Chimica Generale Inorganica Soluzione degli Esercizi del Compito 23 settembre 2011

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1 Chimica Generale Inorganica Soluzione degli Esercizi del Compito 23 settembre 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 del compito devono venire nel mio studio, Dipartimento di Chimica Inorganica Via G. Venezian 21, durante le normali ore di lavoro. 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 prendere contatto con il sottoscritto. 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 settembre 2011 L. Garlaschelli

2 Compito A - 23 settembre 2011 [1] Completare e bilanciare le seguenti trasformazioni chimiche: (A) SO 3 + H 2 O; (B) Mn + HCl; (C) CaO + HCl; (D) FeSO 4 + Na 3 PO 4. Risposta (A) SO 3 + H 2 O > H 2 SO 4 (B) Mn + 2HCl > MnCl 2 + H 2 (C) CaO + 2 HCl > CaCl 2 + H 2 O (D) 3 FeSO Na 3 PO 4 > Fe 3 (PO 4 ) Na 2 SO 4 [2] Definire che cosa si intende per molarità. 0,500 moli di NaCl sono sciolte in H 2 O in modo tale da ottenere una soluzione del volume di 5,0 litri. Calcolare: (A) la molarità della soluzione, (B) quanti grammi di NaCl bisognerà aggiungere ai 5,0 litri della soluzione (A) in modo da ottenere una soluzione 0,500 molare. [P.A.: Na = 23,0; Cl = 35,5] Risposta: (A) 0,100 M; (B) 117 g La molarità è il modo più comune in chimica per esprimere la concentrazione di una soluzione. La sua unità di misura è moli L -1 oppure moli dm -3. Si ottiene dividendo il numero di moli, n, per il volume in cui sono sciolti le moli n. (A) (B) [NaCl] = 0,500 moli 5,0 litri Ricordando la definizione di molarità: si ottiene M = moli litro = 0,100 M

3 moli = Mxlitro quindi le moli di NaCl che sono contenute nei 5,00 litri di soluzione saranno: 5,0 litri x0,500 moli/litro = 2,5 moli poiché la soluzione contiene già 0,500 moli di NaCl le moli di cloruro di sodio da aggiungere saranno: moli NaCl = 2,5-0,500 = 2,0 Queste peseranno: g(nacl) = 2,0 molix58,5 g/moli = 117 [3] Definire che cosa si intende per proprietà colligative. Calcolare la pressione osmotica, alla temperatura di 25 C, di una soluzione ottenuta sciogliendo 0,250 moli di NaI e 0,250 moli di CaCl 2 in tanta acqua in modo da ottenere 1,25 litri di soluzione. Risposta: π = 24,4 atm Le soluzioni ideali possiedono alcune proprietà, chiamate proprietà colligative, che dipendono esclusivamente dalla concentrazione delle molecole o ioni di soluto contenute nel particolare solvente, e non dalla loro natura. In base alla definizione precedente bisogna ricordare il comportamento dei soluti in soluzione ovvero se si sciolgono tal quali oppure si dissociani. Nel caso in esame i due soluti sono dei sali, elettroliti forti completamente dissociati in soluzione. NaI (s) > Na + (aq) + I - (aq) ν = 2 CaCl 2(s) > Ca 2+ (aq) + 2Cl - (aq) ν = 3 Ioni presenti in soluzione dopo dissociazione NaI = 0,250x2 = 0,500 CaCl 2 = 0,250x3 = 0,750

4 Σ degli ioni = 0, ,750 = 1,250 Ricordando la formula che permette di calcolare la pressione osmotica πxv = nxrxt si ha nxrxt 1,25 x0,082 x298 π = = = 24,4 atm V 1,25 [4] Illustrare l equazione dei gas perfetti. 510 g di NH 3(g) sono messi in un recipiente del volume di 20 dm 3 e scaldati alla temperatura di 250 C. In queste condizioni l ammoniaca si dissocia per il 100,0 % secondo l equazione: 2NH 3(g) > N 2(g) + 3H 2(g). Calcolare la pressione finale nel recipiente. [P.A.: N = 14,0; H = 1,0]. Risposta: P = 128,7 atm L equazione di stato dei gas ideali o perfetti è un equazione che lega P, V, T e numero di moli di una massa gassosa. P = pressione in atmosfere T = temperatura in scala Kelvin V = volume in litri n = numero di moli R la costante universale dei gas perfetti vale 0,082 lxatm/kxmole L equazione è la seguente: PV = nrt moli di NH 3 = 510 g 17 g/mole = 30,0 2NH 3 > N 2 + 3H 2 I 30,0-30,0 15,0 3 30,0 2 F -- 15,0 45,0

5 moli totali = 15,0 + 45,0 = 60,0. Per calcolare la pressione nel recipiente adopero la PV = nrt: P = nrt 60,0x0,082 x523 V 20 = = 128,7 atm [5] Che cosa si intende per potenziale di prima ionizzazione e come questo varia nell ambito della Tavola Periodica. Citare almeno quattro elementi di cui due hanno sicuramente un basso potenziale di ionizzazione e due hanno un alto potenziale di ionizzazione. Risposta Il potenziale di prima ionizzazione è l energia minima che occorre somministrare a una mole di atomi isolati allo stato gassoso per allontanare una mole di elettroni e formare una mole di ioni con una carica positiva. Il potenziale aumenta da sinistra verso destra lungo un periodo e diminuisce scendendo lungo un gruppo. Quindi elementi con bassi potenziali di ionizzazione saranno, ad esempio, K e Rb mentre quelli con alti potenziali di ionizzazione saranno, ad esempio, carbonio e azoto. [6] Scrivere le regole di aufbau. Stabilire quali delle seguenti configurazioni elettroniche sono o non sono accettabili in base alle regole di aufbau: (a) 1s 2 2s 2 2p 4 ; (b) 1s 2 2s 3 2p 3, (c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 3d 12, (d) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10. Giustificare ogni scelta fatta. Risposta: (A) e (D) corrette; (B) e (C) sbagliate Le regole di aufbau sono un insieme di regole che permettono di stabilire l ordine con cui sono occupati gli orbitali con elettroni per sistemi multielettronici. Le regole possono essere così riassunte: 1) sono occupati gli orbitali con più bassa energia;

6 2) il principio di esclusione di Pauli stabilisce che non possono esistere in un atomo elettroni con tutti e quattro i numeri quantici identici; 3) la regola di Hund stabilisce che quando esistono orbitali degeneri gli elettroni tendono a distribuirsi nel maggior numero possibile di orbitali e si dispongono in essi con spin paralleli. Casi in esame (A) accettabile perché rispetta tutte le regole; (B) non accettabile perché non può essere 2s 3 ; (C) non accettabile non può essere 4s 0 3d 12 ma deve essere 4s 2 3d 10. (D) accettabile inizia in questo modo la prima serie di transizione. [7] Considerare la seguente reazione già bilanciata: 3 Ca(OH) 2 + 2H 3 PO 4 > Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6H 2 O. A 0,222 g di Ca(OH) 2 si aggiungono 0,200 L di una soluzione di H 3 PO 4 0,100 M. Calcolare, a reazione avvenuta, la molarità di H 3 PO 4 e le moli di fosfato di calcio. [P.A.: Ca = 40,0; O = 16,0; H = 1,0] Risposta: [H 3 PO 4 ] = 0,09; moli Ca 3 (PO 4 ) 2 = 0,001 Calcolo le moli di iniziali di Ca(OH) 2 e di H 3 PO 4 e trovo il reagente limitante della reazione. moli Ca(OH) 2 = Per la definizione di molarità si ha: 0,222 g 74 g/mole = 0,003 moli H 3 PO 4 = 0,200 litrix0,100 moli/litro = 0,02 Dalla stechiometria di reazione e dalle moli iniziali dei reagenti il reagente limitante è Ca(OH) 2 ; quindi sarà questo reagente che condizionerà le moli dei prodotti che si formeranno e le moli dei reagenti rimasti.

7 3Ca(OH) 2 + 2H 3 PO 4 > Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6H 2 O I 0,003 0,02 ecc. -0,003-0, , , F 0,018 0,001 ecc. [H 3 PO 4 ] = 0,018 moli 0,2 litri = 0,09 moli Ca 3 (PO 4 ) 2 = 0,001 [8] Ordinare in base al valore crescente di ph delle seguenti soluzioni tutte alla stessa concentrazione: (A) HCl; (B) NaNO 2 ; (C) NaCl. Risposta: (A) HCl; (C) NaCl; (B) NaNO 2 Prima di discutere il comportamento di queste sostanze in soluzione bisogna ricordare che quando l esercizio ordinare in base al valore crescente di ph vuol dire dalla soluzione più acida a quella più basica. Alla luce di questa osservazione è chiaro che la soluzione più acida sarà quella formata d HCl essendo l unico acido presente nei tre composti in esame. Gli altri due sono dei Sali. Un sale può modificare il ph dell acqua in seguito a idrolisi, teoria degli acidi e delle basi di Arrhenius, oppure se si comporta da acido o da base, teoria degli acidi e delle basi di Broensted. Questo comportamento è tipico dei Sali che contengono nella loro molecola uno ione che deriva da un elettrolita debole. Quindi NaCl non avrà nessun comportamento acido-base perché è formato da una catione e da un anione che derivano rispettivamente d una base forte, NaOH, e da un acido forte

8 HCl. Quindi questo sale sciolto in acqua non modificherà il ph dell acqua che sarà quindi uguale a 7. NaNO 2 invece deriva dal catione di una base e dall anione di acido debole quindi in soluzione acquosa si idrolizzerà ovvero si comporterà da base secondo Broensted. NaNO 2 > Na + - (aq) + NO 2 dissociazione elettrolitica NO H 2 O HNO 2(aq) + OH - base secondo Broensted Come conseguenza la soluzione sarà basica. [9] Mettere in evidenza la differenza che esiste tra un equilibrio omogeneo e uno eterogeneo. La seguente reazione SO 3(g) SO 2(g) O 2(g) ha H > 0, endotermica. Spiegare l effetto delle seguenti variazioni sulla posizione dell equilibrio. (A) è aggiunto O 2(g) alla miscela d equilibrio senza variazioni di volume e di temperatura; (B) la miscela è compressa a temperatura costante; (C) la miscela di equilibrio è raffreddata; (D) un gas inerte è aggiunto alla miscela di equilibrio senza variazione di volume. Risposta: (A), (B), (C) spostamento verso i reagenti, (D) nessun effetto La legge d azione di massa per reazioni omogenee in fase gassosa può essere formulata usando le pressioni parziali oppure le frazioni molari piuttosto che le concentrazioni molari. In questi casi le costanti di equilibrio vengono indicate rispettivamente con i simboli K p o K x. Le costanti di equilibrio K c, K p e K x sono chiamate costanti di equilibrio stechiometriche, per distinguerle dalla costante di equilibrio termodinamica. Le tre costanti di equilibrio succitate sono legate tra loro. L espressione della costante di equilibrio descrive le condizioni di equilibrio sia delle reazioni che decorrono in fase omogenea (in particolare in fase

9 gassosa o in soluzione) sia di quelle che avvengono tra più specie chimiche in differenti stati di aggregazione (per esempio, gas e sostanze in soluzione, solidi e sostanze in soluzione, solidi e gas, ecc.). Le reazioni che coinvolgono più stati di aggregazione sono dette reazioni eterogenee. Per rispondere alle domande bisogna ricordare il principio di Le Châtelier, che 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. Per prima cosa notiamo che il processo è endotermico. (A) L aumento di una dei prodotti della reazione fa spostare l equilibrio verso i reagenti. (B) Aumentando la pressione sul sistema all equilibrio questo per compensare il minor volume messo a disposizione si sposterà verso il minor numero di moli presente in soluzione cioè verso sinistra. (C) In seguito a una diminuzione di temperatura si avrà una diminuzione della costante di equilibrio e quindi l equilibrio si sposterà verso i reagenti (D) La presenza di un gas inerte che vuol dire gas che non reagisce con le sostanze presenti non ha alcune effetto sulla posizione dell equilibrio [10] Cosa è la serie elettrochimica degli elementi. Dati i valori di E sotto riportati, valutate la correttezza delle seguenti affermazioni: (A) la specie A 3+ è la specie che ha il potere ossidante più forte; (B) il riducente migliore è B; (C) B + non può essere ridotto da un riducente avente E = 0,35 V. Valori di E : A 4+ /A 3+ = 0,70 V; A 3+ /A = 1,35 V; B 2+ /B + = 0,95 V; B + /B = 0,15 V. Possibili risposte: (A) sono tutte vere; (B) è vera solo la seconda

10 affermazione; (C) è vera solo la prima affermazione; (D) nessuna delle risposte proposte. Risposta: (A) I potenziali standard di riduzione delle più tipiche semireazioni sono ormai noti, e queste ultime possono essere sistemate in ordine crescente dei loro potenziali standard di riduzione. La sequenza che si ottiene è chiamata serie elettrochimica. La specie chimica ridotta di una coppia ossidoriduttiva agisce da riducente sulle specie chimiche ossidate delle coppie ossidoriduttive con potenziali di riduzione maggiori di questa. In relazione agli elementi del sistema periodico, a parità di condizioni un elemento è un riducente tanto più energico quanto più basso è il suo potenziale standard di riduzione (l elemento si ossida molto facilmente). Viceversa, un elemento è un ossidante tanto più energico quanto più alto è il suo potenziale di riduzione (l elemento si riduce molto facilmente). I potenziali standard di riduzione danno una misura qualitativa della capacità di una sostanza, in particolare di un elemento, di ossidare l idrogeno gassoso o di ridurre gli ioni idrogeno. Dato che il potenziale standard di riduzione dell idrogeno è 0 V, possiamo dire che in linea di massima gli elementi con potenziali standard di riduzione negativi sono in grado di ridurre lo ione idrogeno (e si ossidano), mentre quelli con potenziali standard di riduzione positivi non sono in grado di farlo. Si usa dire che gli elementi con potenziali standard di riduzione negativi sono più elettropositivi dell idrogeno. Per rispondere alle varie domande e scegliere la risposta giusta conviene rispondere separatamente ai tre quesiti e poi individuare l eventuale risposta corretta. (A) Risposta vera in quanto ha il potenziale redox più elevato.

11 (B) Risposta vera in quanto è la specie che ha il potenziale redox più basso. (C) Risposta vera in quanto B + per essere ridotto deve venire in contatto con una specie che ha un potenziale redox inferiore a 0,15 V. Come conseguenza le tre affermazioni sono vere. Risposta giusta (A) Scrivere il nome dei seguenti composti o ioni ed assegnare il numero di ossidazione ai vari elementi: CrPO 4, fosfato di cromo Cr(+3) P(+5) O(-2) CuClO 3, clorato rameoso o clorato di rame(i) Cu(+1) Cl(+5) O(-2) ZnSO 4, solfato di zinco Zn(+2) S(+6) O(-2) H 2 O 2, acqua ossigenata o perossido di idrogeno H(+1) O(-1) Ca(NO 2 ) 2, nitrito di calcio Ca(+2) N(+3) O(-2) ClO - 2, anione clorito Cl(+3) O(-2) Scrivere la formula dei seguenti composti o ioni: Solfato rameico, CuSO 4 Carbonato di litio, Li 2 CO 3 Solfato ferroso, FeSO 4 Idrossido di magnesio, Mg(OH) 2 Solfuro ferrico, Fe 2 S 3 Cloruro d argento, AgCl