PROBLEME DE LA CONCURSURI NATIONALE

Sunt rezolvãri ale unor probleme de chimie, date la titularizare şi bacalaureat şi se adreseazã celor interesaţi. Varianta de rezolvare este punctul meu de vedere şi nu anuleazã metodele dobândite de ei. Este doar dorinţa de a ajuta – dacã m-ar întreba cineva:”- De ce faci aceasta?”
Când cineva din familie trece prin aceste concursuri, înţelegi ce se întâmplã.

    Sper sã ajute.

https://chimieanorganica.wordpress.com/probleme-de-la-concursurile-nationale/

Anunțuri

ANALIZA CANTITATIVĂ SPECTROFOTOMETRICĂ

ANALIZE CANTITATIVE ÎN SPECTROFOTOMETRIA DE ABSORBȚIE MOLECULARĂ

Spectrofotometria se referă la metodele optice de analiză calitativă și cantitativă, care au la bază emisia sau absorția radiației electromagnetice, de substanța analizată. Se bazează pe măsurarea instrumentală a absorbției radiației luminoase cu spectrometru (spectrofotometru). Legile absorbției luminii au fost descoperite și studiate de Bouguer-Lambert și Beer. În cuva cu grosimea l a unui spectrometru se introduce soluția de analizat-considerăm cazul cel mai simplu, când avem o singură specie chimică ce absoarbe lumina. Un fascicol îngust de lumină, monocromatic, este dirijat spre cuva aparatului. Radiația luminoasă de intensitate I0 trece printr-un mediu absorbant, își micșorează intensitatea, fără să-și schimbe lungimea de undă și urmărește o direcție perpendiculară pe pereții cuvei. O parte din radiație este absorbită de specia chimică, astfel încât intensitatea radiației care iasă din cuvă (radiația transmisă It ) este mai mică decât a radiației incidente I0.

 Între intensitatea luminii inițiale I0, intensitatea luminii transmise It, concentrația soluției (c) și lungimea stratului străbătut de lumină(l) există relația:
lg It/I0=a.c.l,
unde:
a=coeficientul de absorbție specific fiecărei substanțe, numit și absorbtivitate; este independent de concentrație și este caracteristic substanței și lungimii de undă.
c=concentrația speciei absorbante din soluție.
l=lungimea stratului absorbit de lumină
În practică se folosește mărimea A, numită absorbție optică sau absorbanță.
A= a.c.l,

Dacă concentrația speciei absorbante din soluție se exprimă în moli/litru, termenul a se numește absorbtivitatea molară.
Dacă transmitanța se măsoară în procente, avem relația dintre absorția luminii și trasmitanța:
A=2-log (T%)

În concluzie, în analiza cantitativă se măsoară absorția luminii de substanța analizată, cu ajutorul unui spectrofotometru,  la o lungime de undă la care coeficientul de absorbție să fie maxim, iar componenții prezenți din amestec să nu absoarbă lumina sau foarte puțin.
Este posibilă determinarea cantităților componenților dintr-un amestec prin metode spectrofotometrice, fiindcă absorbanțele lor sunt aditive.

 http://old.unibuc.ro/prof/danet_a_f/docs/res/2011marDanet_A.F._Analiza_Instrumentala_partea_I_cap._1.1_-_1.9.pdf

APLICAȚII
ANALIZA CANTITATIVĂ SPECTROFOTOMETRICĂ A FIERULUI (II)

Principiul metodei

Combinația complexă Fe(II)-1,10 fenantrolină, de culoare roșie are o absorbție maximă a luminii din domeniul vizibil la lungimea de undă de 510 nm.
https://pt.wikipedia.org/wiki/Fenantrolina
Prezenţa ionilor de fier în sol peste cantitatea limită admisă este cauzată de: depozitarea de deșeuri solide și lichide pe (în sol); evacuări de efluenți ce conțin conţin fier. Fierul din cauza umezelii, a reacţiilor redox şi a pH-ului solului trece în formă solubilă (ioni Fe2+, Fe3+) . Ionii de fier solubili se găsesc, în general, sub formă de bicarbonaţi sau de complecşi cu molecule organice. Ionii de fier pot pătrunde în apele subterane, determinând creșterea conținutului de fier total în sursele de apă.

Problema propusă

O cantitate de 20 g de sol se prelucrează conform procedurii de lucru. Se obțin 50 mL de extract. Din acesta se iau 10 mL, care se tratează  cu soluție de clorhidrat de hidroxil amină  pentru reducerea ionilor de Fe (III) la Fe(II) și apoi cu soluția de 1,10-fenantrolina, ajustând condițiile de reacție. Absorbanta măsurată cu o cuvă de 1 cm, la lungimea de undă de 510 nm este 0,210.
Se prepară o serie de soluții etalon de Fe2+, la care se măsoară absorbțiile, respectând condițiile experimentale (procedura de preparare, grosimea cuvei de 1 cm, lungimea de undă de 510 nm). Datele măsurătorilor sunt trecute în tabelul de mai jos (tabelul seriilor etalon).

C(mg /L) Fe2+
0 2 4 6 8
A 0 0,160 0,313 0,460 0,619

Se cere conținutul de Fe(II) din proba de sol (mg/kg sol uscat). Umiditatea solului este de 15%.  Am folosit semnul . pentru înmulțire.

Rezolvare
Se trasează curba de etalonare A510 nm=f(c)


Absortia Fe
Se determină din graficul curbei de etalonare, concentrația necunoscută de Fe(II), pentru care absorbția este 0,210 (v. graficul de mai sus). Se duce din valoarea A=0,210 o paralelă la axa concentrației, până intersectează dreapta de variație A = f(c). Din acel punct se coboară o perpendiculară pe axa concentrației și se citește valoarea concentrației, corespunzătoare punctului de intersecție, acesta este 2,7 mg Fe (II)/L sol.(aproximativ).
Se calculează cantitatea de Fe2+ (mg/kg de sol uscat) din proba analizată.
1.Prima dată se calculează conținutul de Fe2+ din 10 mL extract analizat, dacă concentrația este de 0,27 mg/L:
Dacă 1L sol=1000 mL………..conține……….0,27 mg de Fe2+
Atunci în 10 mL……………………sunt   ………..x mg
x=10mL.0,27 mg/1000 mL=0,0027 mg de Fe2+
2Se calculează conținutul de Fe2+ din balonul cotat de 50 mL, unde este extractul obținut din 20 g de sol analizat.
Dacă în 10 mL extract…………..sunt…….0,0027 mg de Fe2+
Atunci 50 mL extract………..vor avea…….y (mg)
y=50mL.0,0027 mg/ 10 mL=0,0135 mg de Fe2+
 
Este de 5 ori mai mult!
3. Calculăm cantitatea de sol uscat din 20 g sol, dacă umiditatea este de 15%:
% de sol uscat=100%-% de umiditate
%de sol uscat=100%-15% umiditate=85%
m sol uscat = 20 g .85/100=17 g
4. Exprimăm cantitatea de Fe2+ din 17 g de sol uscat sub formă de mg Fe2+/kg sol:
Dacă în 17 g sol uscat……………………..sunt …..0,0135 mg de Fe2+
Atunci în 1000 g de sol uscat……………sunt……..z (mg)
Z (mg de Fe2+/1 kg sol)= 1000 .0,0135/17 = 0,7941

R: 0,7941 mg de Fe2+/1 kg de sol

APLICAȚII
TITRAREA SPECTROFOTOMETRICĂ

NOȚIUNI

Titrarea spectrofotometrică poate fi utilizată pentru orice reacție în care titrantul, substanța de analizat sau produșii de reacție prezintă absorbție optică într-un domeniu de undă accesibil (în funcție de spectrofotometrul utilizat), absorbția molară este destul de mare și dacă suferă o schimbare în absorbție, pe măsură ce se desfășoară titrarea. Absorbanta se măsoară după fiecare adăugare a titrantului, pe toată durata titrării, până după punctul de echivalență. Rezultatele se exprimă grafic în coordonatele: Absorbție (A)-Volum titrant adăugat (V). Curba de titrare spectrofotometrică prezintă o rotunjire a curbei în regiunea punctului de echivalență; volumul la echivalență (Ve) se determină prin extrapolarea dreptelor și proiectarea intersecțiilor lor. Curbele de titrare spectrofotometrică au diferite forme, în funcție de specia chimică care absoarbe lumina: titrantul, substanța analizată, produsul de reacție. Nu este necesară o aparatură complicată; pentru domeniul vizibil vasul cu soluția componentului analizat este așezat în compartimentul cuvei.

PROBLEMA PROPUSĂ

Referințe:
Donald J. Pietryk, Clyde W. Frank Chimie analitică, Editura Tehnică, București, 1989
Teodor Hodișan, Iovanca Haiduc, Claudia Cimpoiu, Sorin Hodișan, Teorie și aplicații în Chimia analitică,Editura Risoprint, Cluj-Napoca, 2002
http://www.md.ucl.ac.be/didac/cham/exer/farm12/exer.htm

Exercițiu
Se determină conținutul de ioni de Pb2+, dintr-o probă de apă, prin titrarea spectrofotometrică în domeniul VIZ, cu soluția de EDTA 2.10-3 mol/L. Ionii de plumb reacționează cu sarea de sodiu a acidului etilen diaminotetraacetic (EDTA), notat prescurtat H4Y.
Ecuația chimică a reacției de complexare este:
Pb2++H2Y2-↔ PbY2-+ 2H+
            
Reacția este completă la pH=5,5. Complexul  (Pb Y2-) este incolor și prezintă absorbanță maximă la lungimea de undă de 240 nm, măsurată cu o cuvă de 1 cm grosime.

Principiul acestei metode este variația absorbției soluției cu volumele de titrant adăugate.
Din proba de apă recoltată se iau 25 mL, care se pregătește pentru analiză, conform procedurii de lucru. Se adaugă volumele de titrant din tabelul de mai jos, se măsoară absorbția după fiecare adăugare de titrant, la lungimea de undă de 240 nm, grosimea cuvei este de 1 cm. Se trasează curba de titrare A=f(V de sol.EDTA) și se află volumul la echivalență de EDTA  2.10-3 M consumat. Se calculează cu ajutorul acestuia, conținutul de ioni de Pb (II) în ppm.
Cerințe: a) să se determine cantitatea de ioni Pb(II) ppm din proba de apă analizată: b) să se calculeze constanta de formare  (stabilitate) a complexului PbY2-, în condițiile experimentale (pH=5); c) să se calculeze concentrația molară a ionilor de Pb (II) din soluție, când titrarea ajunge la momentul echivalenței. A Pb=207,2; pKf PbY2-=18,3
Tabel 1

A
0
0,186
0,367
0,542
0,629
0,629
V sol EDTA (mL)
0
1
2
3
4
5

REZOLVARE

Se calculează cantitatea de ioni de Pb(II) în ppm din proba de apă

►Se trasează curba de titrare spectrofotometrică:
pe axa OX se reprezintă volumele de soluție de EDTA 2.10-3 adăugate și pe axa OY se reprezintă valorile absorbție optice. Curba  de titrare are culoarea neagră. Se duc prelungiri (extrapolare) la dreapta, care trece prin valoarea 0,542 și la dreapta care trece prin valoarea 0,63 (săgeți de culoare roșie). Din punctul de intersecție se coboară o perpendiculară (culoare roșie) pe axa volumului de EDTA. Punctul de intersecție cu axa reprezintă volumul de echivalență (Ve) și care are valoarea de aprox. 3,3 mL (citim pe axă).
► Calculăm cantitatea de ioni de Pb (II) din proba de apă, în ppm (părți per milion).
Notăm cu X, Y, Z necunoscutele. Nu propun o formulă matematică de calcul, fiindcă vreau să se înțeleagă metoda de calcul pentru cantitatea de ioni de Pb (II) din 25 mL apă de analizat.
La soluții ppm, reprezintă  mg de component/1 mL soluție.
A Pb=207,2

Pas1.Calculăm numărul de moli de ioni de Pb(II), care sunt complexați complet de 3,3 mL sol EDTA 2.10-3 M, plecând de la definiția concentrației molare și de la stoechiometria reacției de complexare:
1mol de ioni de Pb(II) reacționează cu 1 mol de EDTA

În 1000 mL sol. EDTA…..sunt 2.10-3 moli de EDTA……care reacționează cu 2.10-3 moli de ioni Pb2+
atunci 3,3 mL sol EDTA………………………………reacționează cu X moli de ioni Pb(II)
X = 3,3 mL.2.10-3 moli / 1000 mL = 6,6 .10—3.10-3 = 6,6 .10-6 moli de ioni Pb(II)

Pas2. Calculăm masa de ioni de Pb (II), ce corespunde la numărul de moli de mai sus:
Dacă 1 mol ioni de Pb(II)………..are 207,2 g/mol
Atunci 6,6.10-6 moli………………au  Y g
Y= 6,6.10-6.207,2 / 1= 1367,52 .10-6 g de ioni Pb(II)

Pas3. Calculăm concentrația de ioni de Pb(II) din proba de apă, în mg/mL (ppm), cu regula de trei simplă:
1367,52.10-6 g =1367,52.103.10-6 mg=1,368 mg
Dacă în 25 mL probă de apă………….se află 1,368 mg Pb(II)
Atunci 1 mL…………………….conține…..Z
Z= 1.1,368/25=0,05472 ppm

R: 0,005472 ppm

METODE TERMICE DE ANALIZĂ

Metodele termice aplicate în chimia analitică studiază schimbările fizice și chimice pe care le suferă o substanță la încălzire, servind astfel la identificarea și determinarea compoziției acesteia.
Analiza termogravimterică (TG) se bazează pe variația masei de substanță analizată cu variația temperaturii. Curbele termogravimetrice sau termogramele sunt reprezentări grafice ale variației masă-temperatură, când încălzirea se face cu un gradient de temperatură constant. Funcția de dependență este dată de relația:
m=f(T)
Analiza termogravimetrică diferențială (ATDG-DTG) oferă informații suplimentare asupra comportării la încălzire a substanțelor solide. Pentru a  crește sensibilitatea metodei se utilizează derivarea curbei TG. Experimental acest lucru se poate realiza cu un aparat bazat pe inducție magnetică.https://www.scribd.com/doc/124041178/Analiza-Termica

Probleme propuse și o variantă personală de rezolvare

1.Se precipită ionii de potasiu și amoniu din 5 g de sol sub formă de hexacloroplatinat de potasiu și respectiv hexacloroplatinat de amoniu. Se trasează termograma precipitatului obținut (figura de mai jos). Masa precipitatului la 4000 C este de 0,5000g și la 8000C este 0,1005g. Se colectează clorul degajat în intervalul de temperatură 600-8000C . Acesta are volumul de 0,03L la 7000C și presiunea de 1,2 atm.
Care este concentrația de ioni de potasiu și amoniu din proba de sol?
Se dau:
A Mg=24; A Cl=35,5; A K=39; A Pt=195

 

Termograma precipitatelor

 Rezolvare

Pas 1.
Prima dată citim termograma. Termograma ne oferă date despre comportarea amestecului de precipitate la încălzire, privind variația masei fiecărui precipitat din amestec și reacțiile chimice ce le suportă. Astfel observăm că avem două curbe de variație a masei precipitatelor cu temperatura, de forma m=f(t) și că apar substanțe noi pe diferite porțiuni ale curbelor, din cauza reacțiilor chimice de descompunere a acestor precipitate la diferite temperaturi.

1.Curba 1 este pentru variația masei precipitatului (NH4)2PtCl6 cu temperatura. Observăm trei forme ale curbei:

  • până la temperatura de 2000C avem o porțiune în care masa substanței este constantă și nu se modifică, dacă crește temperatura. Este o dreaptă paralelă cu axa temperaturii;
  • de la 2000C până la 3500C (am aproximat) avem o porțiune descendentă, masa scade brusc cu creșterea temperaturii. Are loc o reacție de descompunere a substanței, fiindcă apare după acest interval Pt (este notată pe curbă) și se degajă clor.

(NH4)2PtCl6 ↔Pt+2NH4Cl+2Cl2

  • de la 3500C până la peste 8000C avem o porțiune dreaptă, paralelă cu axa temperaturii, în care există substanța Pt și masa este constantă și nu se modifică, dacă crește temperatura.

2. Curba 2 este pentru variația masei precipitatului K2PtCl6 cu variația temperaturii. Observăm două forme ale curbei:

  • până la temperatura de 6000 C avem o porțiune în care masa substanței este constantă și nu se modifică, dacă crește temperatura. Există doar precipitatul;
  • de la 6000C până la 9000C (am aproximat) avem o porțiune descendentă, masa scade brusc cu creșterea temperaturii. Are loc o reacție de descompunere a substanței, fiindcă sunt trecute pe curbă substanțele Pt și KCl și se degajă clor.

K2PtCl6 ↔Pt+2KCl+2Cl2

Pas 2..Problema are o capcană!  Se vorbește numai de clorul degajat în intervalul de temperatură (600-800)0 C și nu se spune nimic despre amoniac și acidul clorhidric. Din datele de specialitate știm:
“Clorura de amoniu (Salmiac, țipirig, NH4Cl) pe măsură ce crește temperatura se descompune  în amoniac NH3 și clorură hidrică (acid clorhidric) HCl sub formă gazoasă:
NH4Cl =NH3↑ + HCl↑
La temperatura de 338°C se topește și sublimează.
Pt se topește la peste 17000C și  KCl la 7700C.”

Dar, din termogramă aflăm că la acest interval de temperatură (600-800)0C, există pe curba 1 numai Pt și pe curba 2 observăm o porțiune descendentă, în care există substanțele: Pt și KCl. Deci, clorul colectat în acest interval provine din descompunerea precipitatului K2PtCl6.
Pas 3. Varianta de rezolvare pe care o propun pe baza acestor date este: cu ajutorul volumului de clor dat (la care aflăm masa lui) vom calcula masa de K2PtCl6; o vom scădea din masa amestecului de 0,5000 g (la 400C), și vom afla masa de Pt, care a fost produsă de (NH4)2PtCl6 (la această temperatură, observăm din termogramă că există Pt și K2PtCl6). Mai departe, prin calcule stoechiometrice (pe bază de ecuație chimică de la descompunere) calculăm masele de ioni de K și NH4 din precipitate și apoi cantitatea procentuală din proba de sol.

Date cunoscute:

  • m proba de sol=5g
  • m amestecului de precipitate la 4000 C = 0,5000g
  • m amestec de precipitate la 8000C = 0,1005g
  • V clor = 0,03L la 7000C și presiunea de 1,2 atm
  • Reacțiile de descompunere a substanțelor K2PtCl6 și (NH4)2PtCl6
  • Ecuația de stare a gazelor perfecte:

pV=n.R.T
p=presiunea (atm); V=volumul(L, dm3); n=numărul de moli;
T=temperatura (grade K)
R=constanta universală a gazelor=0,082atm.L/mol.K

  • A Mg=24; A Cl=35,5; A K=39; A Pt=195

Date necunoscute:

  • mCl2=?(g)
  • a=masa de K+(g)=?
  • b=masa de NH4+(g)=?
  • x=masa de K2 PtCl6 (g)=?
  • y=masa de Pt(care ține de curba1)g=?
  • a*=% de ion K
  • b*=% de ion NH4

Calcule

Am lucrat cu 4 zecimale și semnul “.” este pentru înmulțire.
Calculăm masa de clor cu ecuația de stare a gazelor perfecte:
p.V=n.R.T
1,2 atm.0,03L=(m/35,5.2).0,082(atm.L/mol.K).(273+700)K
0,036=(m/71).0,082.973
0,036.71=m.79,786
m=2,256/79,786=0,028275=0,0283 g Cl2

Calculăm masa de K2PtCl6 ce produce 0,0283 g de Clor:
x                                 0,0283
K2PtCl6 ↔Pt+2KCl+2Cl2
M=486                       2M=2.71
x=486.0,0283/2.71=0,09685=0,0969g

Calculăm masa de platină existentă în 0,5000 g de precipitat:
m precipitat(4000C)=m Pt +m K2PtCl6
m Pt=0,5000g-0,0969g=0,4031g
Calculăm masele de ioni de potasiu și de amoniu din cele două reacții de descompunere:
Avem:
1atom-g de Pt……………provine din 2 moli de ioni amoniu
Dacă la 1.195g Pt……………….2.(14+4)g HN4
Atunci la 0,4031 g Pt…….avem……………b(g)
b=0,4031g.2.18g/195g=0,0744 g de amoniu

Avem:
2 moli de Cl2…provin din 1 mol de K2PtCl6….provin din 2 atomi-g de K
2.71 g de Cl2……………2.39 g de K
Atunci 0,0283….avem……a(g)
a=0,0283g.2.39g/2.71g=0,0155g de potasiu

Calculăm cantitățile procentuale de ioni de potasiu și de amoniu din 5 g de sol:
Dacă în 5 g sol…..avem 0,0744 g de amoniu……0,0155g de potasiu
Atunci în 100% sol…..avem b* % amoniu………..a* % de potasiu
 
% de amoniu=100.0,0744/5=1,488%
% de potasiu =100.0.0155/5=0,31%

 R:1,488% amoniu; 0,31% potasiu.

 

      2.  O metodă de analiză a magneziului dintr-o probă de sol este precipitarea lui sub formă de fosfat de magneziu și amoniu, urmată de analiza termogravimetrică a precipitatului în aer uscat. Se dau curbele TG și DTG în figura de mai jos.

Se cunosc următoarele date experimentale:
-masa probei de oxid de magneziu=1,2000g
-volumul gazului (amestec de vapori de apă, amoniac și aer) degajat în intervalul de temperatură (1000C -5000C) este 500 mL la temperatura de 5000C și presiunea de 1500 torr.
-amestecul gazos după răcire este barbotat în 20 mL soluție de H2SO4 0,1N și excesul de acid sulfuric se titrează cu 2 mL soluție de NaOH 0,1 N, factorul de corecție este 0,9982. Are loc reținerea amoniacului (NH3).

Se cer: a) conținutul procentual de magneziu din probă; b)conținutul procentual de amoniac  (procente de  volum). Masele atomice se iau din tabel.

♦Varianta de rezolvare propusă♦

Pasul 1. Citim termograma!
Termograma este curba de variație a masei substanței MgNH4PO4.H2O cu temperatura și prezintă transformările chimice (reacții chimice) ale ei în timpul încălzirii.
Curba are următoarele porțiuni:

  • până la temperatura de 2000C se prezintă o porțiune dreaptă, paralelă cu axa temperaturii. Există MgNH4PO4, vapori de H2O din umiditatea precipitatului și aer;
  • de la 2000C până la 5000C, curba este descendentă; au loc reacții de descompunere a fosfatului de magneziu și amoniu cu degajare de amoniac și a fosfatului monoacid de magneziu cu formare de vapori de apă și pirofosfat de magneziu. Continuă eliminarea apei de cristalizare. Gazele în acest domeniu de temperatură conțin: amoniac, vapori de apă și aer. Reacțiile conform termogramei sunt:

MgNH4PO4.H2O ↔ MgNH4PO4 +H2O↑
MgNH4PO4 ↔ MgHPO4 +NH3
2MgHPO4↔Mg2P2O7 + H2O↑-calcinare
Reacția totală este:
2MgNH4PO4.H2O↔Mg2P2O7 +2NH3 ↑+3H2O↑

  • peste 6000C curba prezintă o porțiune relativ dreaptă, masa este constantă; există substanța Mg2P2O7 și aer.

Pasul 2. Varianta de rezolvare propusă este:
Pe baza datelor propun: prima dată vom calcula volumul de amoniac în condiții normale de temperatură și presiune, care reacționează cu H2SO4 (după ce s-a scăzut excesul de acid sulfuric, neutralizat de soluția de hidroxid de natriu, la titrare); știind volumul de amoniac se poate calcula masa de magneziu și conținutul procentual din proba de oxid. Apoi se calculează volumul de gaze la temperatura de 273 K0 și presiunea de 1 atm, după care vom calcula procentul de volum al amoniacului din acest amestec.
Este și o capcană în problemă! Fiindcă avem și aer (într-o cantitate neprecizată) nu vom putea calcula cantitățile componenților din amestecul gazos pe baza raportului:
2 moli de NH3 corespund la 3 moli de H2O (din reacția totală de descompunere termică a precipitatului).

Date cunoscute

  • m probă=1,2000g
  • Volum gaze= 500 mL la temperatura de 5000C și presiunea de 1500 torr
  • 1torr=1 mmHg=1,31579.10-3 atm
  • Volum soluție de acid sulfuric=20 mL soluție de H2SO4 0,1N
  • Concentrația normală a soluției de acid sulfuric=0,1N(adică 0,1 Eg de H2SO4 dizolvați într-un litru soluție (1dm3)
  • Volum de soluție hidroxid de natriu de la titrarea excesului =2 mL soluție de NaOH, 0,1 N, factorul de corecție este 0,9982 (F)
  • Concentrația normală a soluției de hidroxid de natriu=0,1N(adică sunt 0,1 Eg de NaOH dizolvați într-un litru de soluție(1L=1dm3)
  • Reacții chimice principale din timpul analizei:

2MgNH4PO4.H2O↔Mg2P2O7 +2NH3 ↑+3H2O↑ (descompunere termică)
2NH3(gaz) + H2SO4 sol↔(NH4)2SO4 sol (barbotare)
2 NaOH + H2SO4↔Na2SO4 + 2H2O (reacția de neutralizare a excesului de acid, din timpul titrării)

  • Legea generală a gazelor perfecte (Clapeyron):

p0V0/T0 = p.V/T

  • A Na =23; A Mg=24; A H=1; A N=14; A O=16; A S=32
  • Știm ce este calculul stoechiometric
  • Știm ce este calculul cu echivalenții gram; legea echivalenților; formule matematice pentru calcularea echivalenților chimici pentru acid sulfuric, hidroxid de natriu.

Date necunoscute

    • Număr de Eg de H2SO4 dizolvați în 20 mL soluție 0,1N=n t Eg (g)=?
    • Număr de Eg de H2SO4 care au reacționat cu NaOH și care reprezintă excesul de acid =nexc Eg(g)=?
    • Masa de H2SO4 care reacționează cu NH3=m r (g)=?
    • Volumul de amoniac în condiții normale de temperatură și presiune (L)=Va=?
    • Masa de Mg (g)=x=?
    • Procentul de Mg din probă (%)=% Mg=?
    • Volum de amestec gazos (aer, H2O vap., NH3) la 273 grade K și 1 atm= V0(L)=?
    • Procentul de amoniac în procente de volum și de masă=%v =?

    Calcule
    Aflăm numărul de Eg de acid sulfuric total  dizolvat în 20 mL soluție 0,1N, pe baza definiției concentrației normale:
    Astfel:
    1L soluție=1000mL  soluție 0,1N H2SO4……..are dizolvați  0,1Eg de H2SO4
    20mL soluție 0,1 N H2SO4…….are dizolvați nt Eg
    nt Eg de H2SO4=20mL.0,1Eg/1000mL=2.10-3 Eg de H2SO4

    Aflăm numărul de Eg de acid sulfuric în exces. Calculăm numărul de Eg de H2SO4 , care  reacționează cu un număr de Eg de NaOH din 2 mL soluție, în timpul titrării, utilizând legea echivalenței și definiția concentrației normale:
    2NaOH+H2SO4↔Na2SO4 + 2H2O

    Astfel:
    1000 mL(cm3) sol.NaOH 0,1N. F…are 0,1 Eg.F de NaOH…care reacționează cu 0,1Eg.F de H2SO4
    Atunci 2 mL sol. de NaOH 0,1 N……………………………..reacționează cu ntEg de H2SO4
    nt Eg=2mL.0,1Eg.F/1000mL=2.0,1.0,9982/1000=0,1996.10-3 Eg de H2SO4

    Aflăm numărul de Eg de acid sulfuric care reacționează cu amoniacul, prin diferența dintre numărul total de Eg de acid sulfuric și numărul de Eg de acid sulfuric în exces:
    nr Eg de acid sulfuric=nt Eg acid sulfuric- n exc.Eg acid sulfuric
    nr Eg=2.10-3-0,1996.10-3= 10-3(2-0,1996)=1,8004.10-3 Eg

    Aflăm masa a 1,8004. 10-3 Eg de acid sulfuric
    Echivalentul gram reprezintă masa de substanță, care acceptă, cedează sau substituie un echivalent-gram de hidrogen, adică 1,008 g H. Echivalentul-gram al acidului, când nu participă la reacții redox se calculează cu relația:
    Eg acid=Masa moleculară acid / nH+ (număr de protoni cedați de un acid sau acceptați de o bază)
    Eg la H2SO4 în reacția cu NaOH (de mai sus) este:
    Eg=M/2; Eg= 98/2=49 g

    Avem regula de trei simplă:
    Dacă 1 Eg H2SO4………………………………are 49 g H2SO4
    Atunci 1,8004.10-3 Eg. H2SO4…….…au……m r H2SO4
    mr=1,8004.10-3.49
    mr=1,8004.10-3 Eg .49g/1Eg=0,0882 g de H2SO4

    Aflăm volumul de NH3 (L), care reacționează cu 0,0882 g de H2SO4, pe bază de calcul stoechiometric:
    Va           0,0882g
    2NH3 + H2SO4 ↔ (NH4)2SO4
    2.22,4L  98
    Va=2.22,4L.0,0882g/98 g/mol=0,04032 L NH3

    Calculăm masa de magneziu din precipitat, care produce 0,04032L NH3, pe bază de calcul stoechiometric:
    2MgNH4PO4.H2O↔Mg2P2O7 +2NH3 ↑+3H2O↑
    Dacă 2mol de MgNH4PO4.H2O…are 2 atom-g de Mg…….formează 2 Volume molare de NH3
    2.24 g Mg………………………..2.22,4L
    x (g)………………………….0,04032L
    x=2.24g.0,04032L/2.22,4L=0,0432 g de Mg

    Calculăm procentul de magneziu din probă:
    Dacă 1,2 g de probă……are………..0,0432 g de Mg
    Atunci în 100% probă……avem……% de Mg
    % de Mg=100%.0,0432 g/1,2 g=3,6 %

    Pentru a afla procentul de volum al amoniacului din gazele de reacție, trebuie să calculăm volumul de gaze în condiții normale de temperatură (T) și presiune (p), apoi cu relația de trei simplă calculăm procentul de amoniac din acest volum de gaze.
    Avem relația pentru calcularea volumului V0 de gaze:
    p0V0/T0 = p.V/T
    unde:
    T0=273 K; p0=1 atm;
    T=5000 C+273=773 K; V=500mL=0,5L; p=1500 torr=1500.1,31579.10-3=1,9737 atm

    1atm.V0/273 K=1,9737atm.0,5L/773K
    V0/273=0,9869L/773=0,0013L
    V0=273.0,0013=0,3549 L gaze(amoniac,vapori de apă, aer)

    Calculăm procentul de volum al amoniacului în volumul de gaze de mai sus:
    Dacă în 0,3549 L amestec gazos…………..sunt……….0,04032 L de amoniac
    Atunci în 100% amestec gazos…………sunt………..%v de amoniac
    %v NH3=100%.0,04032 L/0,3549L=11,3609%

  • R:3,6% Mg; 11,3609% NH3 

CALCULAREA REZULTATELOR ÎN ANALIZA GRAVIMETRICĂ

Gravimetria este o metodă de analiză cantitativă, prin care componentul de analizat din probă se precipită și apoi se măsoară masa lui. Precipitatul rezultat are o compoziție chimică cunoscută, ceea ce permite ca din masa probei de la care s-a plecat și din masa precipitatului  să se poată calcula conținutul procentual al componentului precipitat. La calcul se poate utiliza o relație matematică, în care intră produsul dintre masa precipitatului și factorul gravimetric:
x=a.fg  
Unde:
x=masa de component (proba) de analizat (g)
a=masa precipitatului componentului urmărit (g)
fg = factor gravimetric
Factorul gravimetric este raportul dintre masa moleculară (atomică) a componentului determinat (Md) și masa moleculară a formei cântărite, după precipitare și separare (Mc):
fg =Md/Mc
 
Probleme propuse
Vasilica Croitoru, Dan Anghel Constantinescu, Aplicații și probleme de Chimie analitică, Editura tehnică, București, 1979
1.Ionul de bariu (Ba2+) a fost determinat gravimetric ca sulfat de bariu (BaSO4). Care a fost mărimea probei luată în analiză, dacă fiecare miligram de sulfat de bariu reprezintă 0,50% bariu din probă? Se dau: A Ba=137,34; M BaSO4=233,54

Varianta de rezolvare propusă
Vom nota masa de Ba cu “x” mg și masa de BaSO4 cu “a” mg și fiecare mg din “a” este egal cu 0,50% din x. Este deci, o problemă cu două necunoscute: x și a și vom căuta prin datele problemei să scăpăm de o necunoscută, adică de “a”, prin exprimarea ei în funcție de “x”.
Calculăm pe baza reacției de precipitare a bariului, masa de sulfat de bariu, ajungând la o relație matematică între “a” și “x”; vom înlocui pe “a” cu procentul de 0,50% din x /la 1 mg de sulfat și vom rezolva ecuația de gradul 1, care are necunoscuta x. Va trebui să înțelegi, că dacă înmulțim pe fiecare mg din masa de “a” sulfat de bariu, cu 0,5%.x vom obține masa de Ba (x).  Am folosit semnul. pentru înmulțire.

Date cunoscute:
☺reacția de precipitare a ionului de bariu la sulfat de bariu:
Ba2+ + H2SO4 ↔ BaSO4↓ + SO42-
☺1 mg din masa de sulfat de bariu=0,50% din masa de bariu
☺masa atomică la Ba și masa moleculară la sulfat de bariu
Date necunoscute
☺masa de Ba= x (mg)=?
☺masa de sulfat de bariu=a(mg)=?

Calcule
♫ Calculăm cu ajutorul reacției chimice de precipitare, masa de sulfat de bariu, “a” în funcție de “x”:
x                                     a
Ba             ↔                BaSO4
A=137,34                M=233,34
a = 233,34 .x / 137,34 = 1,699.x (g) de sulfat de Ba
a =1,699.x       (1)

  ♫ Calculăm cantitatea de “a”, cu ajutorul procentului de 0,50% din masa de bariu, pentru fiecare mg de sulfat de bariu:
Dacă 1 mg de BaSO4  reprezintă  (0,50 %/100 %) . x (mg)de Ba, atunci:
Atunci la “a” mg de BaSO4……………..m (mg) de Ba, care este x
(a.x. 0,5/100)mg =(1mg).x / se împarte la x
a.0,5/100 = 1      (2)

Problema cu Ba
  ♫ Exprimăm pe “a” din relația (2), în funcție de “x”:
1,699.x.0,5/100 = 1
0,849 x=1.100; x=100/0,849;
x=177,7 mg de Ba
R: 177,7 mg de Ba

 

Problema 2

O probă de azotat de magneziu este impurificată cantitativ cu bromură de sodiu și clorură de sodiu. Soluția obținută prin dizolvarea unei cantități de 1,1260 g din această probă a fost tratată cu o soluție de azotat de argint. S-au obținut 0,0980 g de precipitat, care la analiză, s-a constatat că are un conținut de 65,80% de clorură de argint. Care este conținutul procentual de NaBr din proba analizată?
 

Problema reprezintă o analiză gravimetrică a impurităților de bromură de sodiu și clorură de sodiu dintr-o probă de azotat de magneziu; acestea se izolează prin precipitare cu azotat de argint, rezultând un amestec de clorură și bromură de argint.

Schema de lucru în această analiză este:

Problema cu Mg,Cl,Br-1

Varianta de rezolvare propusă, pentru aflarea conținutului procentual de NaBr, din proba de analizat este: plecăm de la 34,20% AgBr din 0,0980 g de precipitat și vom calcula masa de AgBr; apoi vom calcula masa de NaBr, ce produce această cantitate de AgBr și în final vom calcula procentul de NaBr din 1,1260 g de probă.
Nu voi lucra cu factorii gravimetrici, fiindcă nu toată lumea studiază Chimia Analitică și vreau să fie utilă rezolvarea tuturor. Este o problemă de nivel mediu și implică calcul procentual și calcul stoechiometric (pe bază de ecuație chimică de precipitare dintre NaBr și AgNO3).

Date cunoscute

  • m probă=1,1260g
  • Impurități: NaCl și NaBr
  • m precipitat de AgCl și AgBr=0,0980 g (considerăm că nu conține alte substanțe)
  • procentul de AgCl din precipitat=65,8%
  • procentul de AgBr din precipitat=100%-65,8%=34,2%
  • ABr=80; AAg=108; ANa=23

 Date necunoscute

  • mAgBr=x(g)=?
  • mNaBr=y (g)=?
  • Procentul de NaBr=z(%)=?

 Calcule
ↇ Se calculează masa de AgBr, pe bază de calcul procentual:
Dacă în 100% de precipitat….avem…..34,20% AgBr
Atunci 0,0980 g de precipitat….are……..x g de AgBr
x=0,0980 g .34,20% / 100%=0,03356=0,0336 g de AgBr
ↇ Se calculează masa de NaBr, care produce 0,0036 g de AgBr, cu ajutorul calcului stoechiometric (calcul pe baza ecuației chimice):
M AgBr= 108+80=180
M NaBr=23+80=103
m=y(g)                                 m=0,0336g
NaBr + AgNO3 ↔ NaNO3+AgBr↓
M:103                                   M: 188
Avem de rezolvat proporția:
y/103=0,0336/188
y=103.0,0336/188=0,0184 g de NaBr
ↇ Se calculează conținutul procentual de NaBr din 1,1260 g de probă:
Dacă  în 1,1260g de probă (azotat de magneziu) ….sunt ..0,0184 g de NaBr
Atunci 100% probă ………conține………..sunt………………..z
z=100%.0,0184g/1,1260g=1,634% de NaBr

R: 1,634% NaBr

CALCULE STOECHIOMETRICE CU RANDAMENT, PURITATE

Mulțumesc persoanei, care mi-a sugerat acest articol! Sper să ajute și elevii din clasa a VIII-a!

I CALCULE STOECHIOMETRICE CU SUBSTANȚE PURE

Am lucrat cu 2 zecimale și semnul . este pentru înmulțire.

I.1 DETERMINAREA CANTITĂȚII DE PRODUS DE REACȚIE DINTR-O CANTITATE DE REACTANT, RANDAMENTUL ÎN PRODUSUL DE REACȚIE ESTE 100%

 Randamentul în produs de reacție este o “cifră exprimată în procente”, care ne spune că,“ în timpul unei reacții chimice au loc pierderi și atunci dintr-o masă dată de reactant se obține o masă practică de produs de reacție mp mai mică decât masa evaluată teoretic, mt”. Randamentul are simbolul matematic  ᶯ. Formula de calcul matematic este:
ᶯ % produs=(mp.100)/mt/produs
sau
ῃ=(Vp/Vt)produs.100 (%)
Vp=volumul practic obținut (l); Vt=volumul teoretic de produs de reacție(l)

La reacții chimice, fără pierderi, randamentul în produsul de reacție este 100% și atunci:
mp=mt
Masa teoretică, respectiv volumul teoretic de produs de reacție se calculează cu ajutorul reacției chimice. S-a convenit să se facă calculul stoechiometric (adică pe bază de reacție chimică) cu substanțe pure și cantitățile (volumele) teoretice.
Problema propusă
Calculați masa de amoniac (NH3)  în g, care se obține din 0,06 kmoli de azot (N2) și hidrogen (H2) cu randament de 100 %. Substanțele se consideră pure. Masele atomice se iau din tabele.
 
Etape de lucru la aflarea masei de amoniac

1.Scriem ecuația reacției chimice dintre azot și hidrogen, cu formare de amoniac, în anumite condiții.
N2 +3H2=2NH3(toate substanțele sunt gaze)
 
2.Semnificația acestei ecuații chimice este:
1 mol de N2 reacționează cu 3 moli de H2 și produce 2 moli de NH3
Sau:
2.14 g N2  ….3.(2.1)g de H2…..2.(14+3.1)g de NH3
Sau:
1 volum molar de N2reacționează cu 3 volume molare de H2 și produce 2 volume molare de NH3

3.Se scriu datele problemei

Știm:
-masa de N2=0,06 Kmol= 0,06.1000 moli=60 moli
– ῃ în NH3 = 100%;  acesta înseamnă că masa teoretică de amoniac calculată (teoretica) este egală cu masa practică de amoniac obținută
-A N =14; AH=1;
-M la NH3 = AN+3AH = 14+3.1=14+3=17
Nu știm:
-masa de NH3 obținută=x(g)=?

4.Calcularea masei de NH3 (moli, g) se face cu ajutorul calcului stoechiometric (calcul pe bază de ecuație chimică):

60moli                  x
N2          +3 H2= 2NH
1mol                     2moli

 Rezultă proporția:
60/1= x/2; 60.2=x.1
X=120 moli de NH3
Masa de NH3 se calculează prin înmulțirea numărului de moli cu masa moleculară:
m(g) NH3 = 120.17 =2040 g de NH3

R : 2040 g de NH3

I.2 DETERMINAREA CANTITĂȚII DE PRODUS DE REACȚIE DINTR-O CANTITATE DE REACTANT, RANDAMENTUL ÎN PRODUSUL DE REACȚIE ESTE DIFERIT DE 100%

Problema propusă
Calculați masa de amoniac (NH3)  în g, care se obține din 0,06 kmoli de azot (N2) și hidrogen (H2) cu randament de 60 %. Substanțele se consideră pure. Masele atomice se iau din tabele.

Etape de lucru la aflarea masei de amoniac
1.Scriem ecuația reacției chimice dintre azot și hidrogen, cu formare de amoniac, în anumite condiții.
N2 +3 H2=2NH3 (toate substanțele sunt gaze)
 
2.Semnificația acestei ecuații chimice este:
1 mol de N2 reacționează cu 3 moli de H2 și produce 2 moli de NH3
Sau:
2.14 g N2  …….3.(2.1) g de H2…..2.(14+3.1) g de NH3

3.Se scriu datele problemei

Știm:
-masa de N2=0,06 Kmol=0,06.1000 moli=60 moli
– ῃ în NH3=60%;
Acesta înseamnă că masa teoretică de amoniac, care se calculează de pe ecuația chimică este mai mică, decât masa practică de amoniac obținută, diferența de 40% reprezintă pierderi.
-A N =14; AH=1;
-M la NH3 = AN+3AH=14+3.1=14+3=17
Nu știm:
-masa de NH3 teoretică= mt= x(g)=?
-masa de NH3 obținută practic=mp=?

4.Calculul masei teoretice de NH3 (g) se face cu ajutorul calcului stoechiometric, așa cum este în exemplul de mai sus:

mt (g) NH3 = 120.17 =2040 g de NH3

5.Masa practică de NH3 obținut se calculează din formula randamentului și cu ajutorul masei teoretice:

ᶯ % produs=(mp.100)/mt/produs
60= mp.100/2040; 60.2040=mp.100
mp=60.2040/100=1224 g de NH3
OBSERVAȚIE:
2040 g-1224g=816 g de NH3 pierdere

R : 1224  g de NH3

 

II CALCULE STOECHIOMETRICE CU SUBSTANȚE IMPURE

 Puritatea (p) reprezintă cantitatea sau volumul de substanță pură din 100 unitate de masă sau unitate de volum de substanță impură.

Problema propusă
Prin tratarea plumbului cu acid azotic se formează 120 g de azotat de plumb cu randament de 95%. Ce cantitate de plumb(g) cu puritate de 98% în Pb s-a folosit?

 Etape de lucru
1.Scriem reacția chimică:
2Pb(s)+8HNO3(sol)=3Pb(NO3)2 sol+2NO↑+4 H2O
2NO + O2 (din aer=2NO2

2.Semnificația acestei reacții chimice este:

 2 moli de atomi de Pb reacționează cu 8 moli de HNO3 și produce: 3 moli de Pb(NO3)2,2moli de NO și 4moli de  H2O

3.Scriem datele problemei:

Știm:
-masa de Pb(NO3)2 formată cu randament de 95%=120g = care este masa practic obținută(mp)
-randamentul în azotat de plumb=95%
-puritatea plumbului=98%=adică în 100% plumb sunt 98% Pb pur, iar restul de 2% sunt impurități.
A Pb= 207;
M la Pb(NO3)2 =A Pb+2(A N+3 A O)=207+2(14+3.16)=207+2.14+6.16=207+28+96=331
Nu știm:
-masa teoretică de Pb(NO3)2=mt=?(g)
-mPb pur=x =?(g)
-m plumb impur=y=?(g)

4.Calcule
Prima dată se calculează masa teoretică de azotat de plumb, cu ajutorul randamentului și a masei practice:
ᶯ % produs=(mp.100)/mt /produs
95=120.100/mt ; mt = 120.100/95=126,315=126,32 g de Pb(NO3)2
Se calculează masa de Pb cu ajutorul calculului stoechiometric, rezultând proporția:
Dacă  3moli=3.331 g de Pb(NO3)2 (masa teoretică) rezultă din 2moli=2.207 g de Pb
Atunci   126,32 g de de Pb(NO3)2 rezultă din…………………………………x g de Pb
x =126,32.2.207/3.331=55,665=56,67 g de Pb pur

Se calculează masa de plumb ce conține 56,67 g de Pb pur, cu ajutorul definiției purității:
Dacă în 100 % plumb..sunt……..98% Pb pur
Atunci în y (g) plumb….sunt…..56,67 g de Pb
y = 100%.56,67 g / 98% =57,82 g de plumb

R: 57,82 g de plumb

Problema propusă

Este un calcul bazat pe reacția chimică dintre aluminiu pur și o soluție de acid sulfuric în exces, la care se cer masa de acid sulfuric nereacționat (exces) și concentrația procentuală a soluției finale, după terminarea reacției.

În 10 tone de soluție de acid sulfuric de 49% se introduc 540 kg de aluminiu pur. Se cer:a) cantitatea de acid sulfuric rămasă după consumarea aluminiului; b) concentrația procentuală a acidului sulfuric în soluția rămasă după terminarea reacției.

Varianta de rezolvare propusă

Date cunoscute
Reacția chimică dintre Al și H2SO4 :
                  2Al + 3H2SO4→Al2(SO4)3 +3H2
masa de aluminiu pur=540 Kg; adică nu există impurități și avem numai Al
masa soluției de acid sulfuric=10t =10.1000=10000 kg soluție
concentrația procentuală a soluției de acid sulfuric introdus=Ci=49%
definiția concentrației procentuale de masă: cantitatea de solvat(g,%) dizolvat în 100 g(%) de soluție; solvat sau substanța dizolvată.
A Al=27; M H2SO4 =98; M Al2(SO4)3 =342;
se specifică în problemă că aluminiul se consumă și rămâne acid sulfuric nereacționat. Deci, se introduce în reacție un exces de soluție de acid sulfuric, față de cantitatea stoechiometrică.(cantitatea calculată ce corespunde la 540 kg de Al).

Nu știm:
masa de acid sulfuric dizolvat în 10000 Kg soluție=md total=?(kg)
masa de apă din 10000 kg soluție de 49% acid= mH2O=? (kg)
                     Masa de apă= masa soluției de 49% – md total de H2SO4  (1)
masa de acid sulfuric care reacționează  cu 540 kg de Al=X (kg)
masa de acid sulfuric nereacționat, adică este în exces=md exces=? (kg)
                     md exces= md total-X (m de H2SO4 reacționat cu Al)  (2)
masa de Al2(SO4)3 =Y=? (kg)
concentrația procentuală a acidului sulfuric (H2SO4) nereacționat (exces), în soluția rămasă după terminarea reacției=Cr=?
Aceasta se calculează cu relația matematică:
                     Cr=md exces.100 / ms rămasă după reacție   (3)
Masa hidrogenului format nu se adună, fiindcă el se degajă din reacție și nu este solubil în soluția apoasă.
masa soluției existente după reacția chimică=ms rămasă =? (kg)
 Masa soluției ce există, după reacția chimică este  suma maselor:
                 m H2SO4 nereacționat + mH2O (din 10000 kg soluție 49%)+ mAl2(SO4)3 (4)

                           Calcule
Am folosit notațiile: “. ” pentru înmulțire; “/ ” pentru împărțire;
Am lucrat cu 2 zecimale și am rotunjit.
a)Calculăm masa de acid sulfuric după terminarea reacției chimice-md exces:
 Masa de acid sulfuric din 10000 kg de soluție 49% este:
Dacă în 100%  soluție……sunt….49% H2SO4
Atunci în 10000 kg soluție….sunt ….md total
md total= 10000 kg.49 % /100%=4900 kg de H2SO4
Se calculează masa de H2SO4, care reacționează cu Al, cu ajutorul reacției chimice:
540Kg       X                  Y
2Al      + 3H2SO4→Al2(SO4)3 +3H2
2.27            3.98         342
X=540 kg. 3.98/ 2.27 = 2940 kg H2SO4
Se calculează md exces, cu relația 2:
md exces= 4900 – 2940= 1960 kg  H2SO4
b)Calculăm concentrația de acid sulfuric în soluția rămasă, după terminarea reacției chimice
Etape:
Se calculează masa de sulfat de aluminiu (Y), de pe reacția chimică:
Y = 540 kg . 342 / 2.27= 3420 kg de Al2 (SO4)3
Se calculează masa de apă din 10000 kg soluție de acid sulfuric 49%  cu relația 1:
mH2O = 10000 kg soluție-4900 kg H2SO4=5100 kg de H2O
Se calculează masa soluției existente după terminarea reacției cu relația  4:
ms rămasă= 1960 Kg de H2SO4+ 5100 kg H2O+3420 kg Al2(SO4)3=10481 kg
Se calculează concentrația procentuală a acidului sulfuric nereacționat în cantitatea de 10481 kg soluție cu relația 3:
Cr=1960kg .100 % / 10481 kg= 18,70 %

R: 18,70%

Problema propusă

O cantitate de 7 g de aliaj de Cu-Al-Fe și 1 % impurități este tratată cu soluție de HCl. Dacă, rezultă 1,023.1023 atomi de hidrogen și cantitatea de cupru din aliaj consumă 0,1 moli de AgNO3 (azotat de argint) să se calculeze compoziția procentuală a aliajului. Reacțiile sunt totale.
  
Varianta de rezolvare propusă

Date cunoscute:
masa de aliaj=7 g
componenții aliajului sunt metalele: Cu, Al, Fe și impurități
procentul de impurități din aliaj=1%
reacția chimică dintre HCl cu Al și reacția chimică dintre HCl și Fe:
2Al +6HCl = 2AlCl3 +3H2↑                                                   (1)
Fe+ 2HCl= FeCl2 + H2↑                                                       (2)

Cuprul nu recționează cu soluția de HCl diluat/concentrat
reacția dintre Cu și soluția de AgNO3:
Cu(s) +2 AgNO3 (sol) = Cu(NO3)2 (sol) +2Ag↓                      (3)

numărul de atomi de hidrogen din reacțiile Al, Fe cu HCl este 1,023.1023
masa de AgNO3 = 0,1 mol (în reacția cu Cu)
știm ce este calculul stoechiometric( calcul pe baza reacției chimice)
știm Numărul lui Avogadro (N): 1 mol de substanță conține 6,023.1023 particule(atomi, ioni, molecule)
A Cu=64; A Al= 27; A Fe=56; A H=1;

Nu știm:
masa impurități=?
masa de aliaj fără impurități(aliaj pur, format din Cu, Al,Fe)=?
m aliaj pur=m aliaj-m impurități                                        (4)
m aliaj pur =x+y+z                                                            (5)
masa de Cu = x(g)=?
masa de Al=y(g)=?
masa de Fe=z(g)=?
masa de Al-Fe=m aliaj pur-m Cu= y+z                             (6)
masa de H2 degajat în reacția HCl cu Al=a(g)=?
masa de H2 degajat în reacția HCl cu Fe=b(g)=?
masa de H2 rezultat(g)=a+b                                               (7)
procentele de Cu, Al, Fe din 6 g de aliaj=?

Calcule
Masa de Cu se află din reacția lui, cu 0,1 moli de AgNO3. Masa de Al și Fe se află prin rezolvarea unui sistem cu două ecuații cu necunoscutele x, y; necunoscutele a și b se exprimă în funcție de x, y. Am folosit notațiile: “. ” pentru înmulțire; “/ ” pentru împărțire. Am lucrat cu 2 zecimale și am rotunjit.

a)Calculăm masa de impurități din 7 g de aliaj cu 1% impurități:
dacă în 100% aliaj…………….sunt…1% impurități
atunci în 7 g aliaj…………..sunt…..m impurități
m impurități=7.1/100=0,07 g
b)Calculăm masa de aliaj pur:
m aliaj-m impurități=m aliaj pur
7g-0,07g=6,93 g aliaj pur

c) Calulăm masa de Cu din aliaj, pe baza reacției cu 0,1 moli de AgNO3 (3):
dacă 1 mol de atomi de Cu…..reacționează cu 2 moli de AgNO3
atunci x moli de Cu…..reacționează cu 0,1 moli de AgNO3 
x moli=1 mol.0,1 mol/2 moli=0,05 moli de Cu
masa de Cu=x=n moli. A Cu=0,05.64=3,2 g Cu

d) Calculăm suma maselor de Al, Fe din aliaj:
m (Al-Fe)=m aliaj pur-m Cu=6,93-3,20=3,73 g
d) Calculăm cu ajutorul numărului lui Avogadro, masa de H2 rezultat:
dacă 1 mol=2 g de H2………are 6,023.1023 atomi
atunci       m H2   are……1,023.1023 atomi
m H2 =2g.1,023.1023atomi/6,023.1023atomi
mH2=0,34 g

e)Ajungem la sistemul de ecuații (din relațiile 6,7), fiindcă a și b sunt produse de  y, z:
a+b =0,34
y+z=3,73
f) Exprimăm pe a și b, în funcție de x și y cu ajutorul calculelor pe baza reacțiilor 1,2:
y                                     a
2Al +6HCl = 2AlCl3 +3H2
2.27                              3.2
a=3.2.y/2.27=y/9=0,11y

z                                b
Fe+ 2HCl= FeCl2 + H2
56                            2
b=2z/56=z/28=0,036z
g) Rezultă sistemul de ecuații și rezolvarea de mai jos:

0,11y+0,036z=0,34
y+ z=3,73     (înmulțim toți membrii cu -0,11)
0,11y+0,036z=0,34
-0,11y-0,11z=-0,41
-0,074z=-0,41+0,34= -0,07; z= -0,07/-0,074=0,95 g de Fe
z=0,95 g Fe
Iar y este:
y+0,95=3,74;   y=3,74-0,95=2,79 g de Al
h) Calculăm procentele de Cu, Al, Fe din 7 g aliaj cu 1% impurități, adică 6,93 aliaj pur:
dacă în 7 g aliaj….. 3,2gCu….2,79g Al….0,95gFe….0,07g impurități
atunci în 100%……….% Cu…….% Al……..% Fe
% Cu=100.3,2 /7= 45,71%
% Al=100.2,79/ 7= 39,86%
% Fe=100.0,95/ 7= 13,57 %
% impurități         =1 %
Obervație:
3Cl2 +2 Fe = 2 FeCl3
 
R: 45,71% Cu; 39,86% Al; 13,57% Fe

Problema propusă

Pentru obținerea negrului de fum se ard 100 m3 de gaz metan cu 98% v CH4 (condiții normale de temperatură și presiune). Să se calculeze: a) cantitatea de negru de fum obșinută cu randament de 60%; b) volumul de aer folosit (condiții normale de temperatură și presiune), cu 20% oxigen, dacă se lucrează cu un exces de 5%v aer.
Negrul de fum este constituit din particule foarte fine de carbon și se obține prin descompunerea termică a compușilor organici sau prin arderea incompletă a hidrocarburilor. Este utilizat: sub formă de material de umplutură la fabricarea anvelopelor; pigment în industria cernelurilor, a lacurilor, a vopselelor; la fabricarea hârtiei de copiat, la fabricarea electrozilor, a cartușelor pentru imprimanta de la calculator; colorant pentru rășini electroizolante.
“Este un posibil carcinogen pentru oameni, iar expunerea pe termen scurt la concentrații mari poate produce disconfort la nivelul tractului respirator superior, producând iritație mecanică.
În trecut, se producea negru de fum în România la nivel industrial în localitatea Copșa Mică.” https://ro.wikipedia.org/wiki/Negru_de_fum
 
 
Varianta de rezolvare propusă
Date cunoscute:
►reacția chimică de obținere a negrului de fum, din metan:
2CH4 + 3O2 →C +CO2+4H2O  (1)
►volum gaz metan=336m3 (condiții normale de temperatură și presiune)
►puritatea gazului metan=conținutul de CH4=98%
►randamentul în C=ᶯ =69%
►formula matematică de calcul pentru randament:
Randamentul în C=cantitatea practică de C obținută.100/cantitatea teoretică
►știm ce este calculul stoechiometric( calcul pe baza reacției chimice)
►știm ce este volumul molar, introdus de legea lui Avogadro:
La 00 C și 1 atm, volumul molar al oricărui gaz este 22,4 l(dm3)
1 kmol de gaz are 22,4 m3.
1 kmol de C =12 kg
►Conținutul procentual de O2 din aer=20%v=procente de volum
►Excesul de aer=5%v din volumul de aer consumat în reacție
► A C=12; A O=16; MO2=2.AO=2.16=32

Nu știm:
►V de CH4 din 336 m3 de aer=? (m3) / se află prin calcul procentual
►masa de C (kg) teoretică care rezultă din V CH4=ct=?(kg)=se află prin calcul stoechiometric
►masa de C (kg) practic obținută în condiții industriale, din cauza pierderilor=cp=?
►V de O2 pentru reacția cu V de CH4 =? (m3) se află prin calcul stoechiometric
►V aer reacție, care conține volumul de oxigen de mai sus=? (m3)/se află prin calcul procentual
►V aer exces=? (m3) se află prin calcul procentual
►V aer total=?(m3)
V aer total=V aer reacție chimică+ V aer exces

Calcule
⊕ Calculăm volumul de CH4:
Dacă în 100% v de gaz metan…sunt 98%v CH4
  Atunci 100 m3 gaz metan…au……..V CH4
V CH4 = 100 m3.98%v/ 100% v=98 m3 CH4
 ⊕ Calculăm Ct de carbon cu ajutorul reacției chimice:
98 m3            ct              
2CH4        →  C
2.22,4m3      12 kg
ct=98 m3.12 kg/2.22,4 m3 = 26,25 kg

⊕ Calculăm cantitatea practică de C (cp)
ᶯ =cp.100/ct ; 60= cp.100/22,5;  60.22,5 = cp.100
cp=60.22,25/100= 15,75 kg de C; restul 26,25-15,75=10,50 kg sunt pierderi
Calculăm volumul de oxigen consumat în reacția cu 98 m3 CH4
       98m3         V O2
      2 CH4      +  3 O2
      2.22,4 m3      3.22,4 m3
V de O2 = 98 m3 .3.22,4 /2.22,4 = 147 m3 de O2
 
⊕ Calculăm volumul de aer pentru reacție, ce conține 147 m3 de O2
Dacă 100%v aer…are………..20%vO2
Atunci V aer reacție….are….147 m3 de O2
V aer reacție= 100%v.147 m3 / 20 % v
V aer reacție= 735 m3 aer

Calculăm volumul de exces de aer:
Dacă la 100%v de aer…..avem……5% v aer în plus
Atunci la 735 m3…….avem…………V aer exces
V aer exces = 735 m3.5%v aer /100 %v
V aer exces = 36,75 m3

Calculăm volumul total de aer:
V total aer= 735+36,75=771,75 m3

R=15,75 kg C; 771,75 m3 aer

DETERMINAREA MASEI MOLARE A UNUI POLIMER PRIN MĂSURAREA VÂSCOZITĂȚII SOLUȚIEI SALE CU VÂSCOZIMETRUL UBBELOHDE

Măsurarea vâscozității soluției unui polimer este cea mai simplă metodă pentru a obține o valoare pentru masa moleculară a unei macromolecule.Dacă este dizolvat un polimer, într-un solvent, soluția rezultată devine vâscoasă-se observă și la soluții diluate. Temperatura trebuie să fie constantă. Pe măsură ce masa moleculară a polimerului crește, soluția devine mai vâscoasă. Acest fenomen arată că există o relație între vâscozitatea soluției de polimer și masa lui moleculară.
Astfel, cu vâscozimetrul de mai sus, se măsoară la temperatură constantă și la soluții diluate ale polimerului cercetat (g/cm3) timpii de curgere pentru solvent și pentru soluții și apoi se calculează   vâscozitatea relativă:
Vâscozitatea relativă este raportul dintre vâscozitatea soluției și vâscozitatea solventului și se calculează împărțind timpul de curgere al soluției la timpul de curgere al solventului.
h rel = ti /t0
unde:
h rel =vâscozitatea relativă
ti =timpul de curgere pentru soluție (secunde)
t0  =timpul de curgere pentru solvent (secunde)
Fiindcă vâscozitatea relativă tinde spre unitate, cu scăderea concentrației polimerului (c=0), studiile recomandă să se lucreze cu vâscozitatea specifică (h spec):
h spec = h rel-1= t1-t0/ t0   (1)
Vâscozitatea specifică crește cu creșterea concentrației polimerului în soluție la temperatura constantă.
Dacă se împarte relația matematică a vâscozității specifice la concentrația polimerului în soluție se obține relația:
h spec/C soluție polimer = t1-t0/ t0.Csoluție polimer  (2)
Se reprezintă grafic variația h spec/Cpolimer  = f( Cpolimer) și se obține o dreaptă; prin extrapolare la C=0,rezultă panta dreptei,care reprezintă vâscozitatea intrisecă(h).
Vâscozitatea intrinsecă este principalul parametru de interes în determinarea masei moleculare. Ea este legată de masa moleculară prin ecuație empirică, a lui Mark-Houwink:
h = K.Ma (3)
Unde :
K,a =coeficienți tabelați pentru perechea solvent-polimer, temperatura de lucru și unitatea de măsură a vâscozității intriseci; ei se determină experimental.
M= masa molară a polimerului

ATENȚIE LA TERMENI:

Valoarea numerică a masei moleculare relative este egală cu valoarea numerică a masei molare exprimată în g/mol sau kg/kmol. https://ro.wikipedia.org/wiki/Mas%C4%83_molecular%C4%83
Viscozitatea este proprietatea unui fluid de a se opune mișcării relative a particulelor constituente https://ro.wikipedia.org/wiki/Viscozitate

                      EXERCIȚIU  PROPUS

DETERMINAREA MASEI MOLARE A ALCOOLULUI POLIVINIC PRIN MĂSURAREA VÂSCOZITĂȚII SOLUȚIEI SALE ÎN APĂ CU VÂSCOZIMETRUL UBBELOHDE

Alcoolul polivinilic de uz industrial se obține din metanol, iar cel utilizat pentru cosmetică și industria alimentară se obține din etanol. Polyvinyl alcohol – Wikipedia
Are formula chimică aproximativă: CH2CH(OH)n.

UN MOD DE LUCRU

Se propun următoarele date, care sunt diferite de cele din practică.
Se prepară 5 soluții diluate de alcool polivinilic în apă distilată de concentrații: 0,0010g/cm3-0,0030g/cm3; se măsoară la temperatura de 300C, timpul de curgere al apei distilate și apoi timpii de curgere pentru cele cinci soluții.
Se fac calcule de vâscozitate relativă, specifică.
Se reprezintă grafic funcția
h spec/C soluție polimer= f( Csoluție polimer);
Prin extrapolare din grafic se obține vâscozitatea intrisecă și se calculează apoi masa molară (cu relația matematică, 3).
Tabel cu date:
t0=45 sec (la apa distilată)
K=0,0002 cm3 /g
a=0,76

C(g/cm3)
sol
0.0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030
t(secunde) 50 55 60 70 80
t1-t0 50-45=5 55-45=10 60-45=15 70-45=25 80-45=35
t1-t0/t0.C 5/45.0,0010=
111
10/45.0,0015=
148
15/45.0,0020
=167
25/45.0.0025
=222
35/45.0,003
=259

Reprezentăm grafic într-un sistem de axe OX și OY variația raportului:
h spec/C sol.polimer cu  Csol. polimer, astfel: pe axa OX vor fi valorile concentrației și pe axa OY vor fi valorile raportului. Este o funcție de tipul: y=f(x)
Rezultă variația din graficul de mai jos, unde:
-pe axa OY, unitatea de măsură ce corespunde la un pătrățel este 12,5 cm3/g ( distanța dintre 100-200 este de 8 pătrățele, deci diferența(100):8 =12,5)
-pe axa OX, unitatea de măsură ce corespunde la un pătrățel este diferența 0,001-0,002: 5 pătrățele (distanța dintre ele) și este egală cu:0,0002 g/cm3.

Prin extrapolare am obținut valoarea vâscozității intriseci (C sol=0). Se observă cum am prelungit dreapta albastră cu o dreaptă roșie ce intersectează axa OY într-un punct ce corespunde la aproximativ 2 pătrățele pe grafic.
Valoarea lor este: 2.12,5 g/cm3 =25 g/cm3
Calculăm M cu relația 3:
25 cm3/g = 0,0002 cm3/ g. M0,76
 M=radical de ordinul 0,76 din 25.0,0002=7476
R: M=7476

CALCULAREA CANTITĂȚII DE PROBĂ ÎN ANALIZA GRAVIMETRICĂ

          Chimia Analitică învață că, “mărimea probei analizate gravimetric depinde de: compoziția materialului analizat și în special de conținutul procentual al constituentului ce se determină, apoi de compoziția și de structura precipitatului obținut. Cantitatea de precipitat obținută trebuie să permită o filtrare rapidă, o eliminare completă a impurităților prin spălare.” Cantitatea de precipitat cristalin este mai mare decât în cazul precipitatelor coloidale.

Noțiuni de prelevarea probelor gazoase

Se practică următoarele metode de bază: prin expansiune într-un container ce poate fi ulterior evacuat; prin spălare și prin înlocuire cu un lichid. Trebuie să se cunoască volumele vaselor de colectare, temperatura și/sau presiunea.

Noțiuni de prelevare probe lichide

Luarea probelor din lichide pure sau omogene este directă cu orice dispozitiv ce nu distruge puritatea, omogenitatea.Luarea probelor din amestecuri lichide eterogene (neomogene) ridică unele probleme și metoda de recoltare diferă dacă avem:emulsie, suspensie, lichid cu reziduuri solide, amestec de lichide nemiscibile, dacă există componenți volatili.

Noțiuni de prelevarea probelor solide

Metodele de recoltarea probelor solide diferă, dacă acesta este omogen sau eterogen.Există relații matematice pentru calcularea masei de solid ce se va recolta, în funcție de structura precipitatului rezultat și în funcție de granulometria materialului solid.
Astfel, pe o rondelă de hârtie de filtru cu diametrul de 7 cm se filtrează ușor o cantitate corespunzătoare de 0,5000 g de precipitat cristalin (volum mic), iar pentru precipitatele coloidale (volum mare) aceasta se reduce la 0,1000 g formă cântărită. De aceste date se ține cont la calcularea cantității de probă pentru analiză.
O relație pentru calcularea cantității minime de probă, în care intră diametrul granulelor este:
q ≥ k. da
unde:
q=cantitatea de probă (Kg)
d=diametrul granulelor în mm
k, a=coeficienți empirici, ce depind de caracteristicile materialului;
Caz1: k=0,06; a=1,80 la materiale cu omogenitate și grad de sfărâmare mare.
Caz 2: k=0,10; a=2,00 pentru materiale cu grad de omogenitate și sfărâmare medii.
Caz3:k=0,18; a=2,25 pentru materiale neomogene.
 
Noțiuni de prelevarea probelor clinice

Probele clinice sunt constituite în mare parte din: sânge, ser sau plasmă, lichid cerebrospinal, suc gastric, lichid ascitic din cavitatea abdominală, lichid pleural din cavitatea toracică, lichid sinovial de la încheieturi, urină, țesuturi, secreții ale rănilor, etc. Trebuie reținut, că de obicei la analizele clinice, față de cele industriale, sau cele privind mediul înconjurător, medicul, asistentul medical, sora recoltează probe, iar analistul trebuie să se bazeze pe abilitatea și corectitudinea lor privind manipularea probelor.

Bibliografie
Vasilica Croitoru, Chimie Analitică.
Donald J.Pietrzyk, Clyde W. Frank, Chimie analitică, Editura Tehnică, București, 1989

PROBLEMA  REZOLVATĂ nr. 1

Ce cantitate de aliaj care conține 10,85% aluminiu se ia la analiza aluminiului, știind că acesta se determină gravimetric, prin precipitare ca hidroxid de aluminiu și calcinare la oxid de aluminiu ?
A Al=27; M Al2O3 = 102

Rezolvare

Etapele de lucru sunt:
Pregătire și recoltare probă de aliaj într-o anumită cantitate (a);
Aducerea probei de aliaj în soluție (când Al trece în ioni de Al III);
Precipitarea ionilor de Al (III) sub formă de Al (OH)3-este gelatinos, coloidal și greu de filtrat și spălat;
Calcinarea hidroxidului de aluminiu la oxid de aluminiu (Al2 O3) – forma stabilă.
2Al – 2Al3+ -2 Al (OH)3 – Al2O3

Date
Știm:
-procentul de Al din aliaj=10,85%
-masa de precipitat coloidal, care se reduce la forma cântărită = 0,1000g Al2O3 -din precizările de mai sus
-masa atomică Al și masa moleculară a oxidului de aluminiu
Nu știm:
-masa de Al care produce 0,1000g de oxid=x (g)
-masa de aliaj cu Al = a (g)

Calcule. Am lucrat cu patru zecimale; am folosit semnul . pentru înmulțire.
Calculăm masa de Al (x):
Dacă 1 mol de Al2O3(102g)rezultă din 2 atomi gram de Al (2.27g)
Atunci 0,1000 g Al2O3 rezultă din ………………………………….x (g)Al
x=0,1000g.2.27g/102g=0,0529 g Al

Calculăm masa de aliaj (a):
Dacă 100% aliaj……….are……….10,85% Al
Atunci “a” g aliaj……………..0,0529g
a=100%.0,0529 g /10,85%=0,487556 g=0,4876 g aliaj
 
                                                                       R: 0,4876 g de aliaj.
 

PROBLEMA  REZOLVATĂ nr. 2

Ce cantitate de sulfat de magneziu anhidru se ia în analiză pentru a se determina anionul sulfat din sulfatul de magneziu cristalohidrat sub formă de sulfat de bariu?
M BaSO4= 233,34; M MgSO4.7 H2O = 246,37

Etapele de lucru sunt:
Pregătire și recoltare probă de sulfat de magneziu cristalohidrat, într-o anumită cantitate(a);
Aducerea probei în soluție;
Precipitarea ionilor de sulfat SO4( II) sub formă de BaSO4 – un precipitat cristalin, stabil, care se filtrează și se spală ușor.
MgSO4 . 7 H2O – BaSO4

Date
Știm:
-masa de precipitat cristalin=0,5000g-din precizările de mai sus
-masele moleculare la sulfat de magneziu cristalohidrat și la sulfat de bariu.
Nu știm:
-masa de sulfat de magneziu cristalohidrat și anhidru, care produce 0,5000g de precipitat=a(g)
-masa moleculară de sulfat de magneziu=x(g)

Calcule. Am lucrat cu patru zecimale; am folosit semnul . pentru înmulțire.
Calculăm masa de sulfat de magneziu cristalohidrat (a):
Dacă 1 mol de BaSO4(233,34 g)rezultă dintr-un mol MgSO4 .7 H2O(246,37 g)
Atunci 0,5000 g BaSO4……..rezultă din…………………………..a
a=0,5000g. 246,37g / 233,34g=0,5279 g de MgSO4.7 H2O

Calculăm masa de Mg SO4 (x):
M Mg SO4 =2.A Mg+A(S) +4. A O=2.24+32+4.16 =144
 
Dacă  246,37 g cristalohidrat…are…….144g de sulfat de magneziu
Atunci  0,5279 g va conține…………“x” de sulfat de magneziu
x =0,5279g.144g /246,37g =0,30855g=0,3086 g
 
                                                             R:0,3086 g de sulfat de magneziu

PROBLEMA  REZOLVATĂ nr. 3

Cât trebuie să fie diametrul granulelor unui material solid neomogen, încât să permită luarea unei probe de 0,2500 g?

Rezolvare

►Căutăm relația matematică pentru calcularea cantității minime de probă SOLIDĂ.
Astfel, citim la “Noțiuni de prelevare probe solide” că relația pentru calcularea cantității minime de solid, în care intră diametrul granulelor este:
q≥ k.da

Fiindcă problema precizează, că avem un material solid neomogen, valorile matematice pentru k și a sunt (vezi enunțul):
k=0,18; a=2,25
►Calcule. Înlocuim  în relația lui q, literele q, k, a cu valorile lor numerice și facem calculele de aflarea necunoscutei “d”. Atenție la semnele mai mic și mai mare.

0,2500 ≥ 0,18.d2,25

d2,25 ≤ 0,2500 / 0,18

d2,25 ≤ 0,1389
d≤ radical de ordinul 2,25 din 0,1389,
d≤0,4159 mm
 
R: 0,4159 mm