Chimica A.A. 2017/2018

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1 Chimica A.A. 2017/2018 INGEGNERIA BIOMEDICA Tutorato Lezione 6

2 Un gas contenuto in una bombola da 5,0 dm 3 esercita una pressione di 2,6 am. Il gas viene quindi compresso in condizioni isoterme fino ad un volume di 2,0 dm 3. Quale sarà la pressione finale nella bombola? Applicando la formula P 1 x V 1 = P 2 x V 2 Si ricava P 2 = (P 1 xv 1 )/V 2 e sostituendo con i dati: P 2 = (2,6 atm x 5,0 dm3)/2,0 dm 3 = 6,5 atm

3 A 20 C e a pressione atmosferica una quantità di gas è contenuta in un volume di 14,0 dm 3 ; esso viene poi fatto espandere in un volume di 25,0 dm 3. Quale sarà la temperatura finale? Applicando la formula V 1 / T 1 = V 2 / T 2 Si ricava T 2 = (T 1 xv 2 )/V 1 T 1 = = 293 K (kelvin) e sostituendo con i dati: T 2 = (293 K x 25,0 dm 3 )/14,0 dm 3 = 523 K Ritornando ai Celsius T 2 = = 250 C

4 Calcola la pressione effettiva esercitata da 1,5 moli biossido di Carbonio contenuto in un volume di 55,0 L a 150 C. Applicando la formula PV = nrt e sostituendo con i dati: P = (1,5 x 0,0821 x 423,15)/55,0 = 0,947 atm

5 Calcola la massa molare di un gas che, alla pressione di 1,5 atm e alla temperatura si 50 C, ha una densità d = 4,01 g/l La densità di un gas viene espressa dalla formula: d =g/v = 4,01g/L Applicando PV = nrt PV = (g/mm) x R x T MM = (g/v) x (RxT)/P e sostituendo con i dati: MM = 4,01x[(0,0821x323,15)/1,5] = 70,925 g/mol

6 Un miscuglio gassoso contiene CO 2 e H 2 O. Si sa che, alla temperatura di 22 C un volume di 1158,7 ml di esso ha P CO2 = 730 torr e P H2O = 19,8 torr. Determinare: a) i volumi parziali di CO 2 e H 2 O; b) le quantità in grammi di CO 2 e H 2 O. T = 295,15 K Pco2 = 730 torr= 730 mmhg= 730/760 atm PH2O= 19,8 torr= 19,8 mmhg = 19,8/760 atm P totale = P CO2 + P H2O = 749,8 torr Calcolo dei volumi parziali dei gas componenti. Nelle formule usiamo l indice per il vapore acqueo e l indice per l anidride carbonica. P1x V1 = P2 x V2 P1 : P2 = V2 : V1 Applico la proprietà del comporre per le proporzioni: (P1 + P2) : P1 = (V2 + V1) : V2 V2(CO2) = (P CO2 x V totale ) / P totale =(730 x 1158,7) / 749,8 =1128,102 ml CO2

7 Calcolo le quantità in grammi dei gas componenti PV = nrt PV = (g R T)/MM g CO2 = 2, 209 g g H2O = 0,022 g

8 In un recipiente vuoto del volume di 850 ml vengono introdotti 250 ml di O 2 misurati a 40 C e 15 atm e 500 ml di CO misurati a 30 C e 20 atm. All'interno del recipiente avviene la seguente reazione: 2CO(g) + O2(g) 2CO2(g) Alla t= 25 C e a reazione terminata, determinare le frazioni molari dei gas all'interno del recipiente e la pressione totale. Convertiamo le temperature in Kelvin: T = t = = 313 K T = t = = 303 K T = t = = 298 K Applichiamo l'equazione di stato dei gas perfetti e determiniamo il numero di moli di O2 introdotte nel recipiente. Da cui: n = (P V) / (R T) Sostituiamo i dati in nostro possesso e determiniamo il numero di moli di O 2 : n (O 2 ) = (P V) / (R T) = (15 0,25) / (0, ) = 0,146 mol Allo stesso modo determiniamo il numero di moli di CO: n (CO) = (P V) / (R T) = (20 0,5) / (0, ) = 0,402 mol All'interno del recipiente avviene la seguente reazione: 2CO(g) + O 2 (g) 2CO2(g) Dai coefficienti stechiometrici della equazione chimica è possibile notare che 2 moli di CO reagiscono con 1 mole di O 2. Per fare reagire completamente 0,146 moli di O 2 sono richieste 0,146 2 = 0,292 moli di CO.

9 Rimangono quindi in eccesso: 0,402-0,292 = 0,110 moli di CO Dalla reazione si formano invece 0,146 2 = 0,292 moli di CO 2. Riassumendo:...2CO(g) +...O2(g)...2CO 2( g) moli iniziali...0, ,146.../ moli consumate/prodotte...-0, , ,292 moli finali...0,110.../...0,292 Il numero di moli totali presenti nel recipiente è: ntot = 0, ,292 = 0,402 mol La frazione molare (X) del componente imo di una miscela di gas è data dal rapporto tra il numero delle moli del componente imo e il numero di moli totali. Ximo = nimo / ntot Determiniamo la frazione molare di CO: XCO = 0,110 / 0,402 = 0,273 Nello stesso modo determiniamo la frazione molare di CO 2 : XCO2 = 0,292 / 0,402 = 0,727 Per determinare la pressione totale esercitata dalla miscela di gas applichiamo l'equazione generale dei gas perfetti: Ptot = (ntot R T) / V = (0,402 0, ) / 0,850 = 11,57 atm

10 La decomposizione del sodio idrogeno solfato avviene secondo la reazione: 2 NaHSO 4(s) Na 2 SO 4(s) + H 2 O (g) + SO 3(g) a cui è associata una variazione di entalpia ΔH = kj. Calcolare la quantità di energia sviluppata se si decompongono 3.60 g di NaHSO 4. La reazione, presentando una variazione negativa di entalpia è esotermica e può essere scritta come: 2 NaHSO 4(s) Na 2 SO 4(s) + H 2 O (g) + SO 3(g) kj Le moli di NaHSO 4 sono pari a 3.60 g/ g/mol = Dai coefficienti stechiometrici si ha che dalla decomposizione di 2 moli di NaHSO 4 si ottengono kj quindi, impostando la proporzione 2 : = : x si ha che dalla decomposizione di moli di NaHSO 4 si ottengono mol x kj/ 2 mol = 3.47 kj

11 L idrazina reagisce con l ossigeno secondo la reazione: N 2 H 4(l) + 3 O 2(g) 2 H 2 O (g) + 2 NO 2(g) a cui è associata una variazione di entalpia ΔH = 400 kj. Calcolare il calore sviluppato se sono stati ottenuti 9.20 g di NO 2(g). La reazione, presentando una variazione negativa di entalpia è esotermica e può essere scritta come: N 2 H 4(l) + 3 O 2(g) 2 H 2 O (g) + 2 NO 2(g) kj Le moli di NO 2 sono quindi pari a 9.20 g /46.0 g/mol = Dai coefficienti stechiometrici si ha che quando si ottengono 2 moli di NO 2(g) si sviluppano 400 kj quindi, impostando la proporzione 2 : 400 = : x si ha che quando si ottengono moli di NO 2 si sviluppano mol x 400 kj/ 2 mol = 40.0 kj Nelle appendici dei libri vengono riportate le entalpie relative ad alcune reazioni come, ad esempio, la reazione: 2 CO (g) + O 2(g) 2 CO 2(g) per la quale ΔH = 566 kj Nella risoluzione degli esercizi si deve tener presente che per la reazione che decorre da destra a sinistra ovvero 2 CO 2(g) 2 CO (g) + O 2(g) la variazione di entalpia ΔH è uguale, in valore assoluto a quella della reazione diretta ma ha segno opposto

12 Il calore di formazione dell acqua è 68,32 kcal/mol mentre quello dell H 2 S è di 5,3 Kcal/mol; calcola la quantità di calore prodotto nella formazione di una tonnellata di Zolfo secondo reazione: H 2 S + ½ O 2 H 2 O + S Applicando il principio di additività ΔH = Σ ΔH prodotti Σ ΔH reagenti = 68,32 ( 5,3) = 63,02 Kcal/mol 63,02 Kcal/mol necessarie per produrre una mole di zolfo, ma in una tonnellata di Zolfo ci sono: n = m/pm = 10 6 / 32 moli Quindi il valore necessario è Q = 63.02/32 * 10 6 = 1, kcal

13 Calcolare il valore di ΔH per la reazione: P 4 O 10 (s) + 6 PCl 5(g) 10 Cl 3 PO (g) Avvalendosi dei seguenti dati: a) P 4(s) + 6 Cl 2(g) 4 PCl 3(g) ΔH = kj b) P 4(s) + 5 O 2(g) P 4 O 10(s) ΔH = kj c) PCl 3(g) + Cl 2(g) PCl 5(g) ΔH = 84.2 kj d) PCl 3(g) + ½ O 2(g) Cl 3 PO (g) ΔH = kj Sappiamo che P 4 O 10 deve trovarsi a sinistra pertanto consideriamo la reazione (b) da destra a sinistra. Ovviamente il segno della variazione standard di entalpia cambierà di segno: P 4 O 10(s) P 4(s) + 5 O 2(g) ΔH = kj Sappiamo inoltre che PCl 5 deve trovarsi anch esso a sinistra pertanto consideriamo la reazione (c) da destra a sinistra. Ovviamente il segno della variazione standard di entalpia cambierà di segno: PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl 2(g) ΔH = kj

14 Poiché nella reazione di cui dobbiamo calcolare il valore di ΔH il coefficiente stechiometrico della specie PCl 5 è pari a 6 moltiplichiamo la reazione per 6 includendo nel computo anche ΔH 6 PCl 5(g) 6PCl 3(g) +6 Cl 2(g) ΔH = kj Il coefficiente della specie Cl 3 PO è 10 pertanto moltiplichiamo la reazione (d) per 10: 10 PCl 3(g) + 5 O 2(g) 10 Cl 3 PO (g) ΔH = 2857 kj Riscriviamo le quattro equazioni dopo le modifiche apportate: a) P 4(s) + 6 Cl 2(g) 4 PCl 3(g) ΔH = kj b) P 4 O 10(s) P 4(s) + 5 O 2(g) ΔH = kj c) 6 PCl 5(g) 6PCl 3(g) +6 Cl 2(g) ΔH = kj d) 10 PCl 3(g) + 5 O 2(g) 10 Cl 3 PO (g) ΔH = 2857 kj

15 Sommiamo membro a membro le quattro equazioni così come le rispettive entalpie: P 4(s) +6 Cl 2(g) P 4 O 10(s) +6 PCl 5(g) +10 PCl 3(g) +5 O 2(g) 4 PCl 3(g) +P 4(s) +5 O 2(g) +6PCl 3(g) +6 Cl 2(g) +10 Cl 3 PO (g) Semplifichiamo P 4(s) a destra e a sinistra così come Cl 2(g) e O 2(g) e PCl 3(g) e otteniamo la reazione: P 4 O 10 (s) + 6 PCl 5(g) 10 Cl 3 PO (g) per la quale ΔH = = kj

16 Calcolare il valore di ΔH per la reazione: 2 Al (s) + 3 Cl 2(g) 2 AlCl 3(s) Avvalendosi dei seguenti dati: a) 2 Al (s) + 6 HCl (aq) 2 AlCl 3(aq) + 3 H 2(g) ΔH = 1049 kj b) HCl (g) HCl (aq) ΔH = 74.8 kj c) H 2(g) + Cl 2(g) 2 HCl (g) ΔH = 185 kj d) AlCl 3(s) AlCl 3(aq) ΔH = 323 kj Esaminiamo le quattro equazioni: l equazione a) rimane invariata in quanto compare 2 Al (s) che è presente nella reazione di cui si vuole calcolare il ΔH ; l equazione b) deve essere moltiplicata per 6 in modo che si abbia 6 HCl (a) : 6 HCl (g) 6 HCl (aq) ΔH = kj L equazione c) deve essere moltiplicata per 3 in modo che si abbia 3 Cl 2(g) : 3 H 2(g) + 3 Cl 2(g) 6 HCl (g) ΔH = 555 kj L equazione d) deve essere considerata da destra a sinistra e moltiplicata per 2 in modo che si abbia 2 AlCl 3(s) a destra: 2 AlCl 3(aq) 2 AlCl 3(s) ΔH = kj

17 Riscriviamo le quattro equazioni dopo le modifiche apportate: a) 2 Al (s) + 6 HCl (aq) 2 AlCl 3(aq) + 3 H 2(g) ΔH = 1049 kj b) 6 HCl (g) 6 HCl (aq) ΔH = kj c) 3 H 2(g) + 3 Cl 2(g) 6 HCl (g) ΔH = 555 kj d) 2 AlCl 3(aq) 2 AlCl 3(s) ΔH = kj Sommiamo membro a membro le quattro equazioni così come le rispettive entalpie: 2 Al (s) + 6 HCl (aq) + 6 HCl (g) + 3 H 2(g) + 3 Cl 2(g) + 2 AlCl 3(aq) 2 AlCl 3(aq) + 3 H 2(g) + 6 HCl (aq) +2 AlCl 3(s) Semplifichiamo 6 HCl (aq) a destra e a sinistra così come 6 HCl (s) e 2 AlCl 3(aq) e otteniamo la reazione: 2Al (s) + 3 Cl 2(g) 2 AlCl 3(s) per la quale ΔH = = kj