Come risolvere i problemi di stechiometria: grammi, moli, rapporto, grammi

Il rapporto molare è tutto il metodo

Un'equazione bilanciata conta particelle, non massa. Quando scrivi N2 + 3 H2 che dà 2 NH3, il 3 significa tre molecole di idrogeno per ogni molecola di azoto — non dice nulla sui grammi, perché una molecola di idrogeno pesa un quattordicesimo di una di azoto. Ecco perché i grammi non si confrontano direttamente ed ecco perché il passaggio alle moli non è una formalità opzionale: la mole è l'unica valuta in cui i coefficienti hanno senso.

Orientare il rapporto nel verso giusto è la seconda metà dello stesso passaggio. La regola è mettere sopra la sostanza che vuoi e sotto quella che hai, così l'unità che lasci si semplifica. Da moli di idrogeno a moli di ammoniaca il fattore è 2 su 3; nel verso opposto, 3 su 2. Se la tua risposta risulta molto sbagliata di un piccolo fattore intero, questa inversione ne è quasi sempre la causa.

Reagente limitante: dividi per il coefficiente, non confrontare solo le moli

L'esempio è costruito per mettere a nudo l'errore classico. L'azoto è presente con 50,0 g contro appena 10,0 g di idrogeno, e non è comunque il reagente limitante. In moli il divario appare persino più ampio a favore dell'idrogeno: 1,785 mol di N2 contro 4,960 mol di H2. Chi si ferma a quel confronto conclude che limita l'azoto, e sbaglia.

Il rimedio è confrontare il confrontabile dividendo le moli di ogni reagente per il proprio coefficiente, che equivale a chiedere quanti cicli di reazione completi ciascuno potrebbe sostenere da solo. L'azoto ne sostiene 1,785, l'idrogeno solo 1,653, quindi l'idrogeno si esaurisce per primo e fissa la resa a 56,3 g di ammoniaca. L'azoto consumato è 1,653 mol, cioè 46,3 g, lasciando 3,68 g nel pallone senza reagire. Quell'avanzo fa parte a pieno titolo della risposta ed è spesso ciò che chiede la seconda metà del quesito.

Resa teorica, reale e percentuale

La resa teorica è ciò che il reagente limitante consente se la reazione va a completamento senza perdite. Deriva dal solo reagente limitante; quello in eccesso non compare mai in quel calcolo, ed è proprio per questo che individuare prima il limitante non è una deviazione. La resa reale è ciò che pesi alla fine, e la resa percentuale è il rapporto tra le due per 100 — 45,0 diviso 56,3, cioè il 79,9 per cento nell'esempio sopra.

Una resa superiore al 100 per cento non viola la conservazione della massa; è un messaggio sul campione. La causa abituale è solvente o acqua residui in un prodotto pesato prima dell'essiccazione completa, o un'impurezza trascinata dal work-up. Tratta ogni valore sopra il 100 per cento come un invito a essiccare e ripesare, non come un risultato da riportare — e nota il caso inverso: le perdite in filtrazione, travaso e ricristallizzazione collocano abitualmente una buona chimica preparativa tra il 60 e il 90 per cento senza che nulla sia andato storto.

Domande frequenti

Devo davvero bilanciare prima l'equazione?

Sì, senza eccezioni, perché i coefficienti sono il rapporto e non esiste altra fonte per esso. Un'equazione non bilanciata produce comunque un numero, ed è ciò che rende pericolosa l'omissione: nulla nel calcolo protesta. Scrivere N2 + H2 che dà NH3 e leggere il rapporto come uno a uno sballerebbe la resa di ammoniaca di un fattore due, e la risposta sembrerebbe perfettamente ragionevole.

E se il problema mi dà litri di gas invece dei grammi?

Allora il volume molare sostituisce la massa molare nel primo e nell'ultimo passaggio: dividi i litri per 22,414 per ottenere le moli, e moltiplica le moli per 22,414 per tornare ai litri. Controlla quale convenzione usa il tuo corso, perché le condizioni normali hanno due definizioni in circolazione — la più vecchia, 0 gradi Celsius a 1 atm, dà 22,414 L/mol, mentre lo standard IUPAC attuale, 0 gradi Celsius a 100 kPa, dà 22,711 L/mol. Lo strumento di questo sito usa 22,414. Se le condizioni non sono affatto normali, abbandona la scorciatoia e applica direttamente la legge dei gas ideali.

Come faccio a sapere quale reagente è in eccesso senza rifare tutto il calcolo?

Non lo sai, e cercare scorciatoie qui è falsa economia. L'unica scorciatoia legittima è che basta dividere le moli di ogni reagente per il suo coefficiente — tre divisioni per tre reagenti, e vince il più piccolo. Tutto il resto riguarda solo il reagente limitante, quindi il lavoro fatto non è sprecato: proprio il quoziente che ha individuato il limitante è il numero che moltiplicherai per il coefficiente del prodotto nel passaggio successivo.