Legge dei volumi di combinazione: Esercizi risolti
La legge dei volumi di combinazione, nota anche come legge dei volumi di combinazione di Gay-Lussac, afferma che quando due sostanze allo stato gassoso reagiscono tra loro a pressione e temperatura costanti, i volumi dei reagenti stanno tra loro secondo rapporti detti rapporti di combinazione. Questi sono espressi da numeri piccoli e interi. Questa legge è di fondamentale importanza in chimica e consente di ottenere il rapporto tra i volumi dei reagenti noto il rapporto tra i coefficienti stechiometrici.
Esercizi svolti:
1) Data la reazione HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s), calcolare il volume di NH3(g) necessario a reagire con 25.0 cm3 di HCl(g).
Nella reazione i reagenti stanno in un rapporto tra le moli di 1:1; essendo entrambi gassosi, nelle stesse condizioni di pressione e di temperatura, occorreranno 25.0 cm3 di NH3(g).
2) Data la reazione N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g), calcolare il volume di N2(g) necessario a reagire con 30.0 L di H2(g) e il volume di NH3(g) ottenuto supponendo una resa del 100%.
Il rapporto stechiometrico tra H2(g) e N2(g) è di 3:1, quindi il volume di N2 necessario è pari a 30.0/3 = 10.0 L. Il rapporto tra H2(g) e NH3(g) è di 3:2, quindi il volume di NH3 prodotto da 30.0 L di H2 è pari a 30.0 ∙ 2/3 = 20.0 L.
3) Data la reazione 4 NH3(g) + 3 O2(g) → 2 N2(g) + 6 H2O(l), calcolare il volume di NH3(g) necessario a reagire con 15.0 L di O2.
Il rapporto stechiometrico tra O2(g) e NH3(g) è di 3:4, quindi il volume di NH3 necessario è pari a 15.0 ∙ 4/3 = 20.0 L.
4) Data la reazione 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g), calcolare il volume di reagente in eccesso quando si fanno reagire 2.35 L di O2(g) con 3.72 L di H2(g) e calcolare la resa percentuale se sono stati ottenuti 2.50 L di H2O(g).
Dal rapporto stechiometrico tra H2(g) e O2(g) che è di 2:1 possiamo dire che il volume di O2 necessario per reagire con 3.72 L di H2 è di 3.72/2=1.86 L. Poiché il volume di O2 è di 2.35 L, ciò implica che O2 è in eccesso e H2 è il reagente limitante. Il volume di O2 in eccesso è di 2.35 – 1.86 = 0.49 L. Il volume di H2O teorico è di 3.72 L. La resa percentuale è data da 2.50 ∙ 100/3.72 = 67.2%.
5) Data la reazione di combustione del metano CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g), calcolare il volume di aria necessaria per la combustione di 20.0 L di metano, assumendo che l’aria contenga il 20.0% di O2.
Il rapporto stechiometrico tra CH4(g) e O2(g) è di 1:2, quindi sono necessari 2 ∙ 20.0 = 40.0 L di O2. Poiché l’aria contiene il 20.0% di O2, sono necessari 40.0∙ 100/20 = 200 L di aria.
6) E’ stato trovato che 10.0 cm3 di bromo allo stato di vapore si combinano con 30.0 cm3 di cloro gassoso per dare un composto. Trovare la formula del composto e il volume di prodotto ottenuto.
Br2 e Cl2 stanno in un rapporto di 1:3; pertanto, la reazione tra Br2 e Cl2 è Br2 +3 Cl2 → 2 BrCl3. Il volume di BrCl3 ottenuto è quindi 10.0 ∙ 2 = 20.0 cm3.
7) Sono fatti reagire 12.0 L di NH3 e 12.0 L di Cl2 misurati nelle stesse condizioni di pressione e temperatura secondo la reazione: 2 NH3(g) + 3 Cl2(g) → N2(g) + 6 HCl(g). Quando la reazione è giunta a completamento, calcolare i volumi di tutte le specie.
Il reagente limitante è il Cl2. Il volume di NH3 in eccesso è 12.0 – 8.0 = 4.0 L. Il cloro, essendo il limitante, non sarà presente. Il volume di N2 formato è di 12.0/3 = 4.0 L. Il volume di HCl formato è di 12.0 ∙ 2 = 24.0 L.