Quesiti e problemi. 6 Indica quali dei seguenti sistemi sono da considerare. 7 Come puoi giustificare la liberazione di calore in

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1 SUL LIBRO DA PAG 306 A PAG 310 Quesiti e problemi ESERCIZI 1 Le reazioni producono energia 1 Qual è il fattore più importante per stabilire se una reazione è esotermica o endotermica? Per stabilire se una reazione è eso- o endotermica occorre innanzitutto misurare il calore trasferito o assorbito dal sistema. 2 Quando si mangia una caramella che contiene xylitolo al posto del saccarosio, si avverte inizialmente una sensazione di fresco sulla lingua che è legata alla dissoluzione di questa molecola nella bocca. Si tratta di un processo esotermico oppure endotermico? endotermico 3 Vero o falso? a) Le reazioni esotermiche comportano il passaggio di calore dal sistema verso l ambiente. b) Sciogliendo un sale in acqua, si ha una diminuzione di temperatura; la trasformazione è endotermica. c) L ebollizione dell acqua avviene con assorbimento continuo di energia; è una trasformazione esotermica. d) Una trasformazione chimica in cui si formano legami più forti comporterà la cessione di calore all ambiente. e) Una reazione endotermica comporta la diminuzione dell energia del sistema. 4 Qual è la differenza tra un sistema chiuso e un sistema isolato? Riporta almeno due esempi. Il sistema chiuso scambia con l ambiente solo energia, ma non materia. Un sistema isolato non scambia né energia né materia. Esempi: lattina di aranciata e thermos. 5 Nei casi seguenti, indica che cosa si può considerare «sistema» e che cosa «ambiente». Confronta le tue risposte con quelle della classe. a) un ragazzo che nuota nella piscina di un impianto sportivo b) la pentola in cui stanno cuocendo gli spaghetti c) un boccale di birra alla spina appena spillata d) la cottura di un arrosto in forno sistema ambiente a) ragazzo che nuota a) piscina b) spaghetti che cuociono b) pentola c) birra c) boccale d) arrosto d) forno 6 Indica quali dei seguenti sistemi sono da considerare aperti, quali sono chiusi e quali sono isolati. Motiva la tua risposta. a) la caffettiera in cui sta salendo il caffè aperto b) un leone che mangia la sua preda nella savana aperto c) il cosmo a noi conosciuto isolato d) un orso in letargo aperto 7 Come puoi giustificare la liberazione di calore in una reazione chimica? Rispondi in sette righe. 8 Confronta i 1550 kj di energia contenuti in 100 g di prosciutto crudo con la quantità di energia che è contenuta in 100 g di patatine fritte (consulta l etichetta sulla confezione). Quale dei due alimenti è più ricco di energia? Il risultato era prevedibile? 2 Il primo principio della termodinamica 9 Se una reazione chimica avviene in un sistema isolato, qual è la variazione di energia ΔU? zero 10 Qual è la variazione di energia ΔU di un sistema che acquista 100 J dal contatto con un corpo più caldo e svolge 60 J di lavoro su un corpo esterno? 40 J 11 Calcola il calore ceduto da un sistema che assorbe un lavoro meccanico di 30 kj e incrementa la sua energia interna di 16 kj. 14 kj 12 La reazione di decomposizione dell acqua in idrogeno e ossigeno è un processo che richiede un ap- porto energetico dall esterno (per esempio, attraverso l elettricità). Il valore di ΔU è positivo o negativo? positivo 13 Un sistema che produce calore può anche incrementare la sua energia interna? Spiega la tua ri- sposta. sì 14 Quali sono i processi che consentono un aumento o una diminuzione di energia di un sistema? L aumento dell energia di un sistema si ha quando su di esso viene svolto lavoro dall ambiente o viene fornito calore. La diminuzione dell energia di un sistema si ha quando esso cede energia o svolge lavoro sull ambiente. 15 È possibile una trasformazione in cui il lavoro fatto su un sistema uguaglia il calore dissipato nel- l ambiente? Spiega la tua risposta. sì 1

2 ESERCIZI 3 La combustione produce calore 16 Il legno ha un potere calorifico di kj/kg. Quanti kilojoule ottieni bruciando 10 kg di legna? 1, kj 17 Bruciando 1,00 g di carbonio con un eccesso di ossigeno, si ottengono J. Calcola il calore liberato dalla combustione di 1 mol di C secondo la reazione C O 2 CO kj/mol 18 Il calore di combustione del benzene, C 6H 6, è pari a 3270 kj/mol. Quanti kilojoule vengono liberati facendo bruciare 100 g di questo composto? 4, kj 19 Calcola l energia necessaria per scaldare 100 g di rame da 10 C a 100 C. Immagina poi di fornire la stessa quantità di calore a un uguale massa di alluminio che si trova a 10 C. Quale dei due metalli si scalderà di più? Il calore specifico del rame è 0,38 J/( C g); il calore specifico dell alluminio è 0,90 J/( C g). 3, J; rame 4 Il calore di reazione e l entalpia 20 Che variazione subisce l entalpia in una reazione esotermica? diminuisce 21 Se una reazione chimica ha per unico risultato la formazione di un legame chimico, il valore del ΔH sarà positivo o negativo? negativo 22 Calcola il valore del ΔH della seguente reazione sapendo che ΔH f NH4 Cl (s) è 314,4 kj/mol. NH 3(g) HCl (g) NH 4 Cl (s) 175,8 kj/mol 23 È data la seguente reazione: Ca (s) H 2 SO 4(l) CaSO 4(s) H 2(g) Determina la variazione di entalpia e indica se la reazione è esotermica o endotermica. H = 620,31 kj/mol; reazione esotermica 24 Calcola il valore del ΔH della seguente reazione e stabilisci se è esotermica o endotermica sapendo che ΔH f H2 O (g) 241,8 kj/mol. CO (g) 3H 2(g) CH 4(g) H 2 O (g) H = 206,2 kj/mol; reazione esotermica 25 In una reazione endotermica: a) l entalpia dei prodotti è minore di quella dei reagenti b) il contenuto energetico del sistema diminuisce c) ΔH 0 d) si produce calore 26 Come avvengono la produzione di calore o l assorbimento di calore nelle reazioni? La produzione o l assorbimento di calore dipendono dal contenuto energetico delle molecole di reagenti e di prodotti. Se i reagenti sono meno stabili dei prodotti, la reazione libera calore. 27 Perché la variazione di energia chimica è uguale al calore scambiato con l ambiente solo se il volume del sistema è costante? 28 La variazione dell entalpia di un sistema: a) è uguale al calore ceduto o assorbito dal sistema b) si misura in kelvin c) è sempre maggiore di zero d) è uguale al calore ceduto o assorbito dal sistema a pressione costante 29 Una reazione esotermica ha luogo, con le stesse quantità di reagenti, in un recipiente rigido e chiuso e in un recipiente espandibile. In quale caso ottieni un maggiore scambio di calore con l ambiente esterno? nel recipiente rigido 5 L entropia: l indicatore del «disordine» di un sistema 30 Quali sono i fattori che indicano se una reazione chimica avviene spontaneamente oppure no? La variazione di entropia determina se un processo è o non è spontaneo. 31 Quale stato della materia presenta minore entropia? stato solido 32 In quale variazione dello stato di un sistema gassoso l entropia diminuisce? a) l aggiunta di altra materia b) il riscaldamento c) la diluizione d) il raffreddamento 33 Spiega perché si ha un maggiore aumento di entropia nell evaporazione di un liquido che nella fusione di un solido. 6 L energia libera: il «motore» delle reazioni chimiche 34 Si può realizzare una trasformazione chimica in cui i prodotti hanno minore stabilità e minore entropia dei reagenti? no 35 Come deve essere il segno di ΔS per avere una diminuzione di energia libera? S > 0 cioè con un aumento di entropia. Solo se H < T S allora S può essere < 0 2

3 36 In che modo un aumento di temperatura provoca un aumento o una diminuzione di energia libera? diminuzione se S > 0; aumento se S < 0 37 Una reazione di sintesi possiede ΔH 90 kj/mol e ΔS 195 J/(mol K). Stabilisci se tale reazione potrà avvenire spontaneamente alla temperatura di 400 K. sì ( G = 12 kj/mol) 38 Per la reazione: CO(NH 2 ) 2(aq) H 2 O (l) CO 2(g) 2NH 3(g) ti aspetti un valore di ΔS maggiore o minore di zero? Il ΔH della reazione a 25 C è 119,2 kj e il suo ΔG è 13,4 kj. Determina il valore di ΔS. Il suo segno è coerente con la tua ipotesi? 39 Due reazioni A B e B C hanno rispettivamente: ΔG f 125 kj/mol ΔG f 198 kj/mol Quali affermazioni sono vere? a) La reazione A B può avvenire spontaneamente. b) La reazione B C può avvenire spontaneamente se il sistema riceve una certa quantità di B. c) La trasformazione complessiva A C può avvenire spontaneamente se A, B e C si trovano nello stesso sistema. d) La trasformazione A C è impossibile perché il primo stadio non può avvenire spontaneamente, quindi non si forma B. 7 La velocità di reazione 40 Trova almeno tre esempi, tratti dall esperienza quotidiana, di reazioni che devono procedere a bassa velocità e tre esempi di reazioni che, invece, devono procedere rapidamente. Reazioni lente: 1) ossidazione del ferro; 2) decomposizione dei cibi; 3) ingiallimento pagine. Reazioni veloci: 1) cottura dei cibi; 2) decomposizione gas inquinanti; 3) combustione combustibili. 41 Come si ricava la velocità di reazione conoscendo il numero di moli di prodotto formato, il tempo e il volume? La velocità di reazione si ricava dal quoziente delle moli di reagente scomparso o dalle moli di prodotto formato nell unità di tempo. 42 Quale tra le seguenti reazioni è più veloce? a) 0,1 mol prodotte in 13 secondi b) 0,05 mol prodotte in 26 secondi c) 0,1 mol prodotte in 8 secondi d) 0,05 mol prodotte in 13 secondi ESERCIZI 43 Considera una generica reazione: A B C La concentrazione del prodotto C aumenta di 1, mol/l in 11 s. Calcola la velocità della reazione. 1, mol/(l s) 44 Come puoi misurare sperimentalmente la velocità della seguente reazione? CaCO 3(s) 2HCl (aq) CaCl 2(aq) CO 2(g) H 2 O (l) misuro la quantità di CO 2 formata nel tempo; misuro la quantità di CaCO 3 45 Considera la reazione di decomposizione dell acido iodidrico: 2HI (g) H 2(g) I 2(g) La tabella mostra i dati relativi a questa reazione alla temperatura di 508 C: [HI] (mol/l) 0, , , , , , , , Tempo (s) Calcola la velocità della reazione a 50 s e a 250 s dal suo inizio. 5, mol/(l s); 2, mol/(l s) 8 Gli altri fattori che influiscono sulla velocità di reazione 46 Considera l effetto determinato dalla temperatura sulla velocità di reazione. Individua nella tua esperienza un esempio di reazione in cui viene sfruttato l aumento o la diminuzione di temperatura per variare la velocità. 47 Quali sono i fattori che controllano la velocità di reazione e come agiscono? a) natura dei reagenti, b) superficie di contatto, c) temperatura, d) catalizzatori, e) concentrazione; l aumento dei fattori b, c, d, e, aumenta il numero degli urti dei reagenti aumentando, così, la probabilità di verificarsi di urti efficaci. 48 Perché le reazioni che coinvolgono solo ioni in soluzione acquosa sono in genere molto veloci? Perché gli ioni in soluzione acquosa sono distanziati gli uni dagli altri da molecole di acqua, quindi hanno una maggior superficie di contatto con l acqua. 3

4 ESERCIZI 49 Com è possibile aumentare la velocità di reazione tra due gas senza aumentare la temperatura? Si può aumentare la concentrazione dei gas oppure si può aumentare la loro superficie di contatto o usare un catalizzatore. 50 Quale effetto ha l agitazione di una miscela omogenea sulla velocità di reazione, una volta che i re- agenti sono stati mescolati? La velocità di reazione aumenta perché aumenta la superficie di contatto. 51 Perché è preferibile far avvenire le reazioni chimiche dopo aver portato in soluzione dei reagenti solidi, piuttosto che unirli direttamente? Perché in questo modo si aumenta la superficie di contatto. 52 L utilizzo degli enzimi è attualmente esteso a molti detersivi. Su quali categorie di sostanze agiscono questi catalizzatori? Formula delle ipotesi e confrontale con quelle dei tuoi compagni. Catalizzano le reazioni biologiche tipiche degli organismi viventi. 9 L energia di attivazione: la teoria degli urti e la teoria dello stato di transizione 53 Secondo la teoria degli urti quali sono le condizioni che consentono una reazione? Deve verificarsi un certo numero di urti tra i reagenti; le collisioni devono avere un orientazione appropriata; l energia dell urto deve essere uguale o superiore all energia di attivazione. 54 La teoria degli urti aiuta a spiegare l effetto dell aumento della concentrazione dei reagenti sulla velocità di reazione. Perché? Aumentando la concentrazione dei reagenti, aumenta il numero di urti e quindi la probabilità di urti efficaci. 55 Che cosa si intende per energia di attivazione? L energia di attivazione è l energia minima che occorre per iniziare una reazione. 56 Quale tratto della curva rappresenta lo stadio lento della reazione? energia reagenti a b c d andamento della reazione prodotti b 57 Indica quale, tra le reazioni elencate, è una reazione catalizzata: a) si aumenta la velocità di reazione fra iodio e idrogeno incrementando la temperatura b) si ottiene una combustione più rapida del carbone macinandolo c) si velocizza la decomposizione del perossido d idrogeno aggiungendo biossido di manganese d) si aumenta la velocità di combustione del fosforo mettendolo in atmosfera di ossigeno puro 58 Il diagramma mostra il profilo energetico per la reazione esotermica fra le sostanze A e B. La formazione del prodotto AB in presenza del catalizzatore segue il percorso a, b oppure c? energia A+B b a c andamento della reazione AB 59 Vero o falso? a) Le reazioni chimiche comportano urti tra le molecole. b) Gli urti sono possibili solo se la miscela dei reagenti viene agitata. c) Se si aumenta la concentrazione di una sola delle due sostanze che intervengono nell urto reattivo non si ha aumento della velocità di reazione. b d) Non tutti gli urti sono reattivi. 60 È data la seguente reazione: NaOH (s) HCl (aq) NaCl (s) H 2 O (l) calore Come puoi aumentare la sua velocità? a) aumentando la pressione b) usando NaOH in pastiglie invece che in polvere c) aumentando la concentrazione di NaOH d) diminuendo la concentrazione di HCl 61 Per quali ragioni non tutti gli urti tra le molecole dei reagenti sono efficaci? Perché non tutti gli urti avvengono nella giusta direzione; perché non tutti gli urti avvengono tra i reagenti; perché non sempre l energia dell urto è superiore all energia di attivazione. 4

5 62 Come puoi agire per avere una maggiore frequenza di urti reattivi? Devo aumentare il numero di urti in generale agendo su temperatura, concentrazione dei reagenti e superficie di contatto. Oppure abbassare E a a mezzo di un catalizzatore. 63 La teoria degli urti aiuta a spiegare l effetto dell aumento di temperatura sulla velocità di reazio- ne. Perché? Perché, aumentando la temperatura, aumenta l energia cinetica dei reagenti; in questo modo si aumenta la frequenza degli urti efficaci. 64 Perché la velocità di reazione aumenta al crescere della concentrazione di un reagente? Perché l aumento della concentrazione aumenta il numero delle molecole di reagente e quindi aumenta il numero degli urti efficaci. 65 Perché la velocità è solitamente più elevata all inizio della reazione? Perché la concentrazione dei reagenti all inizio della reazione è più elevata. 66 Osserva il seguente diagramma di una reazione che avviene in due stadi ESERCIZI Qual è lo stadio che determina la velocità della reazione? primo stadio La reazione è, nel suo complesso, esotermica o endotermica? reazione esotermica Explain how to calculate a reaction rate from concentration-versus-time data. Reaction rate value is given by the ratio between the concentration of the reactant transformed or the product formed and the time of reaction. What unit is most commonly used to express reaction rate? mol/(l s) 69 Disegna un grafico che abbia in ordinata l energia potenziale del sistema chimico (reagenti e prodotti) e in ascissa il grado di svolgimento della reazione. All interno del grafico traccia l andamento dell energia che trasforma i reagenti in prodotti in una reazione con ΔH negativo, che si svolge attraverso un meccanismo a due stadi, di cui il primo è quello che determina la velocità di reazione. Sul medesimo grafico traccia un possibile andamento della stessa reazione catalizzata. E a(2) energia E a(1) H andamento della reazione Review A block of ice is cooled from 0,5 C to 10 C. Calculate the temperature change in degrees Celsius and in kelvin. T = 9,5 C = 9,5 K How can the rate of a chemical reaction be measured? A large number of catalysts is in living cells: how are they called? enzymes 4 Determina il valore di ΔH f del benzene liquido sapendo che la reazione di combustione di 16 g di benzene ha un valore di ΔH pari a 653,54 kj: 2C 6 H 6(l) 15O 2(g) 12CO 2(g) 6H 2 O (l)+49 kj/mol 5 In un calorimetro di rame sono bruciati 30 g di carbonio e viene prodotto diossido di carbonio. La massa del calorimetro è 2000 g e la massa dell acqua nel calorimetro è 2500 g. La temperatura passa da 20 C a 40 C. Calcola il calore di combustione sapendo che il calore specifico del rame è 0,092 cal/( C g). 21,5 kcal/mol 6 È data la reazione di dissociazione: NH 4 Cl (aq) NH 4 (aq) Cl (aq) ΔH 3,6 kcal/mol A quale condizione la reazione può avvenire spontaneamente? Spiega la tua risposta. T S > 3,6 kcal/mol 5

6 ESERCIZI 7 Osserva il seguente grafico, che rappresenta l andamento di una reazione di decomposizione: concentrazione reagente 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0, tempo (minuti) In quale momento la velocità assume il valore massimo? nei primi 20 minuti Qual è il fattore che provoca la variazione della velocità della reazione? la diminuzione della concentrazione dei reagenti 8 Considera i seguenti esperimenti. 1) 30 ml di HCl reagiscono con 10 g di CaCO 3 in frammenti piccoli; 2) 30 ml di HCl reagiscono con 10 g di CaCO 3 in frammenti medi; 3) 30 ml di HCl reagiscono con 10 g di CaCO 3 in frammenti grossi. Le reazioni avvengono all interno di una beuta posta su una bilancia. Misura la massa iniziale in ciascuno dei tre casi e prendi nota, a intervalli di tempo regolari, della variazione della massa iniziale. Ottieni i seguenti grafici: Perché la massa iniziale diminuisce? Scrivi l equazione della reazione. In quale dei tre casi la reazione è più veloce e perché? CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O; si forma CO 2 che è gassoso con frammenti piccoli 9 Il bicarbonato di sodio versato su di una fiamma soffoca il fuoco poiché si decompone con produzione di CO 2 secondo la seguente reazione: 2NaHCO 3(s) Na 2 CO 3(s) H 2 O (l) CO 2 (g) Considera le seguenti entalpie: ΔH f NaHCO3(s) 947,7 kj/mol ΔH f Na2 CO 3(s) 1131 kj/mol ΔH f H2 O (l) 285,9 kj/mol ΔH f CO2(g) 393,5 kj/mol Determina il valore di ΔH per la reazione. Quanto calore viene messo in gioco (liberato o assorbito) dalla decomposizione di 200 g di NaHCO 3? Quale volume, misurato a STP, di CO 2 si libera dalla decomposizione di 200 g di NaHCO 3? 85 kj; 1, kj; 26,7 L INVESTIGARE INSIEME Metti in frigorifero una bottiglia d acqua da mezzo litro e una da due litri. Controlla la temperatura delle due bottiglie dopo trenta minuti e dopo un ora. Quale bottiglia si raffredda per prima? massa acido + massa CaCO 3 + massa beuta 0 tempo frammenti grossi frammenti medi frammenti piccoli Quale bottiglia perde più calore? DICTIONARY catalyst: catalizzatore rate: velocità 6

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