Piano Lauree Scientifiche

PIANO Lauree Scientifiche (CHIMICA)

Università degli Studi di Napoli Federico II

STUDIO DI UNA REAZIONE CHIMICA ATTRAVERSO L'EQUAZIONE DI STATO DEL GAS IDEALE E VERIFICA DELLA SOLUBILITA' DI ALCUNI COMPOSTI DEL CALCIO PREMESSA
Si effettua una reazione chimica, la decomposizione del carbonato di calcio in ambiente acido, seguendone gli aspetti macroscopici, sviluppo di un gas. Si ripete la reazione con materiali di uso quotidiano così da rendere la disciplina più concreta e vicina al quotidiano di quanto le sole lezioni teoriche possano far intendere.

OBIETTIVI
Utilizzando una semplice reazione chimica si verificano gli aspetti quantitativi legati alla reazione mediante l'equazione di stato del gas ideale e calcoli stechiometrici.

Mediante l'osservazione della miscela prima e dopo la reazione, e dopo una successiva reazione di precipitazione, si può evidenziare la formazione di composti solubili e insolubili del calcio.

Nella sezione "QUALCOSA IN PIU'....." si consiglia di adoperare, per effettuare l'esperienza, alcune sostanze di uso comune.

CENNI TEORICI

I sali dell'acido carbonico, in ambiente acido, formano acido carbonico che si decompone sviluppando CO₂.

La solubilità del CaCO₃ può essere trattata prima a livello qualitativo, ad esempio mettendo il CaCO₃ in una soluzione acida come succo di limone o aceto, per osservare lo sviluppo di gas.
Il cuore dell'esperienza è l'utilizzo, a scopo di analisi quantitativa, di uno spostamento di equilibrio di solubilità in un sistema con equilibri multipli, in cui la solubilità è influenzata dall'equilibrio acido-base dello ione carbonato.
Il CaCO₃ in presenza di acqua stabilisce l'equilibrio di solubilità CaCO_3(s) ⇄ Ca²⁺_(aq) + CO₃^2-_(aq) L'aggiunta di un acido stabilisce gli equilibri acido-base con lo ione carbonato, che è basico: H₃O⁺_(aq) + CO₃^2-_(aq) ⇄ HCO₃^-_(aq) + H₂O
HCO₃^-_(aq) + H₃O⁺_(aq) ⇄ CO_2(g) + H₂O Le reazioni acido-base consumano CO₃^2- e spostano l'equilibrio di solubilità fino alla dissoluzione completa del carbonato. In presenza di acido in eccesso la reazione è quantitativa, e la quantità di carbonato consumata viene calcolata dalla quantità di CO₂ prodotta. Quest'ultima è misurata dal volume, servendosi dell'equazione generale dei gas.
Il comportamento di un gas reale che si avvicini al gas ideale, può essere descritto mediante l'equazione PV = nRT.
L'equazione di reazione è un modo sintetico e immediato per descrivere una trasformazione chimica.
Un elemento, nel nostro caso il calcio, può dar luogo sia a composti solubili che insolubili.

MATERIALE OCCORRENTE

Beuta codata da 100 mL2
Tappo rovesciabile
Siringa da 10 mL
Tubo di gomma
Tubo di vetro a squadra
Beker da 400 mL
Cilindro graduato da 100 mL
Termometro
Agitatore magnetico con ancoretta
Carta oleata
Cartina universale
Bilancia
Sostegno
Carbonato di calcio CaCO₃ (tra 180 e 230 mg) *
Soluzione di acido cloridrico (HCl) 2 M 10 mL
Acqua distillata o demineralizzata
Soluzione di idrossido di sodio (NaOH) 2 M 10 mL

* La quantità di materiale di partenza deve essere tale da sviluppare una quantità di CO₂ misurabile con l'apparecchiatura utilizzata.

PARTE PRIMA STUDIO DI UNA REAZIONE CHIMICA ATTRAVERSO L'EQUAZIONE DI STATO DEL GAS IDEALE
In questa prima parte, attraverso l'equazione di stato del gas ideale, si verificano gli aspetti quantitativi legati ad una reazione chimica. L'esperienza consiste nel trattare un campione di peso incognito di carbonato di calcio con HCl e nel calcolare tale peso mediante recupero della CO₂ sviluppata nella reazione.

PROCEDIMENTO SPERIMENTALE
1. Preparare l'apparecchiatura mostrata in figura:
  - Versare nel beker 100-150 mL di acqua.
  - Capovolgere il cilindro pieno d'acqua nel beker aiutandosi con della carta oleata per evitare fuoriuscita del liquido dal colindro, facendo in modo che il livello dell'acqua nel cilindro capovolto risulti almeno 60 mL superiore alla tacca più in basso.
  - Inserire il lato corto del tubo a squadra nel cilindro come è mostrato in figura e fissare il cilindro al sostegno, usando anche un elastico o una fascetta.
2. Introdurre il carbonato di calcio, fornito dal docente, al fondo della beuta con attenzione, usando un piccolo imbuto realizzato con la carta oleata.
3. Aggiungere circa 10 mL di acqua distillata.
4. Introdurre l'ancoretta magnetica, facendola scivolare delicatamente lungo la parete interna della beuta.
5. Chiudere la beuta con il tappo rovesciabile.
6. Posizionare la beuta codata sull'agitatore magnetico e fissarla al sostegno
7. Collegare la beuta e il tubo a squadra mediante il tubo di gomma (lungo max 10-15 cm)
8. Regolare l’agitazione.
9. Osservare il contenuto della beuta e valutare se è omogeneo o eterogeneo.
10. Prelevare con la siringa 3 mL della soluzione di acido cloridrico, eliminare eventuali bolle d'aria e inserire la siringa nel tappo, senza far cadere l'acido nella beuta.
11. [ ] Prendere nota del volume (V₁) di partenza dell'acqua nel cilindro mediante la scala graduata, e della temperatura dell'ambiente.
12. Far cadere goccia a goccia la soluzione acida nella beuta: si noterà un'effervescenza dovuta alla formazione di un gas che gorgoglia nel cilindro determinando un abbassamento del livello dell'acqua.
13. [ ] Quando tutta la soluzione acida è stata aggiunta, attendere circa dieci minuti e prendere nota del volume (V₂) finale.
14. [ ] Osservare il contenuto e valutare di nuovo se è omogeneo o eterogeneo.

CALCOLO DELLA QUANTITA' INIZIALE DI CARBONATO
- Scrivere l'equazione della reazione
  CaCO₃ + HCl →
- Conoscendo il volume di gas CO₂ raccolto (L), la pressione (atm), la temperatura dell'ambiente (K), R = 0,082 (L atm)/K, applicare la legge dei gas PV = nRT e calcolare le moli di CO₂
- Sulla base dell'equazione stechiometrica ricavare dalle moli di CO₂ le moli di CaCO₃
- Calcolare il peso molecolare del CaCO₃
- Dalla relazione n = massa/PM calcolare il peso in grammi della CaCO₃.

PARTE SECONDA VERIFICA DELLA SOLUBILITA' DI ALCUNI COMPOSTI DEL CALCIO
In questa parte lo studente verifica la diversa solubilità di alcuni composti del calcio.

[ ] Smontare l'apparecchiatura.
Verificare il pH della soluzione nella beuta con la cartina universale.
Aggiungere nella beuta un eccesso (circa 4 mL) della soluzione di idrossido di sodio.
Verificare il pH della soluzione.
[ ] Osservare la miscela ottenuta e valutare se è omogenea o eterogenea.

QUALCOSA IN PIU'......"

Si può ripetere l'esperienza utilizzando quantità adeguate di materiali vari contenenti carbonati (guscio d'uova, guscio di ostrica, marmo, ecc.) e calcolare la quantità di carbonati presenti.

N.B. Per la reazione del CaCO₃ e HCl si può anche utilizzare l'apparecchiatura in figura costituita da un pallone a due colli a smeriglio. Questi vengono collegati ad un imbuto separatore (dove è versato l'HCl) e, mediante un raccordo, al tubo a squadra. Il resto è come sopra.

Questionario

SCHEDE DI SICUREZZA