție să fie sigură pentru a fi dusă prin fierbere până la sec și o alegere nepotrivită de reacție pentru a preda lecția opusă.

Ce s-ar schimba dacă reactanții nu s-ar potrivi. Să presupunem că hidroxidul de sodiu ar fi fost de 1,0 mol/L în loc de 2,0. Atunci n(NaOH) = 0,0100 mol față de n(H₂deci₄) = 0,0100 mol, un raport de 1,00 unde ecuația cere 2,00. Hidroxidul de sodiu ar fi reactivul limitativ, s-ar putea forma doar 0,00500 mol de sulfat de sodiu, iar masa recuperată ar scădea la 0,00500 × 142,04 = 0,71 g — jumătate din randament — în timp ce jumătate din acidul sulfuric ar rămâne andurant, neantrenat în reacție, și ar fi concentrat treptat prin evaporare până la starea a ceva cu adevărat periculos. Efectuarea calculului pentru acel caz este cel mai rapid mod de a arăta de ce raportul, și nu doar cantitatea, este cel care trebuie nimerit corect.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare. Citirea unei ecuații echilibrate și urmărirea atentă a unei proceduri cantitative, astfel încât răspunsul să aibă sens. Molul este introdus ca unitate de numărare, mai degrabă decât derivat, iar calculul este stabilit pentru clasă.

• Identificați reactanții și produșii și exprimați în cuvinte ce reprezintă coeficientul 2 din fața NaOH.
• Urmează calculul dat de la concentrație și volum la o masă prevăzută de 1,42 g, înlocuind numerele în ecuațiile furnizate de profesor.
• Înregistrează cele două citiri ale balanței și obține masa sării ca fiind diferența dintre ele, explicând de ce vasul a trebuit cântărit atât înainte, cât și după.
• Descrieți aspectul reziduului și denumiți-l.
• Vocabularul care trebuie utilizat corect până la sfârșit: neutralizare, sare, mol, masă molară, evaporare, reziduu.

Clasa a XI-a

Concentrare. Efectuarea tratamentului stoichiometric complet fără ajutor și interpretarea randamentului.

• Echilibrați ecuația din formulele reactanților și produșilor, apoi calculați n = C × V pentru ambele soluții și demonstrați că raportul este 2,00.
• Calculează masa molară a sulfatului de sodiu din masele atomice și obține masa teoretică fără a ți se da calea.
• Calculați randamentul procentual pe baza masei măsurate și explicați ce ar însemna din punct de vedere fizic o valoare mai mare de 100 %, respectiv o valoare mai mică de 100 %.
• Verificați că masa se conservă pe parcursul întregii reacții (1,78 g introduse, 1,78 g eliminate) și explicați unde se duce 0,36 g de apă produsă.
• Sulfatul de sodiu nu poate fi recuperat prin filtrare deoarece este extrem de solubil în apă, ceea ce înseamnă că se dizolvă complet în lichid, formând o soluție omogenă din care particulele solide nu pot fi separate prin mijloace fizice de filtrare.
• Recalculează randamentul pentru cazul în care hidroxidul de sodiu este de 1,0 mol/L, identificând reactantul limitant.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare. Chimia hidraților și proiectarea metodei. Se așteaptă ca studenții să își justifice fiecare pas, mai curând decât să îl execute.

• Explicați etapa de uscare la 70 °C în contextul tranziției decahidratului la 32,4 °C, calculați masa pe care Na₂deci₄·10H₂O s-ar da (3,22 g) și s-ar descrie cum s-ar demonstra uscarea până la masă constantă.
• Calculați căldura eliberată prin neutralizare din ΔH = −57,3 kJ pe mol de apă și preziceți creșterea temperaturii amestecului; comparați acea predicție cu ceea ce înregistrează simularea.
• Estimați energia totală necesară pentru evaporarea solventului și comentați proporția care se consumă pentru schimbarea de fază comparativ cu creșterea temperaturii.
• Propuneți o reproiectare care să mărească precizia cu un ordin de mărime — un vas mai ușor, o balanță analitică, o scară de reacție mai mare — și să cuantifice îmbunătățirea pe care ar aduce-o fiecare.
• Discutați de ce ecuația ionică se reduce la un transfer de protoni și de ce entalpia de neutralizare este aproape aceeași pentru orice pereche de acid tare și bază tare.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Cratită de evaporare din porțelan
• Hârtie de filtru (folosită ca și capac antistropee, nu pentru filtrare)
• Pipetă volumetrică (10 mL)
• Magnet de agitare
• Plită electrică cu agitator magnetic
• Stativ de laborator cu inel și clemă universală
• Termometru digital
• Cuptor de uscare
• Cântar electronic
• Mănuși termice
• Camera
• Coșul de reciclare

Produse

• Acid sulfuric H₂deci₄ 1,0 mol/L (10 mL)
• Hidroxid de sodiu NaOH 2,0 mol/L (10 mL)