COMPITO A DI CHIMICA DEL 13-02-12 1A) Un campione impuro di bromito di potassio, del peso di 2,19 g, viene trattato in eccesso di acido solforico con del bicromato di potassio, ottenendo bromato di potassio e 1,48 g di solfato di cromo(iii). Bilanciare la reazione con il metodo ionico-elettronico, e calcolare il grado di purezza del campione iniziale. KBrO 2 + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 KBrO 3 + Cr 2 (SO 4 ) 3 BrO 2 - + H 2 O BrO 3 - + 2 e - + 2 H + x 3 Cr 2 O 7 2- + 6 e - + 14 H + 2 Cr 3+ + 4 H 2 O 3 BrO 2 - + Cr 2 O 7 2- + 8 H + 3 BrO 3 - + 2 Cr 3+ + 4 H 2 O 3 KBrO 2 + K 2 Cr 2 O 7 + 4 H 2 SO 4 3 KBrO 3 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + 4 H 2 O n[cr 2 (SO 4 ) 3 ] = g / PM(392,18 g/mol) = 1,48 g / 392,18 g/mol = 3,77 10-3 mol = n(kbro 2 ) = n[cr 2 (SO 4 ) 3 ] 3 = 1,13 10-2 mol g(kbro 2 ) = n(kbro 2 ) PM(151,00 g/mol) = 1,72 g % p = (1,72 g/2,19 g) 100 = 78,5 % 2A) Si abbiano a disposizione due recipienti: nel recipiente A sono contenuti 200 g di acqua pura, in quello B è contenuto fruttosio (C 6 H 12 O 6 ) disciolto in 200 g di acqua. In entrambi i recipienti vengono disciolte 4 zollette di saccarosio (C 12 H 22 O 11 ) da 6,0 g l una. La temperatura di congelamento delle due soluzioni è rispettivamente di - 0,65 C per la soluzione in A e di - 1,74 C per la soluzione in B. Calcolare quanti grammi di fruttosio sono disciolti in B. In entrambe le soluzioni sono presenti 24,0 g di saccarosio. mm(sacc)= 342,3 g/mol Sono quindi presenti n A (sacc)= n B (sacc)= (24,0/342,3) mol = 7,01 x 10-2 mol moli di saccarosio. La molalità del saccarosio è quindi m A (sacc)= m B (sacc)= 7,01 x 10-2 mol / 0,2000 kg = 0,354 mol/kg Dall abbassamento crioscopico della soluzione A si può ricavare la costante crioscopica dell acqua: K cr = t B / m A (sacc) = 0,65/0,354 C kg /mol = 1,84 C Kg /mol Per la soluzione B vale quindi: m B (totale) = m B (sacc) + m B (frutt)= t B / K cr = 1,74 / 1,84 mol / kg = 0,946 mol/kg da cui m B (frutt) = (0,946-0,354) mol / kg= 0,592 mol / kg Conoscendo mm(frutt) = 180,16 g/mol si ricava che nella soluzione B sono disciolti 0,592 mol/kg x 0,200 kg x 180,16 g/mol = 21,3 g di fruttosio 3A) Calcolare il volume di metano (misurato in condizioni standard) che produce, per combustione, lo stesso calore prodotto dalla combustione di 1,5 L di C 3 H 7 OH (d = 0,80 kg/l). L entalpie molari di combustione del carbonio e dell idrogeno valgono rispettivamente: - 393,5 kj/mol e - 285,8 kj/mol;
l entalpie molari di formazione di C 3 H 7 OH e del metano valgono rispettivamente: - 302,6 kj / mol e -74,4 kj/ mol. C 3 H 7 OH + 9/2 O 2 3CO 2 + 4H 2 O C + O 2 CO 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O 3C + 4H 2 +1/2 O 2 C 3 H 7 OH H co (C) = - 393,5 kj/mol H co (H 2 ) = -285,8 kj/mol H 0 f(c 3 H 7 OH) = -302,6 kj/mol H co (C 3 H 7 OH) = 3 H co (C) + 4 H co (H 2 ) - H 0 f(c 3 H 7 OH) = 3 (- 393,5)+ 4 (- 285,8) (- 302,6) kj / mol = = - 2021,1 kj / mol massa C3H7OH = d V = 0,80 kg / L 1,5 L = 1,2 kg n C3H7OH = 1200 g / 60,1 g / mol = 20 mol Il calore prodotto dalla combustione di 20 mol di C 3 H 7 OH è : Q = H co (C 3 H 7 OH) n C3H7OH = = 2021,1 kj mol -1 20 mol = 40422 kj CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O H co (CH 4 ) = H co (C) + 2 H co (H 2 ) - H 0 f(ch 4 ) = - 393,5+ 2 (- 285,8) (- 74,4) = - 890,7 kj /mol n CH4 = Q / H co (CH 4 ) = 40422 kj / 890,7 kj mol -1 = 45,4 mol V = nrt / P = 45,4 mol 0,0821 L atm K -1 mol -1 298,16/ 1 atm = 1110,9 L 4A) Del bromuro di sodio è gradualmente aggiunto ad una soluzione di volume 1 litro che è 1,00 10-4 M in Cu + e 1,00 10-4 M in Ag +. Determinare: (a) Quale composto precipiterà per primo. (b) La concentrazione di ioni Ag + quando CuBr inizia a precipitare. (c) Quanti grammi di bromuro di sodio sono stati aggiunti in totale alla soluzione nella condizione (b). [K ps (AgBr) = 7,7 10-13, K ps (CuBr) = 4,2 10-8 ] (a) Si ha precipitazione quando la concentrazione di Br- in soluzione è tale da verificare una delle due condizioni: [Ag + ][Br - ]=K ps (AgBr) [Cu + ][Br - ]=K ps (CuBr) Dato che le concentrazioni iniziali di [Ag+] e [Cu+] sono le stesse precipita per primo il composto con K ps minore, ossia AgBr. (b) CuBr inizia a precipitare quando la concentrazione di Br - in soluzione verifica la condizione: [Br - ]* = K ps (CuBr) / [Cu + ] = 4,2 10-8 / 1.00 10-4 M = 4,2 10-4 M La concentrazione di Ag + in queste condizioni sarà: [Ag + ]*=K ps (AgBr)/ [Br - ]* = 7,7 10-13 / 4,2 10-4 M = 1,83 10-9 M (c) Le moli di Br- aggiunte in totale saranno: n(br-) aggiunte = n(nabr) aggiunte = n(br-) soluzione + n(br-) AgBr precipitato = 4,2 10-4 mol + (1,00 10-4 - 1,83 10-9 ) = = 5,2 10-4 mol mm(nabr) = 102,9 g/mol In tutto sono stati quindi aggiunti 5,2 10-4 mol 102,9 g/mol = 5,35 10-2 grammi di NaBr. 5A) Calcolare i grammi di idrossido di sodio da aggiungere a 2,5 L di una soluzione acquosa di acido (orto)fosforico avente concentrazione 8,0 10-2 mol/l per preparare una soluzione tampone a ph = 11,9. [K a3 (acido fosforico) = 4,4 10-13 ].
H 3 PO 4 + H 2 O H 2 PO 4 - + H 3 O + H 2 PO 4 - + H 2 O HPO 4 2- + H 3 O + HPO 4 2- + H 2 O PO 4 3- + H 3 O + Per trasformare quantitativamente H 3 PO 4 in HPO 4 2- è necessaria una concentrazione di NaOH: [NaOH] = 2 8,0 10-2 = 1,6 10-1 M. Per calcolare la quantità di NaOH necessaria a trasformare HPO 4 2- in PO 4 3- per avere ph =11,9 si utilizza la terza dissociazione dell acido fosforico: 2- HPO 4 3- + H 2 O PO 4 + H 3 O + 8,0 10-2 8,0 10-2 - x x 1,26 10-12 K a3 = x 1,26 10-12 / (8,0 10-2 - x) x / (8,0 10-2 - x)= 4,4 10-13 / 1,26 10-12 = 0,35 x = 2,8 10-2 0,35 x x = 2,07 10-2 M La concentrazione di NaOH necessaria è : 1.6 10-1 + 2.07 10-2 = 0.181 mol L -1. Le moli sono 0,181 mol L -1 2,5 L = 0,452 mol I grammi di NaOH sono: 0,452 mol 40 g mol -1 = 18,1 g 6A) Si calcoli, a 25 C, la f.e.m della seguente pila: ( ) ( = ) ( ),, ( ) ( = ) noto, alla stessa temperatura, il valore della costante di dissociazione dell ammoniaca (K b =1,8 10 5 ). Definire inoltre la polarità degli elettrodi. [NH 4 + ] = 2,0 10 3 M + + = =1,05 10 =1,0 10 M 2 +2 +2 = +0,059 log E Sx = 0,353 V = E + E Dx = 0,413 V = E E = 0,353 + 0,413 = 0,060 V COMPITO B DI CHIMICA DEL 13-02-12 1B) Un campione impuro di clorito di potassio, del peso di 12,23 g, viene trattato in eccesso di acido solforico con del bicromato di potassio, ottenendo clorato di potassio e 10,52 g di solfato di cromo(iii). Bilanciare la reazione con il metodo ionico elettronico e calcolare il grado di purezza del campione iniziale. KClO 2 + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 KClO 3 + Cr 2 (SO 4 ) 3 ClO - 2 + H 2 O ClO - 3 + 2 e - + 2 H + x 3 Cr 2 O 2-7 + 6 e - + 14 H + 2 Cr 3+ + 4 H 2 O 3 ClO 2 - + Cr 2 O 7 2- + 8 H + 3 ClO 3 - + 2 Cr 3+ + 4 H 2 O
3 KClO 2 + K 2 Cr 2 O 7 + 4 H 2 SO 4 3 KClO 3 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + 4 H 2 O n[cr 2 (SO 4 ) 3 ] = g / PM(392,18 g/mol) = 10,52 g / 392,18 g/mol = 2,68 10-2 mol = n(kclo 2 ) = n[cr 2 (SO 4 ) 3 ] 3 = 8,05 10-2 mol g(kclo 2 ) = n(kclo 2 ) PM(106,55 g/mol) = 8,57 g % p = (8,57 g/12,23 g) 100 = 70,1 % 2B) Si abbiano a disposizione due recipienti: nel recipiente A sono contenuti 150 gr di acqua pura, in quello B è contenuto lattosio (C 12 H 22 O 11 ) disciolto in 150 gr di acqua. In entrambi i recipienti vengono disciolti 22,0 grammi di glucosio (C 6 H 12 O 6 ). La temperatura di ebollizione delle due soluzioni è rispettivamente di 100,42 C per la soluzione in A e di 100,58 C per la soluzione in B. Calcolare quanti grammi di lattosio sono disciolti in B. Soluzione In entrambe le soluzioni sono presenti 22,0 g di glucosio, mm(gl)= 180,2 g/mol Sono quindi presenti n A (gl) = n B (gl)= 22,0/180,2 mol = 0,122 mol moli di glucosio, La molalità dell glucosio è quindi m A (gl) = m B (gl) = 0,122 mol / 0,15 kg = 0,81 mol/kg Dall innalzamento ebullioscopico della soluzione A si può ricavare la costante ebullioscopica dell acqua: K eb = t A / m A (gl) = 0,42/0,81 C Kg /mol = 0,52 C kg /mol Per la soluzione B vale quindi: m B (totale) = m B (gl) + m B (lat) = t B / K eb = 0,58 / 0,52 mol / kg = 1,12 mol / kg da cui m B (Lat) = (1,12 0,81) mol/kg = 0,31 mol/kg Conoscendo mm(lat) = 342,3 g/mol si ricava che nella soluzione B sono disciolti 0,31 mol/kg x 0,150 kg x 342,3 g/mol = 16 g di lattosio 3B) Calcolare i grammi di butano (C 4 H 10 ) che producono, per combustione, lo stesso calore prodotto dalla combustione di 2,5 L di etanolo (C 2 H 5 OH, d = 0,789 kg/l -1 ). L entalpie molari di combustione del carbonio e dell idrogeno valgono rispettivamente: -393,5 kj/mol e -285,8 kj/mol; l entalpie molari di formazione del butano e dell etanolo valgono rispettivamente: -126,14 kj/mol e -277,69 kj/mol. C 2 H 5 OH + 3O 2 2CO 2 + 3H 2 O C + O 2 CO 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O 2C + 3H 2 +1/2 O 2 C 2 H 5 OH H co (C) = - 393,5 kj / mol H co (H 2 ) = -285,8 kj / mol H 0 f(c 2 H 5 OH) = -277,69 kj / mol H co (C 2 H 5 OH) = 2 H co (C) + 3 H co (H 2 ) - H 0 f(c 2 H 5 OH) = 2 (- 393.5)+ 3 (- 285.8) (- 277,69) kj / mol = = - 1366,71 kj / mol massa C2H5OH = d V = 0,789 kg L -1 2,5 L = 1,973 kg n C2H5OH = 1973 g / 46,07 g mol -1 = 42,82 mol Il calore prodotto dalla combustione di 42,82 mol di C 2 H 5 OH è : Q = H co (C 2 H 5 OH) n C2H5OH = = 1366,71 kj mol -1 42,82 mol = 58516 kj C 4 H 10 + 13/2 O 2 4CO 2 + 5H 2 O H co (C 4 H 10 ) = 4 H co (C) + 5 H co (H 2 ) - H 0 f(c 4 H 10 ) = 4(- 393.5)+ 5(-285,8) (-126,14) = -2876,9 kj mol -1
n C4H10 = Q / H co (C 4 H 10 ) = 58516 kj / 2876,9 kj / mol = 20,34 mol massa butano = 20,34 mol 58,13 g mol -1 = 1182,4 g 4B) Del cloruro di sodio è gradualmente aggiunto ad una soluzione di volume 1 litro che è 1,00 10-2 M in Cu + e 1,00 10-2 M in Tl +. Determinare: (a) Quale composto precipiterà per primo. (b) La concentrazione di ioni Cu + quando TlCl inizia a precipitare. (c) Quanti grammi di cloruro di sodio sono stati aggiunti in totale alla soluzione nella condizione (b). [Kps(CuCl) = 1,0 10-6, Kps(TlCl) = 2,7 10-4 ] (a) Si ha precipitazione quando la concentrazione di Cl - in soluzione è tale da verificare una delle due condizioni: [Tl + ][Cl - ]=Kps(TlCl) [Cu + ][Cl - ]=Kps(CuCl) Dato che le concentrazioni iniziali di [Tl + ] e [Cu + ] sono le stesse precipita per primo il composto con Kps minore, ossia CuCl. (b) TlCl inizia a precipitare quando la concentrazione di Cl - in soluzione verifica la condizione: [Cl - ]=Kps(TlCl) / [Tl + ] = 2,7 10-4 / 1,00 10-2 M = 2,7 10-2 M La concentrazione di Cu + in queste condizioni sarà: [Cu + ]=Kps(CuCl)/ [Cl - ] = 1,0 10-6 / 2,7 10-2 M = 3,70 10-5 M (c) Le moli di Cl- aggiunte in totale saranno: n(cl-) aggiunte = n(nacl) aggiunte = n(cl-) soluzione + n(cl-) CuCl precipitato = 2,7 10-2 mol + (1,00 10-2 - 3,70 10-5 ) = 3,7 10-2 mol mm(nacl) = 58,4 g/mol In tutto sono stati quindi aggiunti 3,7 10-2 mol 58,4 g/mol = 2,17 grammi di NaCl. 5B) Calcolare i grammi di idrossido di potassio da aggiungere a 7,0 L di una soluzione acquosa di acido (orto)arsenico avente concentrazione 4,0 10-2 mol/l per preparare una soluzione tampone a ph = 11,2. [K a3 (acido arsenico) = 3,2 10-12 ]. H 3 AsO 4 + H 2 O H 2 AsO 4 - + H 3 O + H 2 AsO 4 - + H 2 O HAsO 4 2- + H 3 O + HAsO 4 2- + H 2 O AsO 4 3- + H 3 O + Per trasformare quantitativamente H 3 AsO 4 in HAsO 4 2- è necessaria una concentrazione di KOH = 2 4,0 10-2 = 8,0 10-2 mol L -1 Per calcolare la quantità di KOH necessaria a trasformare HAsO 4 2- in AsO 4 3- per avere ph =11,2 si utilizza la terza dissociazione dell acido arsenico: 2- HAsO 4 3- + H 2 O AsO 4 + H 3 O + 4,0 10-2 4,0 10-2 -x x 6,31 10-12 K a3 = x 6,31 10-12 /(4,0 10-2 -x) x/(4,0 10-2 -x)= 3,2 10-12 /6,31 10-12 = 0,51
x = 2,03 10-2 0,51 x x = 1,34 10-2 M La concentrazione di KOH necessaria è : 8,0 10-2 + 1,34 10-2 = 9,34 10-2 Le moli sono 9,34 10-2 M 7,0 L = 0,654 mol I grammi di KOH sono: 0,654 mol 56,1 g mol -1 = 36,7 g M 6B) Si calcoli, a 25 C, la f.e.m della seguente pila: ( ) ( = ) ( ),, ( ) ( = ) noto, alla stessa temperatura, il valore della costante di dissociazione dell acido acetico (K a =1,8 10 5 ). Definire inoltre la polarità degli elettrodi. [CH 3 CO 2 ] = 2,0 10 2 M + + =3,0 10 = =3,33 10 =1,0 10 2 +2 +2 = +0,059 log E Sx = 0,503 V = E E Dx = 0,413 V = E + E = 0,413 + 0,503 = 0,090 V