Corso di Chimica Generale Inorganica
Soluzione degli Esercizi dei Compiti 27 aprile 2011
Si avvertono gli studenti che la verbalizzazione dei risultati dell’esame è
fatta esclusivamente per via elettronica. Quando saranno resi pubblici i voti
riceverete una E-mail all’indirizzo @studenti.unimi.it. Da quel momento
scatta un periodo di due settimane durante il quale è possibile modificare il
voto, dopo questo periodo il voto entra automaticamente nella carriera
scolastica dello studente.
Le persone interessate a prendere visione dei compiti sono convocate il
giorno:
6 maggio 2011- ore 14,30
Aula 204 Settore Didattico – Via Celoria 20
Solamente in questa occasione gli studenti potranno prendere visione dei
compiti,
discutere i risultati con il sottoscritto. A seguito della
verbalizzazione elettronica dell’esito degli esami il voto non sarà scritto sul
libretto universitario; le persone che desiderano aver scritto il voto sul
libretto universitario devono presentarsi nel giorno sopra indicato.
Si ribadisce che un voto positivo entra automaticamente nella carriera
scolastica di uno studente anche se lo studente non prendesse visione del
compito o che dia il suo consenso.
Milano, 28 aprile 2011
L. Garlaschelli
Facoltà di Agraria
Nome Via Celoria, n°2 - 20133 Milano, Italy
Tel 0250316500 - Fax 0250316508- E-mail [email protected]
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COMPITO A DEL 27 APRILE 2011
[1] Completare e bilanciare le seguenti trasformazioni chimiche: (A)
Fe(OH)3 + H2SO4; (B) Na2O + CO2; (C) HgCl2 + KI −−−> K2[HgI4]; (D) Ni + HNO3.
Risposta
(A) 2 Fe(OH)3 + 3 H2SO4 −−−> Fe2(SO4)3 + 6 H2O
(B) Na2O + CO2 −−−> Na2CO3
(C) HgCl2 + 4 KI −−−> K2[HgI4] + 2 KCl
(D) Ni + 2 HNO3 −−−> Ni(NO3)2 + H2
[2] Spiegare brevemente che cosa è la pressione osmotica. Considerare le
seguenti soluzioni tutte alla temperatura di 25°C: (A) NaCl 0,100 M, (B)
MgCl2 0,200 M, (C) HCl 0,250 M ed ordinarle secondo il valore crescente
della pressione osmotica.
Risposta: (A), (C), (B)
La pressione osmotica è la pressione che si deve applicare ad una soluzione
per impedire il passaggio netto in essa del solvente quando sia separata da
una membrana perfettamente semimpermeabile. Viene definita membrana
semipermeabile una membrana che è permeabile al solvente, ma non al
soluto, per cui permette il libero passaggio del solo solvente. Nel caso di
soluzioni diluite la pressione osmotica si calcola con la relazione πxV =
nxRxT dove n deve tenere conto della eventuale dissociazione dei soluti per
cui la relazione prima scritta diventa πxV = nxRxTxi (i è il coefficiente di
van’t Hoff che considera l’eventuale dissociazione del soluto). La pressione
osmotica è una proprietà colligativa; la pressione osmotica quindi dipende
solamente dalla concentrazione del soluto ma non dalla sua natura. In base
alla formula prima scritta più concentrata è la soluzione più elevata sarà la
pressione osmotica.
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(A)
NaCl −−−> Na+ + Cl-
ntot = 0,1x2 = 0,2
(B)
MgCl2 −−−> Mg2+ + 2Cl-
ntot = 0,2x3 = 0,6
(C)
HCl −−−> H+ + Cl-
ntot = 0,25x2 = 0,50
[3] Suddividere la scala del pH nei diversi intervalli e discutere la relazione
che esiste tra il pH e il pOH di una soluzione. Calcolare la concentrazione di
una soluzione di HBr che ha pH 5,0. Possibili soluzioni: (A) 5; (B) –antilog[5];
(C) 1,0x10-5; (D) –5; (E) nessuna delle risposte è quella corretta perché
manca la temperatura alla quale si trova la soluzione.
Risposta: (C); 1,0x10-5
La scala del pH è suddivisa in questo modo
0 < pH < 7
soluzione acida
pH = 7
soluzione neutra
7 < pH < 14
soluzione basica
L’acqua ha una parte fondamentale nelle reazioni in cui intervengono acidi
o basi, per cui è opportuno conoscere alcune delle sue proprietà. Allo stato
puro è un debolissimo conduttore elettrico. Questa conducibilità è dovuta
alla presenza nell’acqua pura di una modestissima concentrazione di ioni
che sono prodotti da quella che fu originariamente chiamata dissociazione
dell’acqua e formulata con la seguente scrittura: H2O
H+ + OH-
Tuttavia, lo ione H+ in acqua non è immaginabile come semplice protone,
ancorché solvatato. Infatti, esso, a causa delle sue ridottissime dimensioni
e dell’elevatissimo valore del rapporto carica/raggio (+e/rp), produce un
forte campo coulombiano e attrae fortemente le nuvole elettroniche delle
specie chimiche adiacenti (nel caso in questione la nuvola elettronica di una
coppia di elettroni solitaria dell’ossigeno dell’acqua), fino a dare luogo a
un legame covalente di tipo dativo, con formazione dello ione ossonio,
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H3O+. Di solito lo ione ossonio idratato viene chiamato semplicemente ione
idrogeno e viene scritto nella forma H3O+, omettendo le molecole di acqua
di idratazione, o anche nella forma H+.
2 H2O
H3O+ + OH-
La reazione sopra riportata chiarisce che la "dissociazione dell’acqua" è in
realtà una reazione di trasferimento di un protone da una molecola di
acqua all’altra. Per questa ragione è detta reazione di autoprotolisi o di
autodissociazione dell’acqua. Essa è regolata dalla legge d’azione di massa
e la sua costante di equilibrio stechiometrica, Kw, chiamata costante di
autoprotolisi dell’acqua, o prodotto ionico dell’acqua, è descritta dalla
relazione Kw = [H3O+][OH-] e vale, a 25 °C, 1,00·10-14.
Un modo di quantificare il contenuto di ioni idrogeno in soluzione è quello
che fa uso del pH o del pOH: il pH è uguale al logaritmo decimale,
cambiato di segno, del valore numerico della molarità degli ioni
idrogeno: pH = -log[H+] mentre il pOH è uguale al logaritmo decimale,
cambiato di segno, del valore numerico della molarità degli ioni
idrossido: pOH = -log[OH-]. Considerando poi una soluzione acquosa,
sfruttando l’espressione del Kw, è possibile ricavare la seguente relazione
pH + pOH = 14,0.
La definizione di pH è la seguente pH = -log[H+]
Quindi
[H+] = 10-5 = 1,0x10-5
[4] Illustrare i termini che compaiono nell’equazione di Nernst. Giustificare
quale delle seguenti sostanze sarà ossidata da una soluzione acida dello
ione dicromato, Cr2O72-. (A) F-; (B) Cl-; (C) Br-; (D) I-; (E) Fe3+. Giustificare
sia le scelte positive sia le scelte negative.
Risposta: può ossidare ioduro a iodio, bromuro a bromo
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L’equazione di Nernst è:
E = E° -
0,059
log Q
n
¾ E potenziale attuale dell’elettrodo
¾ E° potenziale standard dell’elettrodo
¾ 0,059 valore che dipende dalla temperatura e che contiene varie
costanti, temperatura, valore di R, coefficiente per passare dai
logaritmi naturali a quelli in base dieci
¾ n numero di elettroni scambiati nel processo ossido-riduttivo
¾ Q quoziente di reazione che deve essere scritto secondo le usuali regole.
Affinché lo ione Cr2O72- possa ossidare una specie è necessario che E°
(Cr2O72-/Cr3+) > E° (da ossidare)
E° (Cr2O72-/Cr3+) = 1,23 V
E° (F-/F2) = 2,9 V
E° (Cl-/Cl2) = 1,36 V
E° (Br-/Br2) = 1,06 V
E° (I-/I2) = 0,54 V
E° (Fe3+/Fe2+) = 0,77 V
Quindi il dicromato potrà ossidare, riducendosi, lo ioduro a iodio, il
bromuro a bromo ma non il fluoruro a fluoro e il cloruro a cloro.
Ovviamente non potrà ossidare il Fe3+ essendo già la forma ossidata del
sistema Fe3+/Fe2+.
[5] Enunciare il principio di Le Chatelier e indicare almeno due modi che
possono essere utilizzati per spostare la reazione sotto riportata a destra.
La miscela di equilibrio per la reazione: 2H2S(g) 2H2(g) + S2(g) contiene 1,0
moli di H2S, 0,20 moli di H2 e 0,80 moli di S2 in un recipiente del volume di
2,0 litri. Calcolare il valore della Kc. Possibili soluzioni: (A) 0,040; (B) 0,080;
(C) 0,016; (D) 0,032; (E) 0,16.
Risposta: (C), Kc = 0,016
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Il principio di Le Châtelier può essere formulato affermando che quando si
disturba un sistema in equilibrio con uno stimolo esterno, il sistema
reagisce in modo da annullare, per quanto possibile, gli effetti dello stimolo
stesso.
In base al principio di Le Chatelier per spostare l’equilibrio sotto riportato a
destra è possibile diminuendo la pressione alla quale è assoggettato il
sistema, in quanto è una reazione che avviene con un aumento di moli nella
trasformazione reagenti prodotti, oppure sottraendo uno dei prodotti della
reazione oppure aumentando la concentrazione dei reagenti.
La costante di equilibrio Kc è la costante in funzione delle concentrazioni,
ovviamente espresse come molarità. Come conseguenza calcoliamo la
concentrazione delle specie all’equilibrio.
[H2S] =
[S2] =
1,0
= 0,5
2,0
[H2] =
0,2
= 0,1
2,0
0,8
= 0,4
2,0
L’espressione della Kc è : Kc =
[H2 ]2 [S2 ]
[H2S]2
Introducendo i valori delle concentrazioni è possibile calcolare il valore
della costante di equilibrio
Kc =
[ 0,1] 2 [ 0,4]
[ 0,5] 2
= 0,016
[6] Spiegare il significato di questi termini: dissociazione elettrolitica e
idrolisi. L’idrolisi del cloruro d’ammonio da origine ad una soluzione: (A)
acida; (B) basica; (C) neutra.
Risposta: (A)
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La dissociazione elettrolitica riguarda la dissociazione di composti in
soluzione. Per semplicità consideriamo solamente soluzioni acquose. La
dissociazione dei composti può essere completa, quindi questi sono
elettroliti forti, o parziale, quindi questi sono elettroliti deboli. Secondo la
teoria di Arrhenius degli acido e delle basi l’idrolisi è il comportamento dei
sali in acqua che possono dare origine a soluzioni acide, se è coinvolto il
catione di una base debole, o soluzioni basiche, se e coinvolto l’anione di
un acido debole. Nel caso in esame:
NH4Cl −−−> NH4+ + ClNH4+ + H2O dissociazione elettrolitica
NH3 + H3O+
idrolisi
[7] Descrivere il funzionamento della pila, in condizioni standard, basata sui
seguenti elettrodi: Fe2+/Fe, Mg2+/Mg. Calcolare la f.e.m. di questa pila
quando le concentrazioni di tutte le specie in soluzione sono pari a 0,400 M.
Risposta: f.e.m. = 1,91
Per descrivere il funzionamento di una pila è necessario stabilire quale
elettrodo è il catodo e quale elettrodo è l’anodo perché al catodo
avvengono i processi di riduzione mentre all’anodo avvengono i processi di
ossidazione.
In un pila il catodo è formato dall’elettrodo che ha il potenziale più positivo
ovviamente l’anodo sarà formato dall’elettrodo che ha il potenziale più
negativo.
Nel caso in esame per stabilire i segni degli elettrodi bisogna conoscere i
valori di E° dei due elettrodi che sono:
E° (Fe2+/Fe) = -0,45 V
E° (Mg2+/Mg) = -2,36 V
In base ai valori dei potenziali standard la pila è la seguente:
(-) Mg / Mg2+, 0,400 M // Fe2+, 0,400 M / Fe (+)
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Funzionamento:
(+) catodo
Fe2+ + 2e −−−> Fe
(-) anodo
Mg −−−> Mg2+ + 2e
−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Fe2+ + Mg −−−> Fe + Mg2+
Quando si ha una pila dove gli elettrodi non si trovano nelle condizioni
standard è possibile calcolare la f.e.m. della pila applicando l’equazione di
Nernst che nel caso in esame è:
E = E°(pila)
⎡ Mg 2+ ⎤
0,059
log ⎣ 2+ ⎦
2
⎡ Fe ⎤
⎣
⎦
E°(pila) è la differenza algebrica dei potenziali standard fra il potenziale
dell’elettrodo che forma il catodo e quello che forma l’anodo: E°(pila) = 0,45 –(-2,36) = 1,91 V. La f.e.m. della pila sarà quindi:
E = 1,91 -
[0,400] = 1,91
0,059
log
2
[0,400]
[8] Descrivere brevemente come una soluzione tampone controlla il pH di
una soluzione all’aggiunta di una base forte.
Risposta
Una soluzione che contiene un acido debole e un suo sale oppure una base
debole e il suo sale sono chiamate soluzioni tampone perché hanno la
proprietà di mantenere pressoché invariato il valore del pH anche se vi si
aggiunge una moderata quantità di acidi o basi forti. Questo è
comprensibile quando si considera che le soluzioni contengono acidi o base
deboli che sono in grado di reagire rispettivamente con basi o acidi forti.
Reazioni che avvengono quando a una soluzione formata da CH3COOH +
CH3COONa è aggiunto un acido o una base forte.
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CH3COOH + NaOH −−−> CH3COONa + H2O
CH3COONa + HCl −−−> CH3COOH + NaCl
Reazioni che avvengono quando a una soluzione formata da NH3 + NH4Cl è
aggiunto un acido o una base forte.
NH3 + HCl −−−> NH4Cl
NH4Cl + NaOH −−−> NH3 + NaCl + H2O
[9] Quale dei seguenti atomi ha l’energia di prima ionizzazione più elevata
di quella dell’atomo di carbonio ? (A) boro; (B) magnesio; (C) silicio; (D)
ossigeno.
Risposta: (D), ossigeno
Per rispondere alla domanda bisogna definire che cosa si intende per
energia di prima ionizzazione e discutere come questa vari nell’ambito
della Tavola Periodica.
La difficoltà con cui un elettrone può essere estratto da un atomo è una
proprietà periodica. In termini energetici, la difficoltà di un atomo a cedere
un elettrone è misurata dalla sua energia di ionizzazione, I (o potenziale di
ionizzazione, IP), che è l’energia minima che occorre somministrare a un
atomo isolato allo stato fondamentale per rimuovere un elettrone e dare
uno ione positivo. Si parla di energia di prima ionizzazione, I1, quando si
I
1
→ M+ + eestrae dall’atomo il primo elettrone: M ⎯⎯
Si noti che secondo la definizione data, valori positivi di energia di
ionizzazione corrispondono ad acquisto di energia da parte del sistema
durante il processo di conversione. In pratica, quanto più alta è l’energia di
ionizzazione tanto minore è la tendenza dell’atomo a cedere un suo elettrone.
Se esaminiamo i valori delle energie di ionizzazione possiamo constatare
che muovendoci lungo un periodo l’energia di ionizzazione aumenta
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gradualmente, e che questo andamento si ripete in ciascun periodo.
Pertanto, gli elementi dei primi gruppi della tavola periodica degli elementi
hanno le più basse energie di ionizzazione, mentre quelli degli ultimi gruppi
hanno energie di ionizzazione tra le più alte. Se esaminiamo invece gli
elementi appartenenti a uno stesso gruppo, possiamo notare che l’energia
di ionizzazione diminuisce scendendo lungo un gruppo.
In base alle considerazioni fatte sarà l’ossigeno che avrà l’energia di prima
ionizzazione maggiore di quella del carbonio. A riprova di questo le energie
di prima ionizzazione degli elementi in esame sono
Carbonio = 1086 kJ/mole
Boro = 800 kJ/mole
Magnesio = 738 kJ/mole
Silicio = 786 kJ/mole
Ossigeno = 1314 kJ/mole
[10] Tra gli ioni isoelettronici K+, Ca2+, Cl- e S2- ha raggio maggiore lo ione:
(A) cloruro; (B) potassio; (C) solfuro; (D) calcio.
Risposta: S2-
Per rispondere alla domanda bisogna discutere come variano le dimensioni
degli ioni in seguito alla formazione di un catione o di un anione. Essendo
tutti ioni isoelettronici hanno tutti la seguente configurazione elettronica:
1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6.
Il modello dell’atomo secondo la meccanica ondulatoria non permette di
definire con esattezza le dimensioni di un atomo poiché le nuvole
elettroniche non hanno confini nettamente definiti. Tuttavia utilizzando
metodiche diverse si possono assegnare agli atomi dimensioni e,
considerandoli approssimativamente di forma sferica, raggi atomici. Quando
un elettrone è allontanata da un atomo, formando un catione, le dimensioni
di quest’ultimo sono minori di quelle dell’atomo da cui deriva in quanto nel
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catione la forza attrattiva del nucleo si manifesta più fortemente. Questo
effetto sarà tanto maggiore quanto più grande è la carica positiva del
catione. Quando a un atomo neutro è aggiunto uno elettrone per formare
un anione le dimensioni di quest’ultimo aumentano rispetto all’atomo da
cui deriva in quanto rimanendo costante la carica nucleare aumenta la
repulsione interelettronica che provoca un aumento delle dimensioni
atomiche. Questo effetto sarà tanto maggiore quanto più elevata è la carica
negativa presente sullo ione. In base a queste considerazioni lo ione che ha
dimensioni maggiori sarà lo ione solfuro, S2-. A riprova di quanto affermato i
raggio ionici, in pm, degli ioni in esame sono:
K+ = 151
Ca2+ = 100
Cl- = 181
S2- = 184
Scrivere il nome dei seguenti composti o ioni ed assegnare il numero di
ossidazione ai vari elementi:
Cl-, ione cloruro Cl(-1)
NO2, biossido di azoto; N(+4), O(-2)
NaHCO3, idrogeno carbonato di sodio; Na(+1), H(+1), C(+4), O(-2)
Co(CN)3, cianuro di cobalto(III); Co(+3), C(+2), N(-3)
K3PO4, fosfato di potassio; K(+1), P(+5), O(-2)
Cu2SO4, solfato rameoso o di rame(I); Cu(+1), S(+6), O(-2)
Scrivere la formula dei seguenti composti o ioni:
Acido periodico, HIO4
Solfato ferrico, Fe2(SO4)3
Carbonato di sodio decaidrato, Na2CO3.10H2O
Fosfato d’argento, Ag3PO4
Nitrito di cromo, Cr(NO2)3
Acetato di piombo, Pb(CH3COO)2
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COMPITO B DEL 27 APRILE 2011
[1] Completare e bilanciare le seguenti trasformazioni chimiche: (A) NiSO4 +
Na2CO3; (B) HgCl2 + Na2S; (C) NO2 + H2O −−−> HNO3 + NO; (D) BaCl2 +
Na3PO4.
Soluzione
(A) NiSO4 + Na2CO3 −−−> NiCO3 + Na2SO4
(B) HgCl2 + Na2S −−−> HgS + 2 NaCl
(C) 2x(NO2 + H2O −−−> HNO3 + H+ + e)
NO2 + 2 H+ + 2 e −−−> NO + H2O
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
3 NO2 + H2O -> 2 HNO3 + NO
(D) 3 BaCl2 + 2 Na3PO4 −−−> Ba3(PO4)2 + 6 NaCl
[2] Si fanno reagire, ad alta temperatura, 4,0 g di idrogeno e 96,0 g di
ossigeno. In queste condizioni si forma acqua allo stato di vapore. Sapendo
che la reazione avviene con una conversione del 100 %, calcolare la
percentuale in moli della miscela ottenuta. [P.A.: H = 1,0; O = 16,0]
Risposta: % H2O = % O2 = 50,0 %
Bilancio la reazione: 2H2(g) + O2(g) −−−> 2H2O(l)
Calcolo le moli iniziali dei reagenti:
moli H2 =
4,0 g
= 2,0 moli
2,0 g/mole
moli O2 =
96,0 g
= 3,0 moli
32,0 g/mole
Dalla stechiometria di reazione e dalle moli iniziali dei reagenti è chiaro
che il reagente limitante è l’idrogeno. Saranno quindi le moli di questo
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elemento che condizioneranno l’aspetto quantitativo della reazione.
Quindi:
moli di H2O che si formano uguale a 2,0
moli di O2 rimaste = 3,0 - 1,0 = 2,0
Moli totali contenute nella miscela = 2,0 + 2,0 = 4,0
% moli di H2O =
2,0
x100 = 50,0 %
4,0
% moli di O2 =
2,0
x100 = 50,0 %
4,0
[3] Indicare i primi tre numeri quantici che definiscono un orbitale; chiarire
che cosa definiscono i tre numeri e riportare le relazioni che legano fra di
loro i numeri quantici.
Risposta
numero quantico principale n definisce l’energia degli orbitali e può
assumere i valori positivi compresi tra 1 e più infinito.
numero quantico orbitale o secondario l definisce la forma degli orbitali e
può assumere tutti i valori compresi tra 0 e n - 1.
numero quantico magnetico ml da le diverse orientazioni degli orbitali e
può assumere tutti i valori compresi tra ± l compreso lo zero.
[4] Se uguali masse di O2 e N2 sono poste in due distinti recipienti
indeformabili di uguale volume e alla stessa temperatura, quale delle
seguenti affermazioni è vera o falsa: (A) Entrambi i recipienti contengono lo
stesso numero di molecole; (B) La pressione del recipiente con N2 è
maggiore di quella nel recipiente con O2; (C) Se la temperatura dei due
recipienti passa da 50 °C a 100 °C, cioè raddoppia, anche la pressione nei
due recipienti raddoppierà.
Risposta: (A) sbagliata, (B) giusta, (C) sbagliata
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Per rispondere a questa domanda basta ricordare l’equazione di stato dei
gas perfetti e il principio di Avogadro che afferma che volumi uguali di gas
diversi nelle medesime condizioni di temperatura e pressione contengono lo
stesso numero di molecole.
Domanda (A) sbagliata perché avendo i due gas P.M. diversi le masse
conterranno un numero di molecole diverse.
Domanda (B) giusta le moli di N2 sono maggiori di quelle di O2 perché
P.M.(N2) < P.M.(O2) quindi P(N2) > P(O2).
Domanda (C) sbagliata la proporzionalità tra pressione e temperatura e con
la temperatura assoluta e non la temperatura in scala centigrada.
[5] Sciogliendo dell’acetato di sodio in acqua, oltre a ioni acetato e ioni
sodio, la soluzione conterrà: (A) acido forte e base forte; (B) acido debole e
base debole; (C) acido forte e base debole; (D) acido debole e base forte;
(E) nessuna delle risposte sopra riportate è corretta. [Ka (CH3COOH) =
1,80x10-5]
Risposta: (D)
Il sale in esame è formato dal catione di una base forte, Na+, e dall’anione
di un acido debole, CH3COO-, il sale in acqua si idrolizzerà, se noi
descriviamo il comportamento di questa sostanza secondo la teoria degli e
delle basi di Arrhenius oppure si comporterà da base debole se discutiamo il
comportamento di questa sostanza secondo la teoria di Broenstd.
La reazione di idrolisi è la seguente:
CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-
Questa reazione è preceduta dalla dissociazione elettrolitica del sale:
CH3COONa −−−> CH3COO- + Na+
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In seguito al processo di idrolisi la soluzione conterrà un acido debole,
CH3COOH, e una base forte, OH-.
[6] Definire che cosa si intende per pressione osmotica e discutere la
relazione che permette di calcolarla. Calcolare la pressione osmotica di una
soluzione 0,100 M di CaCl2 che si trova alla temperatura di 27,0 °C.
Risposta: π = 7,38 atm
E’ definita pressione osmotica la pressione che si deve esercitare su una
soluzione per impedire il passaggio netto in essa del solvente quando sia
separata da questa da una membrana perfettamente semipermeabile. La
formula che permette di calcolarla è: πxV = ixnxRxT
π è la pressione osmotica,
V è il volume della soluzione,
i è il coefficiente di van’t Hoff che tiene conto dell’eventuale dissociazione
del soluto,
n sono le moli di soluto,
T è la temperatura espressa in Kelvin.
Il cloruro di calcio è un elettrolita forte che in soluzione si dissocia in
questo modo:
CaCl2(aq) −−−> Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq)
In questo caso il coefficiente di van’t Hoff è 3.
La pressione osmotica della soluzione in esame sarà
πx1 = 0,100x3x0,082x300,0
π = 7,38 atm
[7] Illustrare il concetto di equilibrio chimico. Si consideri la seguente
reazione di equilibrio: C(s) + CO2(g) 2CO(g) Kp = 1,9. In un recipiente si
mescolano CO2(g) e CO(g) con carbone in eccesso. Sapendo che le pressioni
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parziali dei componenti gassosi sono P(CO2) 0,5 atm e P(CO) 0,50 atm,
giustificare se il sistema si trova all’equilibrio. Se non lo fosse prevedere la
direzione in cui la reazione procede spontaneamente per raggiungere
l’equilibrio.
Risposta: non è in equilibrio Kp > Qp, verso spontaneo da sinistra verso
destra
La condizione di equilibrio di una reazione chimica si può esprimere
mediante la legge di azione di massa che afferma: in condizioni di equilibrio
il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni (attività) dei prodotti di
reazione elevate ai rispettivi coefficienti stechiometrici e il prodotto delle
concentrazioni (attività) dei reagenti elevate ai rispettivi coefficienti
stechiometrici è costante a temperatura costante. Un modo alternativo per
spiegare il concetto di equilibrio è quello di considerare la velocità con cui
avviene una trasformazione chimica. In questo caso, l’equilibrio si
raggiunge quando la velocità della reazione diretta è uguale a quella della
reazione inversa.
Per stabilire il verso di una reazione si deve calcolare il quoziente di
reazione, Q:
C(s) + CO2(g) 2CO(g)
Questo è un equilibrio eterogeneo perchè sono presenti due fasi una solida
e una gassosa. Per un equilibrio di questo genere l’espressione della
costante di equilibrio tiene conto solamente delle specie presenti in fase
gassosa.
Qp =
P(2CO)
P(CO2 )
=
( 0,5 )
0,5
2
= 0,5
Kp ≠ Qp la reazione non è all’equilibrio; essendo Kp > Qp il verso spontaneo
sarà da sinistra verso destra.
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[8] Definire il prodotto ionico dell’acqua. Calcolare la concentrazione di
tutte le specie presenti in una soluzione 0,0100 M di HClO4.
Risposta: [H+] = [ClO4-] = 1,0x10-2; [OH-] = 1,0x10-12
La reazione di dissociazione dell’acqua:
2H2O H3O+ + OH-
è regolata dalla legge di azione di massa e la sua costante di equilibrio
stechiometrica, Kw, chiamata costante di autoprotolisi dell’acqua o
prodotto ionico dell’acqua è descritta dalla:
Kw = [H+][OH-] = 1,x10-14
HClO4(aq) + H2O(l) −−−> H3O+(aq) + ClO4-(aq)
L’acido perclorico è un acido forte completamente dissociato. Quindi:
+
-
[H ] = [ClO4 ] = 1,0x10
1,0 x10 −14
[OH ] =
= 1,010-12
−2
1,0 x10
-2
-
[9] Discutere il procedimento di AUFBAU per la costruzione delle strutture
atomiche. Indicare la configurazione elettronica possibile per l’elemento M
che dà facilmente lo ione M+: (A) 1s2, 2s2, 2p5: (B) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2; (C) 1s2,
2s2, 2p6; (D) 1s2, 2s2, 2p6, 3s1.
Risposta: (D)
Per seguire il procedimento di AUFBAU che permette di costruire le
strutture atomiche dei vari elementi che formano la Tavola Periodica
occorre conoscere alcune regole necessarie per individuare gli orbitali che
vengono
progressivamente
occupati
dagli
elettroni
negli
atomi
polielettronici. Queste sono:
(A) Ordine con cui gli orbitali atomici vengono via via occupati. Gli orbitali
che vengono occupati per primi sono quelli ai quali è associato il più
basso livello energetico disponibile.
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(B) Principio di esclusione di Pauli. Il principio di esclusione di Pauli
condiziona il numero di elettroni che possono essere collocati in uno
stesso orbitale.
(C) Regola di Hund. La regola di Hund riguarda la collocazione degli
elettroni in orbitali degeneri, come i 3 orbitali p, i 5 orbitali d, i 7
orbitali f ecc.
Tenendo in considerazione le regole sopra riportate è possibile costruire la
tavola periodica degli elementi. Il procedimento che sarà seguito prende il
nome di aufbau (dal tedesco: costruzione) e consiste nel partire
dall’atomo più semplice e nell’aggiungere progressivamente un protone al
nucleo atomico e un elettrone al mantello elettronico. Ovviamente devono
venire simultaneamente aggiunti anche i neutroni necessari per assicurare la
stabilità del nucleo.
In base a quanto esposto l’elemento con configurazione 1s2, 2s2, 2p6, 3s1,
che per inciso è il sodio, sarà l’elemento che darà più facilmente lo ione M+
perché contiene un elettrone su un orbitale di valenza.
[10] Si hanno a disposizione i seguenti elettrodi: Cu2+/Cu; Zn2+/Zn; Ag+/Ag,
tutti in condizioni standard. Indicare tutte le possibili pile che si possono
realizzare combinando opportunamente i tre elettrodi. Per ogni caso
scrivere le reazioni di elettrodo e la reazione complessiva. Calcolare inoltre
la f.e.m. delle diverse pile.
Risposta
Per scrivere tutte le possibili pile bisogna conoscere i potenziali redox delle
varie coppie:
E°(Zn2+/Zn) = -0,76 V
E°(Cu2+/Cu) = +0,34 V
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E°(Ag+/Ag) = 0,8 V
(-) Zn / Zn2+ 1,0 M // Cu2+ 1,0 M / Cu (+)
(-) Zn −−−> Zn2+ + 2e
(+) Cu2+ + 2e −−−> Cu
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Zn + Cu2+ −−−−> Zn2+ + Cu
f.e.m. = 0,34 - (-0,76) = 1,1 V
(-) Zn/Zn2+ 1,0 M // Ag+ 1,0 M // Ag (+)
(-) Zn −−−−> Zn2+ + 2e
(+) 2Ag+ −−−−> 2 Ag
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Zn + 2Ag+ −−−−> Zn2+ + 2Ag
f.e.m. = 0,8 - (-0,76) = 1,56 V
(-) Cu / Cu2+ 1,0 M // Ag+ 1,0 M / Ag (+)
(-) Cu −−−−> Cu2+ + 2e
(+) 2 Ag+ + 2e −−−−> 2 Ag
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Cu + 2Ag+ −−−−> Cu2+ + 2Ag
f.e.m. = 0,80 - 0,34 = 0,46 V
Scrivere il nome dei seguenti composti o ioni ed assegnare il numero di
ossidazione ai vari elementi:
SO42-, Anione solfato, S(+6), O(-2)
Co(NO2)2; Nitrito di cobalto(II), Co(+2), N(+3), O(-2)
NH4ClO2; Clorito d’ammonio, N(-3), H(+1), Cl(+3), O(-2)
Ni(CN)2, Cianuro di nichel(II), Ni(+2) C(+2), (N-3)
CuCl2.6H2O; Cloruro rameico esaidrato, Cu(+2), Cl(-1), H(+1), O(-2)
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NaHCO3, Idrogeno carbonato di sodio, Na(+1), H(+1), C(+4), O(-2)
Scrivere la formula dei seguenti composti o ioni:
Anione bromato, BrO3Anione periodato, IO4Fosfato di magnesio, Mg3(PO4)2
Solfuro di alluminio, Al2S3
Cloruro d’argento, AgCl
Fluoruro di piombo, PbF2
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