Chimica per il liceo/Reazioni di precipitazione



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Reazioni di precipitazione

Le reazioni di precipitazione rappresentano un tipo di reazione che ha un certo fascino se eseguita in laboratorio.

Si tratta in genere di una reazione a doppio scambio tra due sali che danno luogo a un sale poco solubile, che precipita.

Conoscendo la solubilità dei diversi sali (o il loro prodotto di solubilità, i due parametri sono collegati, conoscendo uno si può trovare l'altro) si può prevedere se si formerà un precipitato.

In questa pagina verranno illustrate alcune reazioni di precipitazione

Clorato di stronzio con carbonato di potassio

Lo scopo di questa esperienza è quello di verificare come, unendo due soluzioni saline, avvenga la precipitazione di un terzo sale. Ad esempio, si può prendere in considerazione la seguente reazione: ${\ce {SrCl2 + K2CO3 <=> SrCO3 + 2KCl}}$
Si tratta di una reazione chimica, in cui il cloruro di stronzio reagisce col carbonato di potassio per formare carbonato di stronzio e il cloruro di potassio. Per capire quale dei due sali prodotti precipita, è necessario calcolare la solubilità di ciascun sale; le solubilità si possono trovare in Internet. Nella seguente tabella sono presentate le solubilità dei quattro sali (a temperatura ambiente di 25°C, ad eccezione del Cloruro di Stronzio a temperatura di 40°C):

Sale	Solubilità
SrCl₂	12,995 mol/L
K₂CO₃	8,104 mol/L
SrCO₃	6,77x10^-5 mol/L
KCl	4,427 mol/L

Osservando le solubilità dei due sali prodotti, è evidente che il sale, che precipiterà per primo, sarà il carbonato di stronzio, che ha una solubilità inferiore rispetto al cloruro di potassio. In una soluzione in equilibrio (satura), si parla di costante del prodotto di solubilità Kps che è data dal prodotto delle concentrazioni degli ioni, in cui il sale si è dissociato. Quando la soluzione non è in equilibrio, si parla invece di quoziente di solubilità, dato dal prodotto delle concentrazioni degli ioni, in cui il sale si è dissociato. Nel caso del carbonato di stronzio, il sale si dissocia in ione stronzio e ione carbonato:

a sx K₂CO₃ in soluzione; a dx SrCl₂ in soluzione

SrCO₃ → Sr⁺⁺ + CO₃^--

Perché il carbonato di stronzio precipiti, il quoziente di solubilità deve essere superiore alla costante del prodotto di solubilità. In via teorica, bisogna calcolare le quantità dei sali reagenti con cui dovrebbe avvenire (con alta probabilità) la precipitazione.

Sale	Volume soluzione (ml)	Quantità di sale (g)
SrCl₂	15 mL	4 g
K₂CO₃	15 mL	5 g

Si deve calcolare la costante del prodotto di solubilità del carbonato di stronzio, che è dato dal prodotto delle concentrazioni degli ioni, in cui si dissocia (ione stronzio e ione carbonato). K_ps = [Sr⁺⁺] x [CO₃^--]. Poiché le concentrazioni degli ioni sono uguali tra loro ed anche alla concentrazione del sale di partenza, la costante del prodotto di solubilità risulta uguale a: Kps = [Sr⁺⁺]² = (6,77x10^-5)² mol/L = 4,589x10^-9

Per determinare il quoziente di soluzione, è necessario calcolare in successione:

1) Il numero di moli dello ione Sr⁺⁺ presente nella soluzione di SrCl₂ (SrCl₂ → Sr⁺⁺ + 2Cl^--):

 Moli di Sr⁺⁺ in 15 mL = solubilità x volume = 12,995 mol/L x 0,015 L = 0,195 mol

2) Il numero di moli dello ione CO₃^-- presente nella soluzione di K₂CO₃ (K₂CO₃ → 2K⁺ + CO₃^--):

 Moli di CO₃^-- in 15 mL = solubilità x volume = 8,104 mol/L x 0,015 L = 0,122 mol

3) La concentrazione dello ione Sr⁺⁺ nella soluzione risultante dopo l’unione dei reagenti:

 [Sr⁺⁺]= moli Sr⁺⁺ / volume soluzione finale = 0,195 mol / 0,030 L = 6,5 mol/L

4) La concentrazione dello ione CO₃^-- nella soluzione risultante dopo l’unione dei reagenti:

 [CO₃^--]= moli di CO₃^-- / volume soluzione finale = 0,122 mol / 0,030 L = 4,07 mol/L

Dopo aver calcolato tutto ciò, è possibile procedere calcolando il quoziente di solubilità:

Q = [Sr⁺⁺] x [CO₃^--] = 6,5 mol/L x 4,07 mol/L = 26,455

Confrontando il quoziente di soluzione rispetto alla costante del prodotto di solubilità, notiamo che Q è tanto maggiore di Kps.

Q = 26,455 >> Kps = 6,77x10^-5 mol/L

Dal momento che il quoziente di solubilità è maggiore della costante del prodotto di solubilità, il carbonato di stronzio precipita.

Solfato di nichel con carbonato di sodio

La reazione oggetto di osservazione è: NiSO₄ + Na₂CO₃ →NiCO₃↓+ Na₂SO₄ ovvero l'unione di Solfato di Nichel con il Carbonato di Sodio in acqua i quali dovrebbero reagire creando Carbonato di Nichel e Solfato di Sodio. L'obbiettivo di tale esperimento è verificare se dall'unione di queste due soluzioni sature di sali si forma il precipitato (in questo caso il carbonato di nichel).

Si presentano ora alcuni aspetti teorici necessari per comprendere tale esperimento:

Solubilità: concentrazione massima di un sale in una soluzione satura. Una soluzione si definisce satura quando aggiungendo altro sale questo non si dissocia in ioni.
Precipitato: sale non dissociato che si deposita come corpo di fondo in una soluzione sovra satura.
Quoziente di Reazione: valore che consente di prevedere se si forma o meno un precipitato quando uniamo soluzioni di composti ionici a concentrazioni note.Se Q>Kps allora il sale che si forma come prodotto della reazione precipita, se Q<Kps il sale che si forma come prodotto della reazione non precipita, se Q=Kps il sale che si forma come prodotto della reazione si scioglie e mantiene l'equilibrio della situazione di partenza.
Kps: costante del prodotto di solubilità indica il prodotto delle concentrazioni dei singoli ioni dissociati in soluzione.
Concentrazione di un sale in soluzione: quantità di sale presente nella soluzione rispetto al suo volume.

I materiali necessari sono:

Strumenti:

Becher,
Bacchetta di vetro,
Bilancia.

Sostanze:

NiSO₄- Solfato di Nichel
Na₂CO₃- Carbonato di Sodio
H₂O- acqua

Soluzioni acquose sature di (rispettivamente) solfato di nichel e carbonato di sodio.

Per effettuare in laboratorio un esperimento di questo tipo, bisogna calcolare prima le concentrazioni che si possono usare per i sali reagenti, in modo che si verifichi la precipitazione del carbonato di nichel. Questi sono i passaggi da svolgere per tale verifica.

Individuare la reazione di partenza, nella fattispecie NiSO₄ + Na₂CO₃ →NiCO₃↓+ Na₂SO₄
Individuare la solubilità dei sali coinvolti nell'esperimento: solfato di nichel, carbonato di sodio, carbonato di nichel, solfato di sodio.
Ipotizzando che tra i sali prodotti sia quello meno solubile a precipitare, calcolare la costante del prodotto di solubilità (kps) del sale meno solubile.
Calcolare separatamente il numero di moli di ioni dissociati del sale carbonato di nichel che si vogliono sciogliere in una quantità arbitraria di solvente (acqua).
Calcolare i grammi delle sostanze reagenti ai fini dell'esperimento.
Calcolare le concentrazioni degli ioni dissociati sul volume totale di solvente.
Calcolare il valore di Q e verificare che sia maggiore del valore della costante kps.

ESERCIZIO: Aggiungendo 0.35 l di una soluzione 4.03 M di Solfato di Nichel NiSO₄ a 0.05 l di una soluzione 2.07 M di carbonato di sodio Na₂CO₃,si verifica la precipitazione di Carbonato di Nichel NiCO₃ ?

SOLUZIONE: Reazione di partenza: NiSO₄ + Na₂CO₃ →NiCO₃↓+ Na₂SO₄

Per calcolare le solubilità delle varie sostanze :

Massa Molare NiSO₄= 154.76 u

Massa Molare Na₂CO₃= 105.99 u

Massa Molare NiCO₃= 118.7 u

Solubilità NiSO₄ = 625 g/L= 4.03 M

Solubilità Na₂CO₃ = 220 g/L=2.07 M

Solubilità NiCO³=0.093 G/L=7.83*10-4 M

Il Carbonato di Nichel si scinde in ioni:

NiCO₃= [ Ni⁺ ]*[ CO₃^{- -} ]

Kps = S*S=(7.83*10-4)2=6.13*10-7

Moli di Ni⁺ in 35 ml di acqua = 4.03M*0.035L= 0.141mol

Precipitato formatosi mediante la reazione.

Moli di CO₃^{- -} in 50 ml di acqua = 2.07M *0.05L = 0.1035 mol

Concentrazione di Ni⁺ su litri totali = 0.141 mol/0.085L= 1.6588 M

Concentrazione di CO₃^{- -} su litri totali = 0.1035 mol/0.085 L = 1.2176M

Grammi di NiSO₄=625 g/L*0.035L= 22.10g

Grammi di Na₂CO₃= 220g/L*0.05L=11g

Q= [ Ni⁺ ]*[ CO₃^{- -} ]= 1.6588 M*1.2176M = 2.0198

Q>>Kps il sale Carbonato di Nichel forma precipitato in una soluzione acquosa satura di solfato di nichel e carbonato di sodio.

Nitrato di piombo con solfato di rame

Solfato di rame idratato e nitrato di piombo nei loro recipienti

Si consideri la reazione di doppio scambio tra nitrato di piombo Pb(NO₃)₂ e solfato di rame CuSO₄, non idratato, per ottenere la formazione di solfato di piombo PbSO₄.

Per capire se si forma il precipitato, si deve calcolare la costante del prodotto di solubilità Kps di PbSO₄ partendo dalla solubilità del Sale, per confrontarla alla fine con il quoziente di solubilità (Q). Se Q>Kps allora si forma precipitato.

PbSO₄<=> Pb²⁺ + SO₄^2-

Sol(PbSO₄)= 4.45 *10^-2 g/L

In mol/L sarà la solubilità in grammi su litro diviso la massa molare: (4.45*10-2)/(207.2 + 32.07 + 16*4) = 1.47*10^-4 mol/L

Poiché il coefficiente stechiometrico del sale e degli ioni in cui si scinde è lo stesso, la concentrazione degli ioni sarà uguale alla solubilità del sale. Kps sarà quindi uguale a:

Kps = [Pb²⁺]*[SO4^2-] = (1.47*10^-4)² = 2.1*10^-8

Conoscendo dunque la solubilità dei due reagenti si calcoli la loro concentrazione molare, per poter poi trovare il quoziente di reazione Q di PbSO₄.

Pb(NO₃)₂  <=> Pb²⁺ + 2NO₃^-

Poiché il coefficiente stechiometrico di Pb²⁺ è uguale a quello di Pb(NO³)², la sua concentrazione sarà uguale alla solubilità del sale. Quindi: [Pb²⁺]= 525 g/L

In mol/L sarà: 525/207.2 = 2.53 mol/L

Si può ripetere il procedimento per CuSO₄, ottenendo: [SO₄^2-]= 3.29 mol/L

Si ipotizzi dunque di disciogliere ogni sale in 20 mL di acqua. Le due soluzioni vengono poi unite, per dare un volume totale di 40 mL. In base a queste quantità, si calcoli il quoziente di reazione Q di PbSO4.

[Pb2+] in 40 mL = (2.53*20*10^-3)/(40*10^-3) = 1.27 mol/L

[SO42-] in 40 mL = (3.29*20*10^-3)/(40*10^-3) = 1.64 mol/L

Si ottiene Q moltiplicando tra loro le concentrazioni appena trovate:

[Pb2+]*[SO42-] = 1.27*1.64 = 2.08

Confrontandolo con Kps, si può notare che Q è un molto più grande e quindi, per raggiungere l’equilibrio, gli ioni si uniscono formando PbSO₄.

Procedimento pratico

Scaldare su fiamma il solfato di rame idratato per rimuoverne le molecole d'acqua.
Solfato di rame non idratato nel suo becker
2. Pesare le sostanze. In base ai calcoli affrontati in precedenza la quantità di nitrato di piombo da prelevare sarà:

                      2,53 mol/L * 207,2 g (massa molare) * 20*10^-3 (volume di acqua scelto in cui sciogliere il sale) = 10,5 g di Pb(NO3)2

La quantità di solfato di rame da prelevare sarà:

                       3,29 mol/L * 32,07 g (massa molare) * 20*10^-3 (volume di acqua scelto in cui sciogliere il sale) = 6,32 g di CuSO4

3. Versare la quantità di acqua prescelta nei becker con i relativi sali e mescolare con una bacchetta di vetro sino al loro completo scioglimento.

4. Versare in una provetta i le soluzioni di entrambi i sali Pb(NO₃)₂ e CuSO₄ e attendere la precipitazione del sale PbSO₄.

Subito dopo la precipitazione la provetta contenente il solfato di piombo precipitato appare così: .

Il giorno dopo nella provetta si può chiaramente distinguere il precipitato rispetto alla soluzione.

Cloruro di calcio con carbonato di sodio

Si consideri la seguente reazione:

CaCl₂ + Na₂CO₃ <=> 2NaCl + CaCO₃↓

Facendo reagire 5,6g di cloruro di calcio CaCl₂ e 5,3g di carbonato di sodio Na₂CO₃, si vanno a formare 2 moli di cloruro di sodio 2NaCl (sale da cucina) ed un precipitato di carbonato di calcio CaCO₃. Kps di CaCO₃ (3,3x10^-9)

CaCl₂ + Na₂CO₃ sono in equilibrio con 2NaCl + CaCO₃

Qui sotto riportiamo i valori delle solubilità trovati:

Massa Molare Na2CO3= 106 u => Solubilità Na2CO3= 21,5g/100 mL= 0.05 M Massa Molare CaCl2= 111 u => Solubilità CaCl2= 74.5g/100 mL= 0.05 M

Ora bisogna trovare la concentrazione degli ioni Ca2+ e degli ioni (CO3)2- nella soluzione che abbiamo dopo l’unione dei reagenti. Troviamo quindi prima il numero delle moli di ciascun ione:

moli di Ca2+ in 100 mL= 0.05 M x 0.1 L= 5 X 10^-3 mol moli di (CO3)2- in 100 mL= 0.05 M x 0.1 L= 5 X 10^-3 mol

Dividendo poi il numero di moli per il volume totale della soluzione finale:

VOLUME TOTALE=100+100= 200 mL [Ca2+]= 5 X 10^-3 mol/0.2L= 0.025 mol/L [(CO3)2+]= 5 X 10^-3 mol/0.2L= 0.025 mol/L

Troviamo i valori delle concentrazioni. Ora calcoliamo il valore di Q:

Q= [Ca2+]x[(CO3)2-] = 0.025x0.025 = 6,25 x 10^-4

Confrontandolo con quello della costante Kps (3,3x10^-9), notiamo che Q è MAGGIORE di Kps e quindi precipiterà il sale carbonato di calcio.

Nitrato di argento con solfato di piombo

E' stata presa in considerazione la seguente reazione chimica, nella quale due sali reagiscono tra loro per formare altri due sali:
2AgNO₃ + PbSO₄ <=> Ag₂SO₄ + Pb(NO₃)₂
Questa reazione chimica può essere letta in due differenti modi:
I MODO: due moli di nitrato d'argento reagiscono con una mole di solfato di piombo per formare una mole di solfato d'argento e una mole di nitrato di piombo.
II MODO: due moli di nitrato d'argento e una mole di solfato di piombo sono in equilibrio chimico con una mole di solfato d'argento e una mole di nitrato di piombo.

Dopo aver scelto la reazione chimica, è necessario verificare (prima algebricamente e poi sperimentalmente) se, dall'unione dei due sali (in questo caso 2AgNO₃ e PbSO₄), si forma un precipitato (in questo caso Ag₂SO₄ o Pb(NO₃)₂).

È stato preso in considerazione il solfato d'argento (Ag₂SO₄) poiché ha una solubilità più bassa rispetto al nitrato di piombo. Affinché esso precipiti, è necessario che la soluzione presa in considerazione sia sovrassatura; quindi il quoziente di reazione deve essere maggiore del prodotto di solubilità (Q>Kps).

Per continuare il procedimento, è necessario inserire delle ipotetiche quantità ai reagenti e poi svolgere i calcoli, considerando il risultato solo se viene verificata la condizione sopra citata.

DATI:

    6 g di AgNO3 in una soluzione di 25mL = 25*10^-3L

CONTENITORE DI NITRATO D'ARGENTO

    3 g di PbSO4 in una soluzione di 20 mL = 20*10^-3L

CONTENITORE DI SOLFATO DI PIOMBO
UN BECHER DI SOLFATO DI PIOMBO

    Kps di Ag2SO4 = 7,0*10^-7

PROCEDIMENTO:
1) Calcolare la concentrazione dei due reagenti:

   [AgNO3] = n/V = (m/Mm)/V = [6g/(2*(107,9u + 14,01 + 16*3))]/(25*10^-3) = 
   =0,7062 mol/L 
   [PbSO4] = n/V = (m/Mm)/V = [3g/(207,2u + 32,07 + 16*4)]/(20*10^-3) =
   =0,4946 mol/L

2) Prendere in considerazione la formula del solfato d'argento:

   Ag₂SO₄ <=> 2Ag+ + SO4--
   Di conseguenza,  Kps di Ag2SO4 = [Ag+]^2 * [SO4--] = 7,0*10^-7

3) Prendere in considerazione la concentrazione dei singoli ioni:

   [Ag+] = n/V = ([AgNO3] * V di AgNO3)/(volume dell'intera soluzione) = 
   = (0,7062 mol/L * 25*10^-3)/(25*10^-3 + 20*10^-3) = 0,3923 mol/L
   [SO4--] = n/V = ([PbSO4] * V di PbSO4)/(volume dell'intera soluzione) = 
   = (0,4946 mol/L * 20*10^-3)/(25*10^-3 + 20*10^-3) = 0,2198 mol/L

MESCOLAMENTO DI DUE SOSTANZE: NITRATO D'ARGENTO E SOLFATO DI PIOMBO

4) Calcolare il quoziente di reazione:

   Q = [Ag+]^2 * [SO4--] = 0,3923² mol/L * 0,2198 mol/L =         
   = 3,383*10^-2

5) Confrontare il quoziente di reazione con la costante di solubiblità:

   se Q<Kps allora la soluzione non è satura e non si forma il precipitato;
   se Q=Kps allora la soluzione è satura (in equilibrio chimico) e non si forma il precipitato; 
   se Q>Kps allora la soluzione è sovrassatura e si forma il precipitato.

CONCLUSIONE:

   3,383*10^-2 > 7,0*10^-7 => Q>Kps => si forma il precipitato Ag2SO4.

REAZIONE DI PRECIPITAZIONE

Solfato di rame con nitrato di potassio

La reazione di precipitazione presa in considerazione è la seguente: CuSO₄+2KNO₃<=>Cu(NO₃)₂+K₂SO₄ dove il solfato rameico (CuSO₄) e il nitrato di potassio (KNO₃) reagiscono in acqua per formare nitrato rameico ( Cu(NO₃₎₂ ) e solfato di potassio (K₂SO₄). L'obiettivo principale è di verificare l'eventuale formazione di precipitato per uno dei due sali che vengono prodotti, in questo caso, conviene concentrarsi sul solfato di potassio (K₂SO₄) che ha maggior tendenza a precipitare rispetto all'altro sale (il che si nota in base alle differenti solubilità).

Prima di procedere con la sperimentazione in laboratorio è necessario fare una serie di calcoli (illustrati in seguito) per verificare se è realmente possibile la formazione di un precipitato all'interno della reazione presa in considerazione. Bisogna sottolineare inoltre che in questa reazione è stato scelto l'utilizzo, per comodità e per una garanzia di ottenere il risultato, di soluzioni SATURE, ovvero soluzioni in cui il soluto ha raggiunto la concentrazione massima, ma si può avere una precipitazione anche a partire da soluzioni non sature.

CALCOLO DELLA SOLUBILITA'

Il primo passo da fare è calcolare la solubilità dei 4 sali selezionati in M (moli/litro), per fare ciò occorre moltiplicare il valore della solubilità in g/L con il valore della massa molare:

	solubilità in g/L	massa molare	solubilità in mol/L (M)
CuSO4	316	159.62	1,98
KNO3	320	119.17	3.16
Cu(NO3)2	2670	187.57	14.23
K2SO4	111	135.17	0.639

PRODOTTO DI SOLUBILITA'

Secondo passo è il calcolo del prodotto di solubilità del sale di cui si vuole verificare la formazione di precipitato. Per fare ciò bisogna osservare come il sale in questione si scinde in acqua.

     K₂SO₄<=>2K⁺+SO₄^--

Il prodotto di solubilità Kps sarà quindi dato dal prodotto della solubilità dello ione potassio e dello ione solfato (attenzione che lo ione potassio ha una concentrazione doppia rispetto alla solubilità del sale!)

     kps=(1.278²)*(0.639)=1,044

VALORE DI Q

Terzo passo per verificare la formazione di precipitato è calcolare il valore dI Q. Bisogna dunque calcolare il numero di moli che si sciolgono in una determinata quantità di soluto scelta in modo arbitrario (nell'esempio che sceglie sono stati scelti volumi definiti che possono liberamente essere modificati a piacimento di colui che esegue l'esperienza) si ipotizzi dunque che:

  il nitrato di potassio (che fornisce lo ione potassio) sia disciolto in 10 mL di acqua
  il solfato rameico (che fornisce lo ione solfato) sia disciolto in 15mL di acqua

Per calcolare il numero di moli occorre moltiplicare il valore della molarità per la quantità in litri del solvente:

  moli di ioni K⁺ = 3.16*0.010 = 0,0316
  moli di ioni SO4^- = 1.98*0.015 = 0.0297

Occorre poi calcolare la concentrazione degli ioni nel volume totale della soluzione, dividendo il numero di moli per la quantità, sempre rigorosamente in litri del solvente:

  concentrazione di ioni K⁺ nel volume totale = 0.0316/0.025 = 1,264
  concentrazione di ioni SO4^- nel volume totale = 0.0297/0.025 = 1,188

Ultimo passo è il calcolo di Q che si calcola allo stesso modo del prodotto di solubilità kps

  Q = (1,264^2)*1,188 = 1,898

CONFRONTO DI Q CON Kps

Quarto ed ultimo passo è il confronto del valore di Q con il prodotto di solubilità (kps), ricordando che: se Q>Kps ci sarà una formazione di precipitato, mentre se Q<kps la soluzione non è ancora satura e di conseguenza non potrà verificarsi la precipitazione. Come si può notare, nell'esempio risulta Q>Kps per cui il solfato di potassio precipiterà nella reazione.