Corso di Chimica Generale Inorganica Soluzione degli Esercizi dei Compiti 27 aprile 2011

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1 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 all 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 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 1

2 COMPITO A DEL 27 APRILE 2011 [1] Completare e bilanciare le seguenti trasformazioni chimiche: (A) Fe(OH) 3 + H 2 SO 4 ; (B) Na 2 O + CO 2 ; (C) HgCl 2 + KI > K 2 [HgI 4 ]; (D) Ni + HNO 3. Risposta (A) 2 Fe(OH) H 2 SO 4 > Fe 2 (SO 4 ) H 2 O (B) Na 2 O + CO 2 > Na 2 CO 3 (C) HgCl KI > K 2 [HgI 4 ] + 2 KCl (D) Ni + 2 HNO 3 > Ni(NO 3 ) 2 + H 2 [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) MgCl 2 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. 2

3 (A) NaCl > Na + + Cl - n tot = 0,1x2 = 0,2 (B) MgCl 2 > Mg Cl - n tot = 0,2x3 = 0,6 (C) HCl > H + + Cl - n tot = 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: H 2 O 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/r p ), 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, 3

4 H 3 O +. Di solito lo ione ossonio idratato viene chiamato semplicemente ione idrogeno e viene scritto nella forma H 3 O +, omettendo le molecole di acqua di idratazione, o anche nella forma H +. 2 H 2 O H 3 O + + 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, K w, chiamata costante di autoprotolisi dell acqua, o prodotto ionico dell acqua, è descritta dalla relazione K w = [H 3 O + ][OH - ] e vale, a 25 C, 1, 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 K w, 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, Cr 2 O 2-7. (A) F - ; (B) Cl - ; (C) Br - ; (D) I - ; (E) Fe 3+. Giustificare sia le scelte positive sia le scelte negative. Risposta: può ossidare ioduro a iodio, bromuro a bromo 4

5 L equazione di Nernst è: E = E - 0, 059 n log Q E potenziale attuale dell elettrodo E potenziale standard dell elettrodo 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 n numero di elettroni scambiati nel processo ossido-riduttivo Q quoziente di reazione che deve essere scritto secondo le usuali regole. 2- Affinché lo ione Cr 2 O 7 possa ossidare una specie è necessario che E (Cr 2 O 2-7 /Cr 3+ ) > E (da ossidare) E (Cr 2 O 2-7 /Cr 3+ ) = 1,23 V E (F - /F 2 ) = 2,9 V E (Cl - /Cl 2 ) = 1,36 V E (Br - /Br 2 ) = 1,06 V E (I - /I 2 ) = 0,54 V E (Fe 3+ /Fe 2+ ) = 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 Fe 3+ essendo già la forma ossidata del sistema Fe 3+ /Fe 2+. [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: 2H 2 S (g) 2H 2(g) + S 2(g) contiene 1,0 moli di H 2 S, 0,20 moli di H 2 e 0,80 moli di S 2 in un recipiente del volume di 2,0 litri. Calcolare il valore della K c. Possibili soluzioni: (A) 0,040; (B) 0,080; (C) 0,016; (D) 0,032; (E) 0,16. Risposta: (C), K c = 0,016 5

6 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 K c è la costante in funzione delle concentrazioni, ovviamente espresse come molarità. Come conseguenza calcoliamo la concentrazione delle specie all equilibrio. 1, 0 [H 2 S] = = 0,5 [H 2 ] = 0,2 2,0 2,0 = 0,1 [S 2 ] = 0,8 2,0 = 0,4 L espressione della K c è : K c = [ ] 2 H [ ] 2 S2 [ H ] 2 2 S Introducendo i valori delle concentrazioni è possibile calcolare il valore della costante di equilibrio K c = [ ] 2 01, [ 04, ] [ 05, ] 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) 6

7 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: NH 4 Cl > NH Cl - dissociazione elettrolitica NH H 2 O NH 3 + H 3 O + idrolisi [7] Descrivere il funzionamento della pila, in condizioni standard, basata sui seguenti elettrodi: Fe 2+ /Fe, Mg 2+ /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 (Fe 2+ /Fe) = -0,45 V E (Mg 2+ /Mg) = -2,36 V In base ai valori dei potenziali standard la pila è la seguente: (-) Mg / Mg 2+, 0,400 M // Fe 2+, 0,400 M / Fe (+) 7

8 Funzionamento: (+) catodo Fe e > Fe (-) anodo Mg > Mg e Fe 2+ + Mg > Fe + Mg 2+ 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: 2 0,059 Mg + E = E (pila) - 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: [ ] [ ] 0,059 0,400 E = 1,91 - log 2 0,400 = 1,91 [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 CH 3 COOH + CH 3 COONa è aggiunto un acido o una base forte. 8

9 CH 3 COOH + NaOH > CH 3 COONa + H 2 O CH 3 COONa + HCl > CH 3 COOH + NaCl Reazioni che avvengono quando a una soluzione formata da NH 3 + NH 4 Cl è aggiunto un acido o una base forte. NH 3 + HCl > NH 4 Cl NH 4 Cl + NaOH > NH 3 + NaCl + H 2 O [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, I 1, quando si estrae dall atomo il primo elettrone: M M + + e - 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 I 1 9

10 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 +, Ca 2+, Cl - e S 2- ha raggio maggiore lo ione: (A) cloruro; (B) potassio; (C) solfuro; (D) calcio. Risposta: S 2- 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: 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6. 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 10

11 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, S 2-. A riprova di quanto affermato i raggio ionici, in pm, degli ioni in esame sono: K + = 151 Ca 2+ = 100 Cl - = 181 S 2- = 184 Scrivere il nome dei seguenti composti o ioni ed assegnare il numero di ossidazione ai vari elementi: Cl -, ione cloruro Cl(-1) NO 2, biossido di azoto; N(+4), O(-2) NaHCO 3, 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) K 3 PO 4, fosfato di potassio; K(+1), P(+5), O(-2) Cu 2 SO 4, solfato rameoso o di rame(i); Cu(+1), S(+6), O(-2) Scrivere la formula dei seguenti composti o ioni: Acido periodico, HIO 4 Solfato ferrico, Fe 2 (SO 4 ) 3 Carbonato di sodio decaidrato, Na 2 CO 3.10H 2 O Fosfato d argento, Ag 3 PO 4 Nitrito di cromo, Cr(NO 2 ) 3 Acetato di piombo, Pb(CH 3 COO) 2 11

12 COMPITO B DEL 27 APRILE 2011 [1] Completare e bilanciare le seguenti trasformazioni chimiche: (A) NiSO 4 + Na 2 CO 3 ; (B) HgCl 2 + Na 2 S; (C) NO 2 + H 2 O > HNO 3 + NO; (D) BaCl 2 + Na 3 PO 4. Soluzione (A) NiSO 4 + Na 2 CO 3 > NiCO 3 + Na 2 SO 4 (B) HgCl 2 + Na 2 S > HgS + 2 NaCl (C) 2x(NO 2 + H 2 O > HNO 3 + H + + e) NO H e > NO + H 2 O 3 NO2 + H2O -> 2 HNO3 + NO (D) 3 BaCl Na 3 PO 4 > Ba 3 (PO 4 ) 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: % H 2 O = % O 2 = 50,0 % Bilancio la reazione: 2H 2(g) + O 2(g) > 2H 2 O (l) Calcolo le moli iniziali dei reagenti: 4,0 g moli H 2 = 2,0 g/mole = 2,0 moli moli O 2 = 96,0 g 32,0 g/mole = 3,0 moli 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 12

13 elemento che condizioneranno l aspetto quantitativo della reazione. Quindi: moli di H 2 O che si formano uguale a 2,0 moli di O 2 rimaste = 3,0-1,0 = 2,0 Moli totali contenute nella miscela = 2,0 + 2,0 = 4,0 % moli di H 2 O = 20, 40, x100 = 50,0 % % moli di O 2 = 20, x100 = 50,0 % 40, [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 m l da le diverse orientazioni degli orbitali e può assumere tutti i valori compresi tra ± l compreso lo zero. [4] Se uguali masse di O 2 e N 2 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 N 2 è maggiore di quella nel recipiente con O 2 ; (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 13

14 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 N 2 sono maggiori di quelle di O 2 perché P.M.(N 2 ) < P.M.(O 2 ) quindi P(N 2 ) > P(O 2 ). 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. [K a (CH 3 COOH) = 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, CH 3 COO -, 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: CH 3 COO - + H 2 O CH 3 COOH + OH - Questa reazione è preceduta dalla dissociazione elettrolitica del sale: CH 3 COONa > CH 3 COO - + Na + 14

15 In seguito al processo di idrolisi la soluzione conterrà un acido debole, CH 3 COOH, 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 CaCl 2 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: CaCl 2(aq) > Ca 2+ (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) + CO 2(g) 2CO (g) K p = 1,9. In un recipiente si mescolano CO 2(g) e CO (g) con carbone in eccesso. Sapendo che le pressioni 15

16 parziali dei componenti gassosi sono P(CO 2 ) 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 K p > Q p, 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) + CO 2(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. Q p = 2 P( CO ) P( CO 2) ( 0,5 = )2 0,5 = 0,5 K p Q p la reazione non è all equilibrio; essendo K p > Q p il verso spontaneo sarà da sinistra verso destra. 16

17 [8] Definire il prodotto ionico dell acqua. Calcolare la concentrazione di tutte le specie presenti in una soluzione 0,0100 M di HClO 4. Risposta: [H + ] = [ClO - 4 ] = 1,0x10-2 ; [OH - ] = 1,0x10-12 La reazione di dissociazione dell acqua: 2H H 3 O + + OH - 2 O è regolata dalla legge di azione di massa e la sua costante di equilibrio stechiometrica, K w, chiamata costante di autoprotolisi dell acqua o prodotto ionico dell acqua è descritta dalla: K w = [H + ][OH - ] = 1,x10-14 HClO 4(aq) + H 2 O (l) > H 3 O + - (aq) + ClO 4 (aq) L acido perclorico è un acido forte completamente dissociato. Quindi: [H + ] = [ClO 4 - ] = 1,0x10-2 [OH - ] = 1, 0 x10 1, 0 x10 14 = 1, [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) 1s 2, 2s 2, 2p 5 : (B) 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2 ; (C) 1s 2, 2s 2, 2p 6 ; (D) 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 1. 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. 17

18 (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 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 1, 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: Cu 2+ /Cu; Zn 2+ /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 (Zn 2+ /Zn) = -0,76 V E (Cu 2+ /Cu) = +0,34 V 18

19 E (Ag + /Ag) = 0,8 V (-) Zn / Zn 2+ 1,0 M // Cu 2+ 1,0 M / Cu (+) (-) Zn > Zn e (+) Cu e > Cu Zn + Cu 2+ > Zn 2+ + Cu f.e.m. = 0,34 - (-0,76) = 1,1 V (-) Zn/Zn 2+ 1,0 M // Ag + 1,0 M // Ag (+) (-) Zn > Zn e (+) 2Ag + > 2 Ag Zn + 2Ag + > Zn Ag f.e.m. = 0,8 - (-0,76) = 1,56 V (-) Cu / Cu 2+ 1,0 M // Ag + 1,0 M / Ag (+) (-) Cu > Cu e (+) 2 Ag + + 2e > 2 Ag Cu + 2Ag + > Cu Ag 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: SO 4 2-, Anione solfato, S(+6), O(-2) Co(NO 2 ) 2 ; Nitrito di cobalto(ii), Co(+2), N(+3), O(-2) NH 4 ClO 2 ; Clorito d ammonio, N(-3), H(+1), Cl(+3), O(-2) Ni(CN) 2, Cianuro di nichel(ii), Ni(+2) C(+2), (N-3) CuCl 2.6H 2 O; Cloruro rameico esaidrato, Cu(+2), Cl(-1), H(+1), O(-2) 19

20 NaHCO 3, Idrogeno carbonato di sodio, Na(+1), H(+1), C(+4), O(-2) Scrivere la formula dei seguenti composti o ioni: - Anione bromato, BrO 3 - Anione periodato, IO 4 Fosfato di magnesio, Mg 3 (PO 4 ) 2 Solfuro di alluminio, Al 2 S 3 Cloruro d argento, AgCl Fluoruro di piombo, PbF 2 20