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Scambi di energia in una reazione di doppio scambio tra carbonato sodico e cloruro di calcio

·1303 parole·7 min·
chimica relazione procedimento precauzioni conclusioni reazione esotermica endotermica
Tabella dei contenuti

RELAZIONE DI LABORATORIO - CHIMICA

2º ORA - Sabato 10 Dicembre 2022 & 1º ORA - Martedì 13 Dicembre 2022

Scambi di energia in una reazione di doppio scambio tra carbonato sodico e cloruro di calcio

Andrea Bortolotti

Obiettivo dell’esperienza #

Si esplora con l’esperienza le interazioni tra ambiente e reazioni, endotermiche ed esotermiche. Si approfondisce il concetto di precipitato con una misurazione quantitativa.

Materiali necessari #

  • H2O (Acqua deionizzata)

  • Spruzzetta

  • matraccio 50ml * 2

  • becker 250ml * 2

  • filtro di carta * 1

  • Bilancia con sensibilità +-0.01g

  • Bacchetta di vetro

  • Imbuto

  • Stufa (facoltativa)

Procedimento ed osservazioni #

  1. Scrivere la reazione tra carbonato sodico e cloruro di calcio, poi bilanciarla #

    • Si tratta di una reazione di doppio scambio, che “inverte” i componenti di due sali. Per formarla innanzitutto formo l’acido carbonico:

      1. CO2 + H2O = H2CO3

      2. Isolo lo ione carbonato CO3–

      3. Bilancio lo ione carbonato con il sodio CO3– + 2Na+ = Na2CO3

    • Formo anche il cloruro di calcio

    Ca++ + Cl- = CaCl2

    • Scrivo la reazione tra cloruro di calcio e carbonato sodico

    Na2CO3 + CaCl2 = NaCl + CaCO3

    • Bilancio la reazione tra cloruro di calcio e carbonato sodico

    Na2CO3 + CaCl2 = 2NaCl + CaCO3

  2. Calcolare i materiali necessari #

    • Utilizziamo 0,025 mol di Na2CO3 e 0,025 mol di CaCl2, ottenendo 0,5 mol di NaCl e 0,025 mol di CaCO3.

    • Calcolo quanti grammi misurare con la bilancia

      1. MM Na2CO3 = 106g → Prendo 106g/mol * 0,025mol = 2,65g di Na2CO3

      2. MM CaCl2 = 110,9g → Prendo 111g/mol * 0,025mol = 2,77g di CaCl3

    • Sapendo che la soluzione acquosa finale ha CaCO3 in concentrazione 0,5M allora entrambi le soluzioni acquose iniziali hanno una concentrazione di 0,5M, siccome il rapporto stechiometrico tra di esse è pari ad 1.

    • Calcolo il volume di acqua da utilizzare in ognuna delle soluzioni iniziali con una semplice proporzione:

      1. 0,5mol : 1L = 0,025mol : x

      2. x = 0,05L

      3. Le soluzioni iniziali avranno 0,05L di acqua e 0,025 mol di soluto.

  3. Preparare le soluzioni di Na2CO3 e CaCl2 sapendo moli e molarità necessarie. #

    1. Ripetere i seguenti passaggi per misurare le quantità di Na2CO3 e CaCl2 necessarie.

      Bilancia tarata

      1. Porre un piccolo foglio di carta stagnola sulla bilancia.

      2. Tarare la bilancia

      3. Aiutandosi con un cucchiaino, inserire la quantità calcolata nel passaggio precedente di soluto sulla carta stagnola

        Carbonato sodico
        Carbonato sodico
        Cloruro di Calcio
        Cloruro di calcio

      4. Piegare il foglio di carta stagnola accuratamente

      5. Riporre nuovamente il foglio di carta stagnola piegato nella bilancia per verificare che non ci siano state perdite

    • Possibile errore: Se il foglio di carta stagnola viene piegato in modo non ottimale, viene persa massa di soluto sul banco da lavoro e si rende necessario ricominciare il procedimento di misurazione della massa del soluto.

    1. Ripetere i seguenti passaggi per preparare le soluzioni acquose una volta ottenuta la quantità calcolata di soluto in forma solida.

    2. Ripetere i passaggi sia per la soluzione di Na2CO3 sia per quella di CaCl2

      1. Inserire circa 20ml di acqua nel matraccio

      2. Aggiungere la quantità calcolata di soluto facendo scorrere i granelli in un imbuto aprendo la piega precedentemente compiuta.

        Soluzione di Cloruro di Calcio
        Soluzione carbonato sodico

      • Possibile errore: Eseguire l’operazione con accortezza e delicatezza, in modo tale da non far cadere un signolo granello sul banco di lavoro.

      1. Utilizzare la bacchetta di vetro e mescolare

      2. Ripulire la bacchetta di vetro

      3. Inserire il termometro nella soluzione per misurare la temperatura prima della reazione

        Termometro per misurare la soluzione di cloruro di calcio

      4. Attendere circa un minuto con il termometro in posizione, poi effettuare una lettura della temperatura posizionandosi sul parallasse considerando anche l’incertezza dello strumento.

      • Informazioni: È possibile posare il termometro sul fondo del matraccio e la misurazione non sarà meno intaccata che tenendolo in mano.

      • Le nostre misurazioni:

        • CaCl2 = 18 ± 1C°

        • Na2CO3 = 22 ± 1C°

      • Possibile errore: Leggere le misurazioni sul parallasse del termometro, in modo tale da non sbagliare la lettura dei valori dallo strumento.

  4. Eseguire la reazione #

    1. Si travasano entrambe le soluzioni in una beuta da 100ml.

    2. Misurare immediatamente la temperatura con un termometro

      1. Ipotizzare possibili scambi di energia con l’ambiente dai risultati.

    Nel nostro caso abbiamo ottenuto 23 ± 1C°. Abbiamo evidentemente sbagliato qualcosa, perché la reazione è esotermica, non endotermica. D’altronde avevamo già registrato un’incertezza (improbabile) di 4C° tra entrambi le soluzioni a temperatura ambiente.

    1. Siccome l’unico interesse è calcolare la resa a partire dalla quantità di precipitato, è possibile sciacquare più volte le soluzioni precedenti e travasare il risultato nella beuta per ottenere la massima quantità possibile di precipitato.

  5. Filtrare il precipitato #

    1. Si misura la massa del filtro di carta con la bilancia

    2. Si inserisce l’imbuto in una beuta pulita da 250ml

    3. Si inizia a travasare il risultato della reazione contenuto nella precedente beuta nell’imbuto.

    4. Si ripetono i seguenti passaggi per circa 10 minuti:

      1. Inserire quanto basta da riempire l’imbuto nell’imbuto dalla beuta contenente il risultato della reazione.
      • Possibile errore: Non eseguire l’operazione con troppa foga, potrebbe strabordare dell’acqua dall’imbuto.

      1. Attendere circa due minuti

      2. Ripetere finché la beuta contenente il risultato della reazione non è vuota

    5. Si osserva il precipitato formatosi nel filtro.

Nota: La nostra esperienza in laboratorio di Sabato 10 Dicembre si è conclusa qui, ma il procedimento completo discusso in una lezione precedente viene scritto ugualmente per rendere questa relazione completa.

  1. Una volta che il precipitato viene filtrato lo lasciamo ad asciugare per qualche giorno.

  2. Alternativa: È possibile inserire il filtro con il precipitato nella stufa, per un’asciugatura rapida.

  3. Si misura la massa del filtro con il precipitato, poi si esegue la differenza con la massa iniziale calcolata del filtro e si ottiene la massa del precipitato.

  4. Filtrare il precipitato #

    1. Si identifica se il precipitato è NaCl oppure CaCO3

    2. Si calcola la resa percentuale della reazione calcolando le moli di precipitato ottenute rispetto a quelle ipotetiche.

  5. Calcolare la resa #

    1. Si misura il peso del filtro contenente il precipitato con la bilancia

      Misurazione peso filtro

    2. Si sottrae il peso del filtro misurato precedentemente al peso di filtro e precipitato

    3. Possibile errore: Se non si è pesato il filtro precedentemente è possibile ottenere una resa non accurata. Noi abbiamo sbagliato ed abbiamo utilizzato un peso medio del filtro: 1,60g.

    4. Si calcola il rapporto tra resa massima e resa reale

    5. x%:(2,54-1,60)g=100%:2,88g

  6. Nota: Noi abbiamo ottenuto x%=36%. Le rese di altri gruppi sono state:

    1. Gruppo FA: 39%

    2. Gruppo BA: 40% (questo gruppo ha inserito il carbonato di calcio nella stufa per farlo asciugare, ma esso, date le alte temperature, può essersi trasformato in CO2)

    3. Gruppo BI: 36%

Precauzioni #

  • Prestare attenzione nella misurazione della massa di CaCl2 e Na2CO3

  • Utilizzare efficacemente la Pipetta Pasteur e la spruzzetta per riempire la beuta della soluzione finale con precisione

  • Evitare di utilizzare i grammi per il calcolo

  • Non versare H20 nel matraccio con il rubinetto dell’acqua

  • Premere il pulsante “ZERO” per eseguire la TARA della bilancia e portare il valore della misurazione della massa a zero. Il pulsante “TARE” non porta il valore della massa a zero.

  • L’occhio del chimico dev’essere in direzione tangente alla linea dei 50ml, per una misurazione precisa del volume. Lo stesso vale per la misurazione della temperatura.

  • Provare ad eseguire una lettura iniziale del termometro prima di inserirlo nella soluzione: il nostro era quasi illeggibile, con una fievole linea grigia. Sarebbe stato utile cambiarlo.

  • Abbiamo tenuto il termometro in una posizione rialzata rispetto al fondo del matraccio per una misurazione più accurata, ma dopo abbiamo riflettuto che tenere il termometro in mano per un minuto porterà ad imprecisioni nella misurazione della temperatura.

  • Non utilizzare la stufa per asciugare il carbonato di calcio, che subirà una reazione di decomposizione in ossido di calcio e anidride carbonica ad alte temperature, rendendo parte del precipitato volatile e falsando il calcolo della resa finale. CaCO3 → CaO + CO2.

Conclusione #

Siamo riusciti a provare che avvengono scambi di energia tra l’ambiente circostante e l’ambiente di reazione, inoltre abbiamo notato la formazione di un precipitato nella reazione di doppio scambio.

Autore della relazione: Andrea Bortolotti

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