Come determinare la composizione percentuale di un composto chimico

Tramite: O2O 23/04/2018
Difficoltà: difficile
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Introduzione

La chimica è una materia alquanto affascinante tuttavia anche molto complicata ed il suo di apprendimento non è adatto a tutti, se non si è naturalmente portati. Per apprenderla e scoprirne i suoi segreti in modo impeccabile sono necessari moltissimi anni uniti ad un intenso studio, senza dimenticarsi però che questa è una materia "tangibile", nel senso che ciò che si studia è possibile applicarlo in laboratorio e di conseguenza è necessaria anche della pratica costante. Come in qualsiasi materia la prima cosa che è necessaria imparare sono le basi perché su questo si fonderanno i saperi di un domani, di conseguenza è meglio che esse siano quanto più chiare possibili. Come detto prima, per chi non è avvezzo, la chimica è una materia contorta, noiosa e in certi casi scoraggiante, tuttavia se essa viene approfondita nella maniera giusta, si rivelerà una fonte inesauribile di divertimento e di incredibile stupore per le infinite possibilità che ci pone davanti.
È ora quindi di approfondire alcuni temi che ci saranno utili in futuro e verranno meglio esplicati attraverso i passi successivi.
La base della chimica è che ogni composto è identificato univocamente da una formula chimica bruta (o chiamata grezza in alcune circostanze) ben precisa che serve a mettere in evidenza il rapporto con cui si combinano gli atomi che poi andranno a costituire la molecola e il composto. Visto che, ad ogni specie atomica corrisponde una precisa massa, è dunque possibile calcolarne la percentuale di ciascun elemento che si trova all'interno nel composto: i dati cosi ottenuti costituiscono la composizione percentuale di quel composto. È possibile inoltre calcolare il rapporto tra le composizioni percentuali degli elementi presenti in un composto, e in questo modo si riuscirà a trovare il rapporto di combinazione, che è definito e costante, tra le masse degli elementi componenti stessi in accordo con la legge ponderale di Proust (chiamata anche legge delle proporzioni definite e recita che "In un composto chimico gli elementi che lo costituiscono sono sempre presenti in rapporti in massa costanti e definiti").
È quindi possibile affermare che la composizione percentuale torna utile nel caso noi volessimo determinare la massa effettiva di un elemento presente in una data massa di un composto. Questo però non è il suo unico utilizzo: infatti serve anche per trovare la formula minima (o empirica, cioè il rapporto di combinazione minima con cui gli atomi si legano per formare un composto) e la formula molecolare. In questa guida vedremo più in dettaglio come determinare la composizione percentuale di un composto chimico, attraverso pochi e semplici passaggi. Mettiamoci all'opera.

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Occorrente

  • I Dati base del composto che si vuole analizzare
  • Tavola Periodica
  • Calcolatrice
  • Eventuali programmi per convertire unità di misura
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Esempi Pratici

Siccome nell'introduzione si sono utilizzati svariati termini specifici, è corretto iniziare la guida con un esempio pratico che possa, almeno per ora, fugare i primi dubbi su come calcolare la composizione percentuale di un composto.
Partiamo con un problema base dove vi viene chiesto di calcolare la composizione percentuale degli elementi presenti nel fluoruro di calcio (CaF2), voi quindi dovreste seguire questi passi:
1) Trovare nella tavola periodica la massa atomica di calcio (40,08u) e fluoro (19,00u).
2) Calcolare il peso formula (che è uguale alla massa molecolare però è espresso in u) del fluoruro di calcio = 40.08u + (2 x 19,00u) = 78,08u
3) Impostare una proporzione per calcolare le composizioni percentuali degli elementi:
Massa Atomica.
Ca: Massa Molecolare CaF2 = x : 100
%Ca = 51,33%.
La percentuale del fluoro è ottenibile semplicemente considerando il 100% del composto meno la % del calcio.
Un altro esempio pratico ma un po' più complesso:
Se un problema vi chiedesse di calcolare la massa di carbonio contenuta in 45,8g di Na2CO3 (carbonato di sodio), agiremmo così:
1) In primis è necessario calcolare la massa molecolare del composto, che in questo caso torna 105,99u
2) Si dovrà poi compiere il procedimento sopra elencato con il composto del carbonio e trovare la % necessaria, che in questo caso è del 11,33%
3) Infine sapendo quindi che la massa del carbonio corrisponde all 11,33% del totale, con una proporzione finale si troverà la sua massa:
massa Carbonio:
massa Na2CO3 = 11,33 : 100
La massa del carbonio corrisponderà quindi a 5,19g.

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Esempio di calcolo di Formula Minima

Passiamo ora ad un'altro utilizzo della percentuale. Poniamo il caso noi volessimo calcolare la formula minima con l'ausilio della composizione percentuale, eseguiremo un'operazione chiamata analisi, che può essere qualitativa (se ci dice la natura degli atomi componenti) o quantitativa (se indica anche il loro numero). In questo caso, lo strumento più utile per poter raggiungere il nostro obbiettivo è lo spettrometro di massa, che, da solo, è capace di dirci in modo accurato le percentuali in massa dei vari elementi che compongono il campione.
Per calcolare la formula minima occorre seguire questi quattro passi:
1) Scrivere la massa (Che chiameremo m per semplicità) in grammi di ciascun elemento presenti in 100g di composto.
2) calcolare il numero di moli (Che chiameremo per semplicità n) di ciascun elemento.
3) Scegliere tra tutti i valori ottenuti il numero di moli più piccolo e dividerlo per gli altri numeri di moli ottenuti. Il risultato dell'operazione numerica saranno gli indici numerici della formula ed essi saranno espressi come numeri interi.
4) A questo punto per ogni elemento scrivere il corrispondente indice.

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Caso di Formula Molecolare

Ci sono devi casi in cui la formula minima non riesce a darci tutte le informazioni necessarie, questo perché delle molecole diverse possono avere medesima formula minima in quanto si legano in svariati modi con un elemento. Un esempio di quanto affermato è il legame tra carbonio e ossigeno. Questo infatti presenta innumerevoli varianti e anche se a prima vista sembrano tutte uguali, le informazioni che ci danno sono molto differenti.
Per poter calcolare la formula molecolare e ottenere quindi delucidazioni e informazioni circa il composto è necessario conoscere un altro elemento molto importante, chiamato massa molecolare. Questa tuttavia ha il "difetto" che è necessariamente calcolabile per via sperimentale, di conseguenza non vi è un modo "univoco" e diretto, se cosi si può dire.
Anche in questo caso per chiarire i concetti sopra esposti ed utilizzare al meglio la percentuale di un composto si fa ricorso ad un semplice esempio che deve essere preso come punto di partenza:
1) Dall'analisi di un composto è possibile ricavare la seguente composizione percentuale:
C = 92,2% e H = 7,8%
2) A questo punto si calcola la formula minima, nel modo sopra visto, tenendo presente che la massa molecolare è 78,12u.
3) Si consideri poi che le percentuali equivalgono in modo univoco ai grammi di ciascun elemento contenuti in 100g di campione. Tenendo presente ciò si ricavi il numero di moli dividendo la massa in grammi per la massa molare (nC = 7,7 mol; nH = 7,7 mol).
4) La formula minima del composto ottenuta sarà quindi CH. Tuttavia se si pone attenzione, calcolando la sua massa molecolare (= 13,02u) si nota che essa non è uguale al dato sperimentale datoci dal testo (ovvero 78,12u).
5) Notata questa piccola incongruenza, per calcolare la formula molecolare sarà quindi sufficiente dividere il dato sperimentale per la massa della formula miniima (78,12u : 13,02u = 6). 6) Ottenuto quindi l'indice, che ricordiamo deve essere necessariamente un numero intero, si va ad applicare una semplice moltiplicazione alla formula minima trovata in precedenza per ottenere quindi la formula molecolare, che in questo caso è: C6H6.
Il composto che abbiamo di fronte è il benzene che possiede formula minima CH e formula molecolare C6H6.
Come appena visto per determinare la percentuale di un composto i procedimenti sono abbastanza lineari e semplici se si pone la giusta attenzione. È però ovvio che se non si sa da dove partire perdere tempo a fare calcoli su calcoli risulterà inutile.
Per poter padroneggiare al meglio queste formule è necessario compiere molti esercizi in maniera costante. In questo modo si potranno subito notare errori. Se avete seguito questa guida fino in fondo avrete capito che l'esercizio di per se è semplice se vi è un elenco di istruzioni davanti da seguire, ma nel caso non siate avvezzi, anche compiere un'azione prima di un'altra potrebbe farvi perdere l'intero esercizio e quindi sballarvi tutti i conti. È pertanto consigliato approfondire il discorso su qualche libro specifico, magari chiedendo anche aiuto da un professore o comunque compagni in grado di spiegarvi il tutto. Questo perché imparare a calcolare la percentuale esatta diventerà molto più semplice, ed eviterete così gravi errori. Non mi resta quindi che augurarvi buono studio e buona fortuna, sperando che riusciate a divertirvi con questa splendida materia.
Alla prossima.

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Consigli

Non dimenticare mai:
  • Porre attenzione nella digitazione di dati
  • Essere accorti nel tener conto di eventuali cifre oltre la virgola (Cifre significative)
Alcuni link che potrebbero esserti utili:

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