Un calcolo stechiometrico con una reazione redox

Noemi ha scritto:
 
Cara professoressa, avrei bisogno del suo aiuto per risolvere un problema riguardante le reazioni.
 
40,0 g di nitrato ferroso reagiscono con 2,00 g di acido nitrico per formare 3,93 g di nitrato ferrico, monossido di azoto e acqua. Scrivere la reazione, bilanciarla con il metodo ionico elettronico e calcolare:
a) il reagente limitante;
b) la quantità in grammi di sostanza in eccesso che non partecipa alla reazione;
c) la resa percentuale della reazione;
d) il volume a condizioni normali del monossido di azoto.
 
Grazie mille per il suo aiuto.
 
Ecco l’aiuto:
 
La reazione è   Fe(NO3)2 + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + H2O. In forma ionica diventa:
 
Fe2+(aq) + NO3(aq) + H+(aq)  → Fe3+(aq) + NO(g) + H2O
 
Il bilanciamento (vedi l’articolo pubblicato il 28 giugno 2010) conduce alle semireazioni e all’equazione complessiva che seguono:
 
Fe2+(aq)  →  Fe3+(aq) + e
 
NO3(aq) + 4H+(aq) +  3e–  →  NO(g) + 2H2O
 
3Fe2+(aq) + NO3(aq) + 4H+(aq)  →  3Fe3+(aq) + NO(g) + 2H2O
 
Per affrontare i calcoli successivi è necessario determinare la quantità in moli dei reagenti. Sulla base dei rapporti molari di reazione si è poi in grado di individuare il reagente limitante, di calcolare la quantità in eccesso dell’altro reagente, di stabilire la resa di reazione prendendo in considerazione la quantità effettiva di prodotto formato, e di calcolare il volume di NO(g) ricordando che a c. n. (0 °C e 1 atm) il volume molare di un gas che si comporti in modo ideale è 22,4 L/mol. Quindi:
 
n Fe(NO3)2 = 40,0 g/179,85 g/mol = 0,222 mol = n Fe2+(aq)
 
n HNO3 = 2,00 g/63,01 g/mol = 3,17×10-2 mol = n NO3(aq)
 
Se tutto l’acido reagisce, trasforma una quantità in moli di ioni ferrosi tre volte più grande della propria, cioè 3×3,17×10-2 mol = 0,0952 mol di ioniFe2+(aq); poiché la quantità di ioniFe2+messa a reagire è superiore, possiamo concludere che l’acido nitrico è il reagente limitante mentre il nitrato ferroso è quello in eccesso. Sapendo che possono reagire soltanto 0,0952 mol di ioniFe2+(aq) si determina la quantità restante:
 
nrimanenti Fe2+(aq) = (0,222 – 0,0952) mol = 0,127 mol = nrimanenti Fe(NO3)2
 
mrimanente Fe(NO3)2 = 0,127 mol×179,85 g/mol = 22,84 g
 
La quantità attesa di ioniFe3+(aq) è 0,0952 mol; dalla reazione dovrebbero quindi formarsi 0,0952 mol di nitrato ferrico, la cui massa è:
 
mteorica Fe(NO3)3 = 0,0952 mol×241,86 g/mol = 23,03 g
 
Passando al calcolo della resa rispetto al nitrato ferrico e del volume di NO prodotto (supponendo che la sua resa sia del 100%) si ha:
 
resa% Fe(NO3)3  = (meffettiva/mteorica)×100 = (3,93 g/23,03 g)×100 = 17,1%
 
n NO(g) = n NO3(aq) = 3,17×10-2 mol         V NO(g) = 3,17×10-2 mol×22,4 L/mol = 0,710 L
 
Tutto chiaro?

Per la lezione