Stechiometria, resa del prodotto e reagenti limitanti

Le equazioni chimiche rappresentano il modo in cui una reazione chimica procede dai reagenti ai prodotti attraverso cambiamenti fisici o chimici utilizzando formule chimiche.

La stechiometria è un termine che descrive le quantità relative di reagenti e prodotti in una reazione chimica. Si basa sulla Legge di Conservazione della Massa, che è una legge fondamentale che afferma che la materia non viene né creata né distrutta. Molto semplicemente, il numero e l'identità degli atomi reagenti devono essere uguali al numero e all'identità degli atomi prodotto. Le reazioni riorganizzano gli atomi ma non li creano o li distruggono. Ciò richiede che una reazione proposta sia bilanciata, il che significa che il numero di atomi per ciascun elemento sia uguale sul lato del reagente e del prodotto.

Ad esempio, nell'equazione chimica seguente, il lato sinistro (i reagenti) include un atomo di rame, un atomo di idrogeno, un atomo di azoto e tre atomi di ossigeno.

Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + NO

Sul lato destro, nota che il prodotto dell'acqua ha un numero che lo precede. Questo è un coefficiente e rappresenta il numero di molecole nella reazione. Utilizzando queste informazioni, possiamo contare il numero di atomi sul lato del prodotto. C'è un atomo di rame e otto atomi di idrogeno (4 x 2). Contare gli atomi di azoto e ossigeno richiede un po' più di matematica. Ci sono due atomi di azoto nel primo prodotto e un atomo di azoto nel terzo prodotto, per un totale di tre atomi di azoto. Per l'ossigeno, ci sono sei atomi di ossigeno nel primo prodotto, quattro atomi di ossigeno nel secondo prodotto e un atomo di ossigeno nel terzo prodotto per un totale di 11 atomi di ossigeno.

Se lasciata in questa forma, la reazione non sarebbe fattibile perché sfida la Legge di Conservazione delle Masse. Ci sono più atomi di idrogeno, azoto e ossigeno sul lato del prodotto. Pertanto, l'equazione deve essere bilanciata.

Il bilanciamento di un'equazione è un processo iterativo che richiede l'aggiunta di coefficienti a ciascun lato fino a quando i numeri non diventano uguali. Esistono diversi approcci per bilanciare un'equazione chimica. Un approccio utilizza una tabella per visualizzare i numeri e un po' di tentativi ed errori.

Poiché c'è un solo atomo di idrogeno sul lato del reagente ma otto atomi di idrogeno sul lato del prodotto, moltiplicando il composto contenente l'azoto sul lato del reagente per otto si bilancerebbe l'idrogeno. La seconda riga della nuova tabella riflette questa modifica al numero di atomi.

Successivamente, per aumentare il numero di azoto dal lato del prodotto, moltiplicando il prodotto Cu(NO₃)₂ per tre aumenterebbe il numero di atomi di azoto da tre a sette. Il numero di atomi di azoto non è ancora bilanciato, ma ci sono ancora coefficienti per un reagente e un prodotto da considerare.

Se ci sono due molecole di NO prodotte, questo aggiunge un altro atomo di azoto e un altro atomo di ossigeno al lato del prodotto, bilanciando queste due specie con il lato reagente.

L'unico atomo rimasto sbilanciato ora è il rame. Aumentando il numero a tre atomi di rame sul lato del reagente si bilancia l'equazione.

L'equazione bilanciata è scritta come segue:

3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + 2 NO

Il bilanciamento dell'equazione è essenziale anche per determinare il reagente limitante perché il coefficiente dei composti viene utilizzato per calcolare la quantità di prodotto prodotta da ciascun reagente (resa del prodotto). A partire da questa quantità, il reagente che produce la minor quantità di prodotto è considerato il reagente limitante, che viene completamente consumato nella reazione e quindi limita la quantità totale di prodotto generato. Questa quantità calcolata rappresenta anche la resa teorica della reazione, necessaria per calcolare la resa percentuale.

L'equazione bilanciata è più di una semplice contabilità degli atomi. I coefficienti descrivono la relazione molare tra prodotti e reagenti, cioè la quantità di prodotto prodotta da ciascun reagente. Il numero di moli di reagente viene utilizzato per calcolare il numero di moli di un altro prodotto o reagente. Il reagente che produce la minor quantità di prodotto è considerato il reagente limitante.

Il reagente limitante viene completamente consumato nella reazione e quindi limita la quantità totale di prodotto generato. Una volta che il reagente limitante è completamente consumato, non si formerà più prodotto. La possibile quantità di prodotto che potrebbe formarsi in base al reagente limitante è la resa teorica della reazione.

La resa effettiva viene confrontata con la resa teorica, risultando nella "resa percentuale". Una resa percentuale del 100% significa che, in base ai reagenti utilizzati, è stata prodotta la massima quantità possibile di prodotto. Rendimenti percentuali inferiori al 100% sono comuni e indicano che c'è stata una perdita di prodotto durante la reazione. La resa percentuale non è mai superiore alla resa teorica. In questo caso, si sono verificati errori sperimentali o di calcolo.