Data pubblicazione: Nov 29, 2011 9:4:55 AM
Problema sperimentale
Il materiale etichettato come ossido di magnesio presente in laboratorio è costituita da MgO puro?
È possibile determinare il grado di purezza (percentuale di Mg rispetto a quella di MgO)?
Avete a disposizione acido cloridrico (HCl) alla concentrazione di esattamente una mole per litro (36,46 g/L) e una buretta da 50 mL. Il peso formula dell'ossido di magnesio è 40,30.
Definire i concetti rilevanti:
ossidi basici
reazione di neutralizzazione
Strategie possibili:
1. Per rispondere alla prima domanda si può calcolare e poi verificare la corrispondenza della...
2. Per rispondere alla seconda domanda si può eliminare l'acqua e pesare il prodotto della neutralizzazione, costituito da cloruro di magnesio puro. Infatti le impurezze dell'ossido di magnesio possono essere derivate dalla sua reazione con l'umidità e con l'anidride carbonica dell'aria, formando rispettivamente idrossido di magnesio e carbonato di magnesio come impurezze. Entrambe queste sostanze sono basiche e neutralizzate dall'acido cloridrico producendo sempre lo stesso prodotto che è il cloruro di magnesio.
Reazioni:
1) MgO (s) + 2 HCl (1 mol/L) --> MgCl2(aq) + H2O
reazione da utilizzare per il dosaggio
2) MgO (s) + H2O (g) --> Mg(OH)2 (s) (formazione dell'idrossido di magnesio)
reazione che giustifica la formazione di impurezze a causa del vapore acqueo. Questa reazione segue lo schema classico: ossido metallico + acqua --> idrossido.
3) MgO (s) + CO2(g) --> MgCO3(s) (formazione del carbonato di magnesio)
reazione di neutralizzazione tra un ossido basico (MgO) di un metallo (Mg) e un ossido acido (CO2) di un nonmetallo (C) che formano un sale (neutro). Anche questa reazione può aumentare il peso e diminuire la purezza del prodotto.
4) Mg(OH)2(s) + 2HCl (1 mol/L) --> MgCl2(aq) + 2H2O (reazione dell'idrossido di magnesio)
5) MgCO3(s) + 2HCl (1 mol/L) --> MgCl2(aq) + CO2(g) + H2O (reazione del carbonato di magnesio)
Le equazioni di reazione 4) e 5) dimostrano che anche le potenziali impurezze reagiscono con l'HCl, neutralizzandone due molecole, così come fa l'ossido di magnesio da cui derivano. Quindi la presenza di impurezze può essere rivelata solo grazie al fatto che tali sostanze hanno un peso maggiore dell'ossido a parità di numero di atomi di magnesio. La reazione 5), la presenza del carbonato di magnesio, inoltre è rivelabile all'aggiunta di HCl, perché l'anidride carbonica prodotta dovrebbe essere rilevabile come effervescenza.
Piano di lavoro
1. Pesare circa 0,5 grammi con la bilancia al milligrammo e il beaker dove si effettuerà la reazione con HCl
2. Calcolare il volume previsto di HCl 1 mol/L necessario per la reazione completa
3. Verificare il volume esatto effettivamente necessario per sciogliere tutto il prodotto
4. Se c'è abbastanza tempo evaporare la soluzione limpida e poi pesare il residuo secco.
Dati e osservazioni
1. Sono stati pesati 0,54 g di ossido di magnesio impuro.
2. La polvere bianca, posta in un beaker, si è sciolta completamente con 23,2 mL di acido cloridrico a concentrazione 1 molare (1,000 mol/L).
3. Nella reazione non si sono notate bollicine.
Interpretazione, calcoli e determinazione della purezza %
1. Calcoliamo il volume di HCl 1 mol/L che sarebbe necessario per reagire con 0,54 g di MgO ipoteticamente puro, seguendo la regola del ÷ = x fino all'uguale.
massa complessiva di MgO 0,54 g ÷ 40,3 (massa formula di MgO) = 0,0134 numero proporzionale di formule
oppure
massa complessiva di MgO 0,54 g ÷ 40,3 g/mol (massa di ogni mole di MgO) = 0,0134 moli (NUMERO di moli)
dall'equazione di reazione 1MgO + 2 HCl --> MgCl2 + H2O vediamo che il numero di formule e moli HCl deve essere non uguale, ma doppio rispetto al numero di formule e moli di MgO.
formule HCl = 2·formule MgO = 0,0134 · 2 = 0,0268 (numero proporzionale di formule HCl)
moli HCl = 2·moli MgO = 0,0134 mol · 2 = 0,0268 mol (numero di moli di HCl)
A questo punto per trovare il volume di acido basta sapere che esso ha una concentrazione di una mole per litro ("uno molare"), vale a dire un millesimo di mole per millilitro. Poiché in 0,0268 moli ci sono 26,8 millimoli, occorreranno 26,8 mL di HCl se l'MgO pesato è puro.
Considerato che il peso formula di Mg(OH)2 (idrossido di magnesio) e di MgCO3 (carbonato di magnesio) sono maggiori perché il primo somma una molecola d'acqua all'MgO, mentre il secondo somma una molecola CO2, se la polvere pesata e fatta reagire con HCl contenesse una o entrambe queste impurezze, avremmo dovuto dividere 0,54 g non per 40,3, ma per pesi formula maggiori, ottenendo un numero più basso di moli, dunque un volume minore di acido.
Questo è proprio quanto si è verificato, dato che sono bastati 23,2 g di HCl 1 molare anziché i 26,8 mL previsti per 0,54 g di MgO puro.
In base alle osservazioni possiamo anche escludere la presenza di quantità significative di carbonato di magnesio, poiché durante la reazione non si sono viste bollicine di CO2. Questa informazione semplifica il problema, poiché possiamo imputare tutta la discrepanza alla presenza di idrossido di magnesio, e possiamo anche provare a determinare la massa di questo componente.
2. massa molare dell'idrossido di magnesio = Mg(OH)2 = 24,3 + (16,00 + 1) · 2 = 58,3 g/mole
Ora procediamo a ritroso con il seguente ragionamento basato sui dati:
per neutralizzare MgO + Mg(OH)2 pesanti in due 0,54 g, sono stati necessari 23,2 mL di HCl, cioè 0,0232 moli di HCl. Ciò significa che le moli di MgO + Mg(OH)2 messe insieme erano la metà di quelle di HCl, cioè 0,0116 mol.
Facciamo riportare questi 0,54 g come somma dei grammi di MgO e di Mg(OH)2, chiamando x le moli di MgO e 0,0116 - x le moli di Mg(OH)2.
Per trovare la massa in grammi dobbiamo fare il x che avevamo saltato prima.
x mol · 40,3 g/mol + (0,0116 - x) · 58,3 g/mol = 0,54 g risolviamo l'equazione di 1° grado.
40,3x - 58,3x = 0,554 - 0,0116·58,3
(58,3 - 40,3)·x = 0,68 - 0,54
18 x = 0,14
x = 0,14 g ÷18 g/mol = 0,00778 mol
quindi su 11,6 mmoli di polvere bianca 7,8 sono di MgO e le altre 3,8 sono di Mg(OH)2.
Trasformiamole in grammi:
0,0078 mol MgO x 40,3 g/mol = 0,31 grammi MgO sui 0,54 grammi di polvere pesati.
La percentuale di vero MgO è pertanto appena del 0,31/0,54·100 = 56%.
Gli altri 0,23 grammi, il 44%, sono costituiti da idrossido di magnesio.
PS 12 dicembre 2011
La soluzione dopo la neutralizzazione è stata evaporata a secchezza su beaker pesato con i seguenti dati:
Beaker vuoto: 110,29 g
Beaker con residuo bianco dopo ebollizione e essiccamento in stufa: 112,02 g
Massa residuo = 112,02 - 110.29 = 1,73 g (supposto MgCl2, massa molare 95,2 g/mol).
1. Quanto vale la massa di MgO equivalente a questa quantità di MgCl2?
2. Il risultato è compatibile con i dati in ingresso dell'esperimento?
3. Cosa potrebbe essere errato?