Corso di Chimica Generale Inorganica Soluzione degli Esercizi del Compito del 28 luglio 2010

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1 Corso di Chimica Generale Inorganica Soluzione degli Esercizi del Compito del 28 luglio 2010 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 indirizzo nome.cognome@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 devono prendere contatto con il sottoscritto inviando un a luigi.garlaschelli@unimi.it oppure telefonando al durante le normali ore d ufficio. Si ribadisce che un voto positivo entra automaticamente nella carriera scolastica di uno studente anche se lo studente non prende visione del compito o che dia il suo consenso in altre parole vale la regola silenzio-assenso. Milano, 31 luglio 2010 L. Garlaschelli

2 Compito A 28 luglio 2010 [1] Completare e bilanciare le seguenti trasformazioni chimiche: (A) Ca(OH) 2 + HNO 3 ; (B) Na 2 O + CO 2 + H 2 O; (C) Ni + H 2 SO 4 ; (D) FeO + H 3 PO 4. Risposta Ca(OH) HNO 3 > Ca(NO 3 ) H 2 O Na 2 O + CO 2 > Na 2 CO 3 Ni + H2SO4 -> NiSO4 + H2 3 FeO + 2 H 3 PO 4 > Fe 3 (PO 4 ) H 2 O [2] Considerare la seguente reazione da bilanciare: Fe (s) + O 2(g) > Fe 2 O 3(s). Calcolare quanti litri di ossigeno, misurati a c.n., sono necessari per trasformare 33,48 g di ferro nell ossido corrispondente. [P.A.: Fe = 55,8] Risposta: volume di O 2 = 10,08 L La reazione bilanciata è 2 Fe (s) + 3/2 O 2(g) > Fe 2 O 3(s) La reazione bilanciata ci dice che due moli di Fe reagiscono con 1,5 moli di O 2 per dare una mole di ossido di ferro(iii). In base ai grammi di ferro è possibile calcolare le moli di Fe e di conseguenza le moli di O 2 necessarie per l ossidazione. Conosciute le moli di ossigeno con l equazione di stato dei gas perfetti è possibile calcolare il volume. moli di Fe = 55,8 33,48 g gmole 1 = 0,6 In base alla stechiometria di reazione le moli di O 2 saranno = 0,6x 3 4 = 0,45 Equazione di stato dei gas perfetti: PxV = nxrxt. V = 0,45x0,082x273 1, 0 = 10,08 L [3] Descrivere il comportamento in acqua delle seguenti sostanze: (A) NH 4 Cl, (B) H 2 CO 3.[K b (NH 3 ) = 1,8x10-5 ; K a1 (H 2 CO 3 ) = 4,7x10-7, K a2 (H 2 CO 3 ) = 4,7x10-11 ]

3 Risposta Il composto (A) appartiene alla categoria dei sali cioè di quelle sostanze che formalmente possiamo considerarle derivare dalla reazione tra un acido e una base. Nel caso particolare la base è NH 3, base debole, e HCl, acido forte. I sali sono elettroliti forti e in soluzione acquosa sono completamente dissociati: + NH 4 Cl > NH 4 (aq) + Cl - (aq) Oltre a questo gli ioni che formano il sale possono comportarsi da acidi o da basi di Broensted quando derivano da un elettrolita debole; nel caso specifico lo ione ammonio deriva da una base debole come è evidente osservando che è fornita la K b dell ammoniaca. Come conseguenza lo ione ammonio si comporterà in soluzione acquosa nel seguente modo: + NH 4 (aq) + H 2 O (l) NH 3(aq) + H 3 O + (aq) La soluzione risulta acida Il composto (B) è un acido poliprotico debole, anche in questo caso sono fornite per il composto in esame le due costanti di dissociazione. Gli equilibri che si instaurano in soluzione sono: H 2 CO 3(aq) + H 2 O (l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) - 2- HCO 3 (aq) + H 2 O (l) CO 3 (aq) + H 3 O + (aq) Si instaurano due equilibri perché l acido poliprotico presenta due costanti di dissociazione diverse. [4] L ammoniaca, NH 3, è una base debole con costante di dissociazione K b = 1,8x10-5. A 200,0 ml di una soluzione 0,35 M di NH 3 sono aggiunti 490,0 ml di HCl gassoso, misurati a 25 C e 1 atm. Rispondere alle seguenti domande: Il ph della soluzione 0,35 M di NH 3 vale: (A) 11,4; (B) 10,5; (C) 8,10; (D) 9,80. Il ph della soluzione ottenuta dopo l aggiunta di acido vale: (A) 10,4; (B) 3,1; (C) 5,6; (D) 9,65. Le moli di HCl aggiunte inizialmente alla soluzione di NH 3 sono: (A) 2,10; (B) 0,020; (C) 0,10 4,76x10-3.

4 Risposta: (A) ph = 11,4; (B) ph = 9,65; (C) = 0,02 Prima domanda. Come dice il testo l ammoniaca è una base debole. Per sistemi di questo genere la concentrazione degli ioni OH - si calcola con la relazione: [OH - ] = Kbxc b. Nel nostro caso abbiamo [OH - ] = 5 1, 8 x10 x 0,35 = 2,5x10-3 poh = 2,60 ph = 11,4 Seconda domanda. In seguito a mescolamento c è reazione tra l acido e la base: NH 3 + HCl > NH 4 Cl La reazione bilanciata dice che una mole di NH 3 reagisce con una mole di HCl formando un mole di NH 4 Cl. Dobbiamo quindi calcolare le moli iniziali dei reagenti in base alla stechiometria di reazione calcolare la composizione della soluzione finale. mmoli NH 3 = 200x0,35 = 70 pari a 7x10-2 moli moli di HCl n = PV/RT = 1x0,490/0,082x298 = 0,02 Bilancio delle moli NH 3 + HCl > NH 4 Cl I 7x10-2 0,02 D -0,02-0,02 0,02 F 5x ,02 La soluzione contiene NH 3, base debole, e NH 4 Cl sale della base debole soluzione tampone; per calcolare la concentrazione degli ioni OH - si adopera la relazione [OH - ] = K b xc b /c s. Si può sostituire al rapporto delle concentrazioni quello delle moli essendo un rapporto. [OH - ] = 1,8x10-5 x 5x10 0,02 2 = 4,5x10-5 [OH-] = 4,5x10-2 poh = 4,35 ph = 9,65

5 [5] Per neutralizzare 50 ml di una soluzione di HCl 1,00 M occorrono: (A) 5 ml di una soluzione NaOH 1,00 M; (B) 25,0 ml di soluzione Ba(OH) 2 1,00 M; (C) 25,0 g di Ba(OH) 2 ; (D) 75 ml di NH 3 1,00 M. [P.A.: Ba = 137,3; O = 16,0; H = 1,0] Risposta: soluzione (B) Neutralizzare vuol dire fare reagire esattamente l acido con la base in modo tale che alla fine la soluzione non contenga un eccesso dei due reagenti. Bisogna esaminare i singoli casi. NaOH + HCl > NaCl + H 2 O La reazione bilanciata dice che una mole di NaOH reagisce con una mole di HCl formando un mole di NaCl. Dobbiamo quindi calcolare le moli iniziali dei reagenti e vedere se coincidono. mmoli HCl = 50,0x1,0 = 50 mmoli NaOH = 5x1,0 = 5 Due valori diversi non va bene Ba(OH) HCl > BaCl H 2 O La reazione bilanciata dice che una mole di Ba(OH) 2 reagisce con due moli di HCl formando un mole di BaCl 2. Dobbiamo quindi calcolare le moli iniziali dei reagenti e vedere se le moli di idrossido di bario sono la metà di quelle di HCl. mmoli HCl = 50,0x0,1 = 50,0 mmoli Ba(OH) 2 = 25,0x0,1 = 25,0 Come risulta dalle mmoli dei due reagenti queste stanno nel giusto rapporto. Nel caso del idrossido di bario dobbiamo calcolare le moli tenendo presente che la quantità è data in grammi moli di Ba(OH) 2 = 25,0 g 171,3 gmole 1 = 0,15 pari a 150 mmoli. I due reagenti non sono nel giusto rapporto. NH 3 + HCl > NH 4 Cl

6 La reazione bilanciata dice che una mole di NH 3 reagisce con una mole di HCl formando un mole di NH 4 Cl. Dobbiamo quindi calcolare le moli iniziali dei reagenti e vedere se coincidono. mmoli NH 3 = 75x1,0 = 75 Due valori diversi non va bene [6] Indicare l affermazione corretta tra le seguenti relative agli elementi nella Tavola Periodica: (A) il raggio atomico aumenta dall alto verso il basso in un gruppo e diminuisce da sinistra verso destra in un periodo; (B) l energia di ionizzazione aumenta dall alto verso il basso in un gruppo e da sinistra verso destra in un periodo; (C) l affinità elettronica aumenta dall alto verso il basso in un gruppo e da sinistra verso destra in un periodo; (D) l elettronegatività aumenta dall alto verso il basso in un gruppo e da sinistra verso destra in un periodo. Risposta: (A) Il problema tratta delle proprietà periodiche degli elementi. Per giustificare le varie affermazioni dobbiamo riportare come variano queste grandezze nell ambito della tavola periodica. La difficoltà con cui un elettrone può essere estratto da un atomo è una proprietà periodica, così come la facilità con cui un atomo può accettare un elettrone. 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. La facilità con cui un atomo accetta un elettrone è misurata dalla sua affinità elettronica, Ae, che è l energia che viene sviluppata quando un atomo isolato allo stato fondamentale accetta un elettrone e dà il più stabile ione negativo. Si noti che secondo le definizioni date, valori positivi di energia di ionizzazione corrispondono ad acquisto di energia da parte del sistema durante il processo di

7 conversione, mentre nel caso dell affinità elettronica valori positivi corrispondono a liberazione di energia da parte del sistema. In pratica, quanto più alta è l energia di ionizzazione tanto minore è la tendenza dell atomo a cedere un suo elettrone, mentre quanto più alta è l affinità elettronica tanto maggiore è la tendenza di un atomo ad accettare un elettrone. Se esaminiamo i valori delle energie di ionizzazione e delle affinità elettroniche riportati in letteratura possiamo constatare che muovendoci lungo un periodo l energia di ionizzazione e l affinità elettronica aumentano 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 e le più basse affinità elettroniche, mentre quelli degli ultimi gruppi hanno energie di ionizzazione e affinità elettroniche tra le più alte. Se esaminiamo invece gli elementi appartenenti a uno stesso gruppo, possiamo notare che sia l energia di ionizzazione sia l affinità elettronica diminuiscono scendendo lungo un gruppo. Sempre considerando le proprietà periodiche si nota che i raggi atomici diminuiscono quando ci si muove da sinistra a destra lungo un periodo mentre aumentano scendendo lungo un gruppo. Infine tenendo presente la definizione di elettronegatività data da Mulliken si deduce che questa aumenta lungo un periodo e diminuisce scendendo lungo un gruppo. Alla luce delle definizioni date è chiaro che l unica risposta corretta è la (A). [7] Enunciare il principio di Le Chatelier; utilizzando tale principio spiegare quale è l effetto di un aumento di temperatura sull equilibrio: CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g), sapendo che il processo è endotermico. Se al sistema all equilibrio è aggiunto dell altro CaCO 3(s), in che maniera sarà perturbato l equilibrio? Quale è l effetto se è aggiunta CO 2(g) al sistema. Risposta: verso destra, ininfluente, verso sinistra

8 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. Alla luce di questo per un processo endotermico avremo uno spostamento verso destra perché in questo caso aumenta il valore numerico della costante di equilibrio. Questo è un sistema eterogeneo. Le condizioni di equilibrio sono determinate solamente dalle specie gassose, cioè in questo caso dalla pressione parziale della CO 2. Quindi l aggiunta di CaCO 3 non modificherà l equilibrio. Se si aggiunge dell anidride carbonica, un prodotto, al sistema all equilibrio questo si sposterà verso i reagenti. [8] Dimostrare che l acqua può essere sia una base sia un acido di Broensted. Calcolare il ph di una soluzione che contiene in 250 ml di soluzione 0,100 moli di HBr. Risposta: ph = 0,4 La teoria di Arrhenius ipotizza che una sostanza per essere una base debba contenere gruppi OH - da poter essere ceduti. Tuttavia, vi sono sostanze che, seppur prive di questi gruppi, sono in grado di "neutralizzare" gli acidi e di produrre un ambiente basico quando vengono poste in soluzione. Per esempio, il carbonato di sodio, Na 2 CO 3, o l ammoniaca, NH 3, in acqua danno soluzioni basiche e sono in grado di neutralizzare gli acidi pur non contenendo gruppi OH -. Incongruenze di questo tipo furono superate da Brønsted-Lowry i quali formularono una più esauriente definizione di acido e di base, secondo la quale un acido è una specie chimica capace di cedere protoni e una base è una specie chimica capace di accettare protoni. Utilizzando questa definizione possiamo spiegare il comportamento basico di Na 2 CO 3 o di NH 3 assegnando a CO 2-3 e a NH 3 la capacità di accettare protoni, per esempio dall acqua, la quale a sua volta agisce da acido perché cede un protone:

9 CO H 2 O HCO OH - NH 3 + H 2 O NH OH - In generale una specie chimica, B, è una base, anche se non contiene gruppi OH -, a condizione che sia in grado di accettare un protone, per esempio dall acqua, ma anche da un qualsivoglia acido. Le reazioni sopra riportate mostrano che l acqua può comportarsi sia da acido che da base. L acido bromidrico è un acido forte completamente dissociato HBr (aq) + H 2 O (l) > H 3 O + + Br - (aq) Quindi per questo 0,100 moli di HBr libereranno in soluzione 0,100 moli di H 3 O +. [H + ] = 0,100 moli 0,250 L = 0,400 ph = -log0,400 = 0,4 [9] Sotto quali condizioni si può predire che una soluzione avente ph = 7,0, cioè neutra, è prodotta da una reazione acido-base? Risposta Una reazione acido-base forma un sale. In prima istanza, affinchè una soluzione ottenuta per reazione tra un acido e una base presenti un ph = 7 è necessario che la soluzione non contenga acido o base in eccesso. Oltre a questo, affinché il sale ottenuto non si comporti in acqua come acido o base di Broensted deve essere formato da cationi e anioni che derivano rispettivamente da basi e acidi forti. Esempio: KOH + HCl > KCl + H 2 O soluzione neutra CH 3 COOH + NaOH > CH 3 COONa + H 2 O formazione del sale CH 3 COO - + H 2 O > CH 3 COOH + OH - (aq) NH 3 + HCl > NH 4 Cl NH H 2 O > NH 3 + H 3 O + soluzione basica formazione del sale soluzione acida

10 Esiste anche il caso dove il sale è formato da cationi e anioni che derivano rispettivamente da basi e acidi deboli i quali presentano le costanti di dissociazione basica e acida numericamente uguale. Esempio: NH 3(aq) + H 2 O (l) + NH 4 (aq) + OH - (aq) K b = 1,8x10-5 CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + CH 3 COO - (aq) K a = 1,8x10-5 In questo caso il ph della soluzione risulterà neutro [10] Considerare la seguente reazione di equilibrio: H 2(g) + CO 2(g) H 2 O (g) + CO (g). A 986 C la costante di equilibrio della reazione vale 16,0. Supponendo di partire da una mole di H 2 e da una mole di CO 2, calcolare la composizione all equilibrio. Risposta: [CO 2 ] = [H 2 ] = 0,2; [CO] = [H 2 O] = 0,8 Calcolo la composizione all equilibrio. Con x indico la moli di CO 2 che dovranno reagire per portare il sistema all equilibrio. CO 2(g) + H 2(g ) CO (g) + H 2 O (g) I 1 1 -x -x X X E q 1 x 1 x x X Le concentrazioni all equilibrio dovranno soddisfare la costante di equilibrio. CO K = CO H 2 2 2O H x 2 16 = 2 Risolvendo si ha x = 0,8 [CO 2 ]=[H 2 ] = 0,2 [CO][H 2 O] = 0,8 1 x

11 Scrivere il nome dei seguenti composti o ioni ed assegnare il numero di ossidazione ai vari elementi: Co 2 O 3, ossido di cobalto(iii), Co(+3), O(-2) CaBr 2, bromuro di calcio, Ca(+2), Br(-1) SO 2-3, anione solfito, S(+4), O(-2) H 2 S, solfuro d idrogeno, S(-2), H(+1) NH 4 NO 3, nitrato d ammonio, N(-3), H(+1), N(+5), O(-2) SF 6, esafluoruro di zolfo, S(+6), F(-1) Scrivere la formula dei seguenti composti o ioni: Solfato di manganese, MnSO 4 Acetato di potassio, CH 3 COOK Fluoruro ferroso, FeF 2 Carbonato rameoso, Cu 2 CO 3 - Anione nitrito, NO 3 Fosfato di calcio, Ca 3 (PO 4 ) 2