ISTITUTO ISTRUZIONE SUPERIORE ELIO VITTORINI Sez.Geometri Castellamonte Anno scolastico 2013/2014 Materia d insegnamento: CHIMICA

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1 ISTITUTO ISTRUZIONE SUPERIORE ELIO VITTORINI Sez.Geometri Castellamonte Anno scolastico 2013/2014 Materia d insegnamento: CHIMICA PROGRAMMA SVOLTO con quesiti utili per la preparazione alla prova di recupero di settembre CLASSE 2 C C.A.T. Libro di testo: LINEAMENTI DI CHIMICA Terza edizione Autore: Valitutti. Editore : Zanichelli. Cap. 5 - La quantità chimica: la mole 1 La massa atomica e la massa molecolare 74 2 Contare per moli 76 3 Le formule chimiche 80 Cap. 6 Dalle leggi dei gas al volume molare 8 I gas e il volume molare 103 Cap. 13 Le soluzioni 3 La concentrazione delle soluzioni 234 Per prepararsi sul concetto di mole, studiare alle pagine indicate e svolgere gli esercizi proposti. Massa molare e numero di Avogadro. Lez.a pagina Esercizi a pag. 86 n 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 26, 27, 28, 29, 31. Volume molare. Lez. A pag Esercizi a pag. 111 n 56, 59, 60, 61, 62, 73, 65. Calcoli relativi alle reazioni chimiche. Lez. a pag.252, 253. Esercizi a pag. 258 n 18,19,21,22, 23, 24, 25, 26, 27, 30, 31, 33, 34, 38, 39, 41, 42. Quesiti: 1. Perché è stato necessario stabilire un unità di misura,per la massa degli atomi,diversa dal kilogrammo? Cos è il peso atomico e qual è la sua unità di misura? Cos è il peso molecolare e qual è la sua unità di misura? Cos è il numero di Avogadro? Cos è la massa molare? Cos è il volume molare? Qual è l unità di misura della quantità di sostanza? Come si fa a convertire: a) le moli in numero di particelle e viceversa? b) le moli in grammi e viceversa? c) Le moli di una sostanza gassosa in decimetri cubi e viceversa? 9. Cos è la molarità? 236 Cap. 7 Le particelle dell atomo pag. 1. La natura elettrica della materia Le particelle fondamentali I modelli atomici di Thomson e Rutherford Numero atomico, numero di massa ed isotopi 119

2 Quesiti: 1. Quali sono i nomi,le cariche e le masse(in u.m.a.) delle particella subatomiche? Come sono disposte le particelle subatomiche di un atomo? Cosa indicano il numero atomico Z ed il numero di massa A? Quando due atomi si dicono isotopi? Perché i diversi isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche? Come si ottiene il valore della massa atomica di un elemento,conoscendo le masse isotopiche e le loro abbondanze relative? 121 Cap. 8 La struttura dell atomo e la tavola periodica 1. Il modello atomico a gusci appunti 2. La moderna tavola periodica Struttura elettronica e tavola periodica appunti 4. Le proprietà periodiche 154 Metalli, non metalli e semimetalli 161 Quesiti: 1. Come si è modificato nel tempo il modello che descrive l atomo? Cosa si intende per energia di ionizzazione primaria? Da cosa dipende la forza di attrazione tra il nucleo e i singoli elettroni? Spiega l andamento di Ei al crescere di Z Come sono disposti gli elettroni attorno al nucleo? appunti 6. Quali informazioni si possono ricavare dai valori delle energie di ionizzazione successive? 158 Cap. 10 I legami chimici pag. 1. I gas nobili e la regola dell ottetto Il legame covalente La scala dell elettronegatività ed i legami Il legame ionico I composti ionici Il legame metallico La tavola periodica ed i legami tra gli elementi 179 Quesiti: che cosa si intende in generale per legame chimico? appunti individuare e rappresentare gli elementi con i simboli di Lewis 298 quale relazione esiste tra la struttura elettronica dei gas nobili e la regola dell ottetto? 296 che cos è l elettronegatività e come varia nella tavola periodica? 300 Cos è il legame ionico e come si forma? 303 perché certi atomi si legano mettendo in comune uno o più elettroni e come si chiama il legame che ne deriva? 298 perché le sostanze covalenti non conducono la corrente elettrica? appunti quali posizioni occupano nella tavola periodica gli elementi che possono formare legami covalenti? appunti come si differenzia il legame dativo dal legame covalente? 302 Cap. 12 La nomenclatura dei composti 1. La valenza Leggere e scrivere le formule La nomenclatura chimica La nomenclatura tradizionale dei composti binari La nomenclatura tradizionale dei composti ternari 216 Costruzione di una formula di composto binario, date le valenze degli elementi A m B n A n B m In un composto binario il prodotto del numero di atomi di ciascun elemento per la rispettiva valenza deve essere lo stesso. n (atomi dell elem. A) x m (valenza dell elem. A) = m (atomi dell elem. B) x n (valenza dell elem. B) Riconoscere, dalla formula, la famiglia di composti chimici di appartenenza. Me H v idruro metallico Nm H y idruro di non metallo ( H 2 O, NH 3, CH 4 ) H y Nm idracido ( HF, HCl, HBr, HI, H 2 S ) Me 2 O v (Me O v/2 ) ossido basico

3 Nm 2 O v (Nm O v/2 ) anidride ( ossido acido ) Me y Nm v sale binario Attribuire il nome del composto binario in base alle regole tradizionali Me H v idruro di Me Nm H y nome comune H y Nm acido Nm idrico Me y Nm v Nm uro di Me oppure Nm uro Me ico (valenza alta) oppure Nm uro Me oso (valenza bassa) Esempi: AlCl 3 cloruro di alluminio (una sola valenza) FeCl 2 cloruro ferroso (valenza bassa ) FeCl 3 cloruro ferrico (valenza alta) Me 2 O v ossido di Me. Se il metallo possiede due valenze diverse : a) ossido Me oso per la valenza inferiore, b) ossido Me ico per la valenza superiore) Nm 2 O v anidride Nm ica per una sola valenza o per la maggior valenza; anidride Nm osa per la valenza minore Nel caso degli alogeni, le valenze possibili sono quattro, ad esempio per il cloro le anidridi sono: Cl 2 O anidride ipoclorosa Cl 2 O 3 clorosa Cl 2 O 5 clorica Cl 2 O 7 perclorica Ciò vale anche per le anidridi del bromo e dello Jodio. Scrivere l equazione bilanciata della reazione di sintesi di un composto binario. Bilanciare l equazione di una reazione di sintesi di un composto binario a partire dagli elementi è particolarmente semplice :bisogna esaminare il numero di atomi elemento per elemento, prima e dopo la freccia. Se il numero di atomi è lo stesso, l elemento è bilanciato, almeno provvisoriamente. Altrimenti, si trova il minimo comune multiplo dei due numeri : questo è il numero di atomi dell elemento che deve essere lo stesso prima e dopo la freccia. Dividendo il numero trovato per il numero di atomi dell elemento a sinistra della freccia, si ottiene il coefficiente da anteporre alla formula dell elemento in questione. Poi si ripete la stessa operazione col numero di atomi dello stesso elemento nel composto a destra della freccia ed il risultato si mette a coefficiente della stessa formula. Dopo aver eseguito queste operazioni per entrambi gli elementi, si ricontrolla il bilanciamento del primo elemento per vedere se è stato modificato :in questo caso si ripete il bilanciamento del primo elemento. Altrimenti il bilanciamento è concluso. La formula di un elemento è quasi sempre coincidente col simbolo, tranne che nei seguenti casi in cui occorre aggiungere un indice numerico per indicare che l elemento è formato da molecole biatomiche : H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2. La formula di un composto binario si ottiene come indicato al punto 1. Una volta scritte, le formule non si possono cambiare; ma si possono far precedere da coefficienti numerici per bilanciare un equazione chimica

4 METALLI NON METALLI + idrogeno + ossigeno + idrogeno + ossigeno I D R U R I O S S I D I IDRACIDI ANIDRIDI + acqua + acqua I D R O S S I D I O S S I A C I D I SALI BINARI SALI TERNARI V A L E N Z E nei composti binari senza ossigeno I II III IV V VI VII VIII H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr

5 V A L E N Z E nei composti binari con ossigeno H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Cap. 13 Le soluzioni 1. Perché le sostanze si sciolgono? La solubilità La concentrazione delle soluzioni Le soluzioni elettrolitiche ed il ph Le reazioni di neutralizzazione 242 Quesiti: 1. Spiega la differenza tra dissociazione ionica e ionizzazione. 2. Cosa sono gli elettroliti? E i non elettroliti? 3. Quali sono le caratteristiche delle soluzioni acquose degli acidi? E delle basi? 4. Scrivere l equazione, bilanciata, della dissociazione ionica delle seguenti sostanze: (per ricavare le formule degli ioni coinvolti puoi consultare la tabella delle regole di precipitazione riportata a piè pagina) a. FeCl 3 I II III IV V VI VII VIII b. NaOH Cap. 15 L energia e la velocità di reazione 1. Le reazioni producono energia Il primo principio della termodinamica Perché avvengono le reazioni chimiche Che cos è la velocità di reazione? L energia di attivazione: la teoria degli urti e la teoria dello stato di transizione I catalizzatori I fattori che influenzano la velocità di reazione 278 Quesiti: su reazioni chimiche ed energia 1. Qual è l unità di misura dell energia nel Sistema Internazionale? 2. Cosa dice il principio di conservazione dell energia? 3. Qual è la differenza tra sistema aperto,chiuso ed isolato? 4. Cosa significa applicare il principio di conservazione dell energia ad un sistema chiuso?

6 5. Cosa sono i processi esoenergetici? E quelli endoenergetici? 6. Cos è un equazione termochimica? 7. Cos è il calore di reazione? 8. Cos è l energia chimica? 9. Quale relazione esiste tra l energia dei legami chimici ed il calore di reazione? Su velocità delle reazioni chimiche 1. Come si può misurare la velocità di una reazione chimica? 2. Cosa dice la teoria delle collisioni? 3. Quali fattori influiscono sulla velocità di reazione? Spiegane gli effetti sulla velocità sulla base della teoria delle collisioni. 4. Quali condizioni si devono verificare perché un urto tra le particelle dei reagenti sia efficace ai fini della formazione dei prodotti? 5. Cos è l energia di attivazione? 6. Cosa si intende per meccanismo di reazione? 7. Cos è un catalizzatore? 8. Che relazione esiste tra catalizzatore e meccanismo di reazione? 9. Come so può misurare sperimentalmente la velocità della seguente reazione? CaCO 3 ( s ) + 2 HCl ( aq ) CaCl 2 ( aq ) + CO 2 ( g ) + H 2 O ( l ) 10. Considera la reazione di decomposizione dell acido iodidrico: 2 H I ( g ) H 2 ( g ) + I 2 ( g ) La tabella mostra i dati relativi a questa reazione alla temperatura di 508 C : [HI] (mol/l) 0,100 0,0719 0,0558 0,0457 0,0387 0,0336 0, Tempo (s) Calcola la velocità istantanea della reazione a 50 e a 250 secondi dall inizio. Suggerimento: la formula per il calcolo della velocità istantanea è : v t =( C t+1 C t-1 )/t 11. Come si può agire per aumentare il numero degli urti tra le molecole? E per aumentare la percentuale degli urti efficaci? 12. Perché la velocità di reazione aumenta al crescere della concentrazione di un reagente? 13. Perché la velocità è solitamente più elevata all inizio della reazione? 14. Che cos è lo stato di transizione? Ed il complesso attivato? E l energia di attivazione? Risposta : Lo stato di transizione è la fase intermedia della reazione, in cui i legami tra i reagenti si stanno rompendo e si stanno formando i legami tra i prodotti. Allo stato di transizione corrisponde,a livello molecolare, la formazione di un composto intermedio, chiamato complesso attivato, che ha un energia potenziale superiore sia a quella dei reagenti, sia a quella dei prodotti. Il di più di energia rispetto ai reagenti si chiama Energia di Attivazione.La differenza tra l energia potenziale dei prodotti e quella dei reagenti corrisponde al Calore di reazione.

7 Energia dei reagenti Energia di attivazione Calore di reazione Energia dei prodotti reagenti Stato di transizione prodotti 15. Disegna un grafico del grado di svolgimento di una reazione che abbia in ordinata l energia potenziale del sistema chimico, dei reagenti e dei prodotti. All interno del grafico traccia l andamento dell energia di una reazione esotermica, che si svolge con un meccanismo a due stadi, di cui il primo è quello con la barriera energetica più alta. Sul medesimo grafico traccia un possibile andamento della stessa razione catalizzata. Risposta: Razione a due stadi Reazione catalizzata Svolgimento di una reazione esotermica a due stadi e della stessa con catalizzatore 16. Osserva il seguente grafico e rispondi alle domande : dov è massima la velocità di reazione? Quale fattore provoca la variazione della velocità di razione?

8 Concentrazione del reagente Tempo ( minuti ) 17. Disegna il profilo energetico di una reazione caratterizzata da 240 kj/mol di energia di attivazione,δh = kj/mol ed entalpia di formazione dei prodotti pari a -120 kj/mol. Su spontaneità delle reazioni chimiche 1. Quando una reazione è spontanea? 2. Che cos è il sistema? E l ambiente? 3. Definisci un sistema aperto,chiuso o isolato. 4. Cos è l entalpia? 5. A cosa corrisponde la variazione di entalpia di un sistema in cui avviene una reazione chimica? 6. Che segno ha il ΔH di una reazione esotermica? E di una reazione endotermica? 7. E possibile conoscere il valore assoluto dell entalpia di una sostanza? 8. In una reazione esotermica è maggiore l entalpia dei reagenti o dei prodotti? 9. In un sistema che cosa si misura mediante la grandezza chiamata entropia? 10. L entropia è maggiore per una sostanza quando è allo stato solido o allo stato gassoso? 11. Un sistema tende spontaneamente verso valori alti o bassi di entropia? E di entalpia? 12. Come si fa a stabilirla spontaneità di una reazione dovendo tener conto contemporaneamente della variazione di entalpia e di entropia? 13. Che cosa si intende per processo spontaneamente non invertibile? 14. Che cosa succede all energia in un processo spontaneamente non invertibile? 15. Perché lo stato finale di un processo di mescolamento spontaneo di due gas corrisponde ad una distribuzione uniforme delle molecole? 16. Che cosa significa dire che l energia termica è una forma di energia degradata? 17. Che cosa misura l entropia? 18. Come varia l entropia di una sostanza allo stato gassoso quando viene raffreddata? 19. Come varia l entropia in un sistema isolato quando avviene una trasformazione? 20. Perché,quando una trasformazione avviene in un sistema chiuso,occorre valutare la variazione di entropia e quella dell entalpia? 21. Come si può utilizzare il bilancio delle variazioni di entropia e di entalpia per prevedere se una reazione chimica può avvenire? 22. Cosa si verifica quando la variazione di Energia Libera relativa ad una trasformazione è uguale a zero? 23. Perché aumentando la temperatura si fa prevalere la trasformazione che comporta un aumento dell entropia?

9 1. Cos è l entalpia? L entalpia è una grandezza che si indica conil simbolo H e si misura in kj/mol. La sua variazione (ΔH)corrisponde al calore sviluppato o assorbito durante una reazione chimica in condizioni di pressione costante. ΔH è negativo per le reazioni esotermiche, positivo per le reazioni endotermiche. 2. Cos è l entalpia di formazione standard di un composto? E la variazione di entalpia che si ha nella reazione di formazione del composto a partire dagli elementi in condizioni standard ( P =1 atm e T=25 C).Ovviamente l entalpia di formazione degli elementi e uguale a zero. Esempi: a) Qual è più stabile tra i due seguenti composti? CO con H = -110,5 kj/mol CO 2 con H = -393,5 kj/mol Motiva la tua risposta. b) Le entalpie di formazione di NaCl e NaBr sono pari a -411kJ/mol e -361kJ/mol rispettivamente. Sono più stabili i legami tra Na e Cl o tra Na e Br? 3. Come si può ricavare il ΔH di una reazione? Dall espressione : ΔH = ΔH f prodotti ΔH f reagenti Esempio : calcola la variazione di entalpia della reazione CaCO 3 (s) CaO (s ) + CO 2 (g) sapendo che ΔH f CaCO 3 = -1206,9 kj/mol ΔH f CaO = -635,6 kj/mol ΔH f CO 2 = -395,5 kj/mol ΔH = ΔH f CaO + ΔH f CO 2 - ΔH f CaCO 3 ΔH = -635,6-395, ,9 = +175,8 kj/mol La reazione è endotermica. Il sistema tende spontaneamente a diminuire la propria energia, cedendo calore all ambiente, quindi se dipendesse solo da ΔH una reazione esotermica (ΔH negativo )sarebbe sicuramente spontanea; se dipendesse solo da ΔH una reazione endotermica (ΔH positivo )sarebbe sicuramente impossibile. 4. Cos è l entropia? L entropia si indica con il simbolo S, si misura in kj/(k mol) e rappresenta la misura del grado di disordine del sistema. Il suo valore aumenta gradualmente all aumentare della temperatura di un corpo ed aumenta in modo discontinuo nei passaggi di stato : S(g) > S(l) > S(s). S aumenta quando un solido si scioglie: ΔS> 0 Se, in seguito ad una reazione chimica, aumenta il numero di molecole gassose, ciò comporta un aumento di disordine: ΔS> 0 Durante una reazione chimica il grado di disordine varia secondo lo schema ΔS = S prodotti - S reagenti Se ΔS> 0 in seguito alla reazione il disordine del sistema aumenta. Se ΔS< 0 in seguito alla reazione il disordine del sistema diminuisce. Il sistema tende spontaneamente ad aumentare il grado di disordine, quindi: se dipendesse solo dal disordine, una trasformazione in cui il disordine aumentasse sarebbe sicuramente spontanea; se dipendesse solo dal disordine, una trasformazione in cui il disordine diminuisse sarebbe sicuramente impossibile. 5. Cos è l energia libera? L energia libera si indica col simbolo G ed è legata all entalpia ed all entropia mediante la formula G = H - T S, dove T è la temperatura assoluta del sistema. In una reazione chimica variano H ed S e di conseguenza varia G secondo la formula ΔG =Δ H T ΔS L energia libera è la forza che guida le reazioni chimiche. Se in seguito ad una reazione che avviene a pressione e temperatura costanti ΔG<0 allora la reazione è spontanea. Se in seguito ad una reazione che avviene a pressione e temperatura costanti ΔG>0 allora la reazione è impossibile.

10 6. Come varia ΔG al variare della temperatura? a) Se Δ H < 0 e Δ S > 0 allora sarà ΔG < 0 a qualunque temperatura e quindi la reazione sarà sempre spontanea. Δ H T Δ G b) Se Δ H > 0 e Δ S < 0 allora sarà ΔG > 0 a qualunque temperatura e quindi la reazione sarà sempre impossibile Δ G Δ H T c) Se Δ H > 0 e Δ S > 0 allora sarà ΔG < 0 a temperatura elevata e quindi la reazione sarà spontanea ad alta temperatura Δ H T Δ G d) Se Δ H < 0 e Δ S < 0 allora sarà ΔG < 0 a temperatura bassa e quindi la reazione sarà spontanea bassa temperatura. Δ H T Esempi 1. Una reazione di sintesi ha ΔH= -90 kj/mol e ΔS= J/mol K. Stabilisci se tale reazione a 400K è spontanea. A quale temperatura ΔG = 0 cioè la variazione di entalpia e di entropia sono uguali? 2. Quale delle seguenti reazioni può avvenire spontaneamente a 300K?

11 a) ΔH= 21 kj/mol e ΔS= J/mol K b) ΔH= -42 kj/mol e ΔS= J/mol K c) ΔH= -95 kj/mol e ΔS= - 64 J/mol K d) ΔH= 37 kj/mol e ΔS= 76 J/mol K 3. In una reazione chimica che avviene a 280 K si ha ΔH =+ 40 kj e ΔS = -120 J/K. Calcola la variazione di energia libera della trasformazione. 4. La reazione 2 CuO (s) + O 2 (g) 2 CuO (s) ha ΔS = -196 J/K e ΔH = -315 kj. Calcola il ΔG della reazione a 300 K. Data la reazione N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) + 92,22 kj Calcola la variazione di energia libera standard (ΔG ) a 25 C sapendo che S N2 = 191,6 J/K mol S H2 = 130,7 J/K mol S NH3 = 192,5 J/K mol In base al primo principio della termodinamica il calore prodotto dalla reazione (92,22 kj) è pari alla diminuzione di entalpia del sistema, quindi ΔH = - 92,22 kj. La variazione di entropia è ΔS = 2 192,5-191, ,7 = 3 8 5,0-191,6-392,1 = -203,7 J/K = - 0,2037kJ/K Ricapitolando : T = 298 K, ΔH = - 92,22 kj, ΔS =-0,2037 kj/k Quindi essendo ΔG = ΔH - T ΔS risulta ΔG = -92, ( - 0,2037) = - 92, ,7026 = - 31,52 kj A 25 C la reazione è spontanea. A quale temperatura le due reazioni sono ugualmente favorite? Deve essere ΔG = 0, quindi ΔH - T ΔS = 0, sostituendo : -92,22 - T ( - 0,2037) = 0 da cui : T ( - 0,2037 ) = -92,22 ; T = (-92,22) / (- 0,2037 ) = 453 K = C ΔG Δ H 180 C T Cosa vuol dire che una reazione è favorita? Vuol dire che, se mettiamo a reagire i reagenti, la reazione procederà fino a trasformarli in maggior parte nei prodotti, una piccola parte non reagisce più. Se invece non è favorita, solo in piccola parte si trasforma nei prodotti, la maggior parte non reagisce più. Purtroppo l intervallo di temperatura in cui la reazione in oggetto sarebbe favorita ha valori così bassi che la reazione sarebbe così lenta da non incominciare affatto. La reazione viene condotta a 450 C ed alla pressione di 1000 atm, in presenza di un catalizzatore. In queste condizioni la velocità di reazione è sufficientemente elevata ma, essendo sfavorita, solo il 15% di reagenti si trasforma. Cap. 17 Gli acidi e le basi pag. 5. Le teorie sugli acidi e sulle basi La ionizzazione dell acqua Il ph e la forza degli acidi e delle basi 310 Grugliasco 11 / 06 / 2014 Il docente di chimica Prof. Mario Lo Presti