ESAME DI CIMICA 19/09/12 1) Cosa si intende con il termine orbitale atomico? L orbitale è una superficie immaginaria che racchiude il 95% di probabilità di trovare un elettrone. 2) Calcolare il p risultante dalla miscela di 0.8 litri di una soluzione 0.8 M di acido nitrico (NO 3 ) con 0.6 litri di una soluzione 0.6 M di Idrossido di Sodio (NaO ). Calcoliamo le moli di + e O- per vedere chi è in eccesso. Poiché sia acido nitrico che idrossido di sodio sono monoprotici, le moli di + e O- corrispondono alle moli del composto: mol + = 0.8 (mol/l) x 0.8 (L) = 0.64 mol mol O- = 0.6 (mol/l) x 0.6 (L) = 0.36 mol C è quindi un eccesso di moli di + corrispondenti a: mol + = 0.64-0.36 = 0.28 mol Queste moli corrispondono ad una concentrazione di: [+] = 0.28 (mol)/vol. tot (L) = 0.28 / (0.6+0.8) = 0.2 M Sapendo che p = - Log[+] = 0.7 3)Una soluzione satura di idrossido di manganese (II) (Mn(O) 2 ) ha p=9.87, calcolare il K PS. Consideriamo la reazione di dissoluzione del biossido di manganese legata al Kps: Mn(O) 2 Mn 2+ + 2 O - Da qui: Kps = [Mn 2+ ][O - ] 2 Poiché possediamo il valore di p, questo ci fornirà la concentrazione di ioni O- presenti all equilibrio: po = 14-p = 4,13 poiché po = -Log[O-] ricaviamo : [O - ] = 10 -po = 7.41x10-5 M Dalla reazione di dissoluzione deduciamo che la concentrazione di ioni Mn 2+ è la metà di quelli O -. Quindi: [Mn 2+ ] = [O - ]/2 = 3.71 x10-5 M Ora possiamo finalmente sostituirle nel Kps: Kps = [Mn 2+ ][O - ] 2 = 3.71 x10-5 (7.41x10-5 ) 2 = 2.035x10-13 4) Bilanciare la reazione di ossidoriduzione VO 2+ (aq) + Mo(s) --> V 3+ (aq) + MoO 4 2- (aq) sapendo che i potenziali standard di riduzione delle specie sono: E (VO 2+ (aq)/v 3+ (aq))=+0.34 V, E (MoO 4 2- (aq)/mo(s))=+0.11 V a) Calcolare il potenziale di cella b) Schematizzare la pila basata sulla reazione c) Calcolare il volume necessario (in litri) di soluzione 2 M di VO 2+ (aq) per produrre 2 g di MoO 4 2- (aq) d) Calcolare il lavoro elettrico ottenuto dalla reazione delle quantità del punto precedente. Il vanadio passa da +4 a +3, mentre Mo passa da 0 a +6: VO 2+ + e - V 3+ Ora bilanciamo anche gli ossigeni, utilizzando + e acqua: 2 + + VO 2+ + e - V 3+ + 2 O passiamo al molibdeno: Mo MoO 4 2- + 6e - Anche qui bilanciamo aggiungendo acqua e +: 4 2 O + Mo MoO 4 2- + 6e - + 8 + Poiché il molibdeno produce 6 elettroni mentre il vanadio ne consuma 1, moltiplichiamo per 6 la semireazione del vanadio e sommiamola: 12 + + 6VO 2+ + 6e - + 4 2 O + Mo 6V 3+ + 6 2 O + MoO 4 2- + 6e - + 8 + Semplifichiamo le specie presenti a destra e a sinistra dell equazione: 4 + + 6VO 2+ + Mo 6V 3+ + 2 2 O + MoO 4 2- a) Il potenziale è 0.34 0.11 = 0.23 V
b) E presente un elemento metallico nello stato di ossidazione zero, quindi può fungere da elettrodo e - V ponte salino Elettrodo di Pt Elettrodo di Mo VO 2+, V 3+, + MoO 4 -, + c)per effettuare questo calcolo dobbiamo trovare le moli di molibdato dopo aver calcolato il suo peso molecolare: PM(MoO 4 2- ) = 95.96 + 16x4 = 159.96 g/mol Mol: 2 (g) / 159.96 (g/mol) = 0.0125 mol Dall equazione bilanciata ricaviamo le moli di vanadile impostando la seguente proporzione: mol VO 2+ : mol MoO 4 2- = 6 : 1 da cui mol VO 2+ = mol MoO 4 2- x 6 = 0.075 mol Poiché la concentrazione della soluzione di vanadile è 2 mol/l ricaviamo il volume in litri di soluzione da utilizzare: V (L) = 0.075 (mol) / 2 (mol/l) = 0.037 L d) L = 0.075x96500x0.23 = 1664 J 5) Calcolare il p di una soluzione ottenuta sciogliendo 33.7g di etilammina (C 2 5 N 2 ) in 2.2 litri di acqua. Kb=4.7x10-4. Calcoliamo il peso molecolare dell etilammina: PM = 12x2+7+14 = 45 g/mol Calcoliamo le moli di etilammina presenti in 33.7 grammi: mol etilammina: 33.7 (g)/ 45 (g/mol) = 0.749 mol Poiché siamo interessati alla concentrazione Cb della base calcoliamo la molarità: M etilammina: 0.749 / 2.2 = 0.34 M Utilizziamo la formula approssimata per il calcolo degli ioni idrossile: [O - ] = (KbCb) = 0.013 M Da cui: po = -Log[O-] = 1.90 p = 14 p = 12.1 6) Scrivere le strutture dei composti CCl 4, AlF 3, SF 6 giustificandone legami, geometrie e polarità in base alle configurazioni elettroniche. (si indicano solo i risultati per brevità, si rimanda alla teoria del corso per uno svolgimento completo) CCl 4 struttura covalente tetraedrica, AlF 3 ionico, SF 6 struttura covalente ottaedrica 7) Scrivere le reazioni che avvengono per dissoluzione dei seguenti composti in acqua e classificare le soluzioni risultanti come acide, basiche o neutre. Be(O) 2, 2 S, cloruro di calcio, SO 2 Be(O) 2 Be 2+ + 2 O BASICA 2 S + + S -, S - + + S 2- ACIDA CaCl 2 Ca 2+ + 2Cl - NEUTRA SO 2 + 2 O 2 SO 3, 2 SO 3 + + SO - 3, ACIDA 8) Completare le seguenti reazioni giustificando, attraverso le configurazioni elettroniche e le proprietà degli elementi, i prodotti che si formano (alcune reazioni potrebbero portare alla formazione di più prodotti). B + 2, Be + O 2, I 2 + 2, Cl 2 + Mg (si riportano solo i risultati, per uno svolgimento completo si faccia riferimento alla parte di teoria) B 3 covalente, struttura trigonale planare
BeO ionico I covalente MgCl 2 ionico 9) Calcolare il valore approssimato dell'entalpia della seguente reazione (bilanciare) b) Indicare se la reazione è endo o esotermica: C 2 6 + O 2 --> CO 2 + 2 O utilizzando le seguenti energie di legame: C-C 94.0 kcal/mol, C- 105.1 kcal/mol, N- 93.54 kcal/mol, NN 225 kcal/mol, C=O 127.2 kcal/mol, O- 119 kcal/mol, - 104.3 kcal/mol, O=O 119.2 kcal/mol Bilanciamo la reazione: C 2 6 + 7/2 O 2 --> 2CO 2 + 3 2 O Ora calcoliamo il numero e il tipo di legami presenti nelle molecole: L etano contiene un legame C-C e 6 legami C- L ossigeno contiene un legame doppio O=O L anidride carbonica contiene 2 legami doppi C=O L acqua contiene 2 legami O- Calcoliamo l energia necessaria (da spendere) per atomizzare i reagenti: E1 = E(C-C) + 6 E(C-) + 7/2 (E(O=O)) = 1141.8 kcal/mol Calcoliamo l energia ceduta dalla formazione dei legami dei prodotti: E2 = 2(2E(C=O)) + 3(2E(O-)) = 1222.8 Ora, per la convenzione dei segni, l energia ceduta assume segno negativo, l energia totale della reazione sarà quindi: E1-E2 = -81 kcal/mol 10) Dire a che classe appartengono i seguenti composti organici: C 3 8, C 3 COO, C 2 5 O Alcani, acidi, alcoli 11) Sapendo che 35 Cl è un isotopo stabile, prevedere il decadimento dei seguenti isotopi: 36 Cl, 32 Cl. Il cloro-36 ha un eccesso di neutroni, mentre il cloro-32 ha un difetto di neutroni (corrispondente ad un eccesso di protoni). Prevediamo quindi un decadimento di tipo beta meno (np + + e - ) per l isotopo 36 e beta più (p+ n + e + ) per l isotopo 32: ν 36 Cl 36 Ar + β - + e 32 Cl 36 S + β + + ν e
ESAME DI CIMICA 19/09/12 1) Da cosa sono costituiti i raggi alfa, beta e beta+? I raggi elencati sono particelle accelerate, rispettivamente: nuclei di elio, elettroni e positroni 2) Calcolare il p risultante dalla miscela di 0.8 litri di una soluzione 0.5 M di acido solforico ( 2 SO 4 ) con 0.6 litri di una soluzione 0.5 M di idrossido di bario (Ba(O) 2 ). Calcoliamo le moli di + e O-: mol + = 2x0.8x0.5 = 0.8 mol mol O- = 2*0.6*0.5 = 0.6 mol C è un eccesso di 0.8-0.6 = 0.2 mol + La concentrazione di + finale sarà data dalle moli diviso il volume totale: [+] = 0.2/1.4 = 0.14 M p = -Log[+]= 0.84 3) Calcolare la solubilità in g/l del sale manganese(ii) idrossido avente K PS =2x10-13 in acqua pura. Calcolare la solubilità dello stesso sale in presenza di una concentrazione 0.13 M di ioni Mn 2+ Determiniamo il rapporto tra il Kps e la solubilità molare dalla stechiometria del sale: Mn(O)2 -> Mn 2+ + 2 O- Kps=4S 3 S=(Kps/4) 1/3 = 3.68x10-5 M La solubilità in g/l la otteniamo moltiplicando per il peso formula del manganese idrossido: 3.68x10-5 (mol/l) x 58.32 (g/mol)= 2.15x10-3 g/l -effetto ione comune: Mn(O) 2 -> Mn 2+ + 2 O - t eq 0.13+X 2X Consideriamo trascurabile la quantità di Mn 2+ derivata dalla dissociazione del sale poco solubile rispetto a quella presente in soluzione (prima avevamo visto che in acqua pura è inferiore di 4 ordini di grandezza) cioè consideriamo 0.13+X = 0.13 Kps = [Mn 2+ ][ O - ] 2 = 0.13(2X) 2 x = (Kps/0.52) = 6.20x10-7 M Come prevedibile la solubilità del sale diminuisce a causa della compresenza degli ioni manganese. 4) Bilanciare la reazione di ossidoriduzione Ta(s) + Eu 3+ (aq) --> Ta 2 O 5 (s) + Eu 2+ (aq) sapendo che i potenziali standard di riduzione delle specie sono: E (Ta 2 O 5 (s)/ta(s))=-0.75 V, E (Eu 3+ (aq)/eu 2+ (aq))=-0.35 V a) Calcolare il potenziale di cella b) Schematizzare la pila basata sulla reazione c) Calcolare la quantità (in g) necessaria di Ta(s) per produrre 5 mol di Eu 2+ (aq) d) Calcolare il lavoro elettrico ottenuto dalla reazione delle quantità del punto precedente. -svolgimento Ta passa da 0 a +5 mentre Eu da +3 a +2 2Ta +5 2 O Ta 2 O 5 + 10e - + 10 + Eu 3+ + e - Eu 2+ Moltiplico per 10 la seconda semireazione e sommo: 2Ta +5 2 O + 10 Eu 3+ + 10e - Ta 2 O 5 + 10e - + 10 + + 10Eu 2+ La reazione risulta così bilanciata sia per carica che per massa a) fem = 0.75-0.35 = 0.40 V b) la pila presenta un elettrodo di Ta e uno di Pt
V e - ponte salino Elettrodo di Pt Elettrodo di Ta Eu 2+, Eu 3+ Ta 2 O 5, + c) Dalla reazione bilanciata abbiamo che mol Ta : mol Eu 2+ = 2 : 10 da cui mol Ta = mol Eu 2+ / 5 = 1 mol Ta Poichè PA(Ta) = 180.95 g/mol g(ta) = 180.95 (g/mol) x 1 (mol) = 181 g d) L=nFE = 5x96500x0.40=193 kj 5) Calcolare il p di una soluzione ottenuta sciogliendo 16.6g di dimetilammina ((C 3 ) 2 N ) in 2.5 litri di acqua. Kb=5.1x10-4. Svolgimento: PM(dimetilammina) = 45 g/mol Cb = (16.6/45)/2.5 = 0.15 M [O - ] = (Kb Cb) = 8.75x10-3 M po = -Log[O - ] = 2.06 p = 14-pO = 11.9 6) Scrivere le strutture dei composti 2 SO 4, C 3 Cl, B 3 giustificandone legami, geometrie e polarità in base alle configurazioni elettroniche. O S O O O geom. tetraedrica C Cl geom. tetraedrica B trigonale planare polare polare non polare 7) Scrivere le reazioni che avvengono per dissoluzione dei seguenti composti in acqua e classificare le soluzioni risultanti come acide, basiche o neutre. 3 PO 4, 2 CO 3, CaCO 3, ossido di sodio 3 PO 4 + - - + 2 PO 4, 2 PO 4 + 2-2- + PO 4, PO 4 + + PO 3-4 ACIDA 2 CO 3 + - - + CO 3, CO 3 + 2- + CO 3 ACIDA CaCO 3 Ca 2+ 2-2- + CO 3, CO 3 + 2 O CO - 3 + O -, CO - 3 + 2 O 2 CO 3 + O - BASICA 8) Completare le seguenti reazioni giustificando, attraverso le configurazioni elettroniche e le proprietà degli elementi, i prodotti che si formano (alcune reazioni potrebbero portare alla formazione di più prodotti). S + O 2, Ca + F 2, Cl 2 + 2 S + O 2 SO 2 S + 3/2 O 2 SO 3 Ca + F 2 CaF 2 9)Calcolare l'energia libera della reazione (da bilanciare) a 445 C e dire se la reazione è spontanea :
N 2 4 (g) --> N 2 (g) + 2 (g) Conoscendo i valori di entalpie standard di formazione f (N 2 4 (g))=+95.19 kj/mol e entropie S (N 2 4 (g))=+238.66 J/molK, S (N 2 (g))=+0.1915 kj/molk, S ( 2 (g))=+0.1306 kj/molk Calcolare inoltre il valore della costante di equilibrio a 317 K. Bilanciamo la reazione: N 2 4 (g) --> N 2 (g) + 2 2 (g) Per calcolare l energia libera ( G) della reazione applichiamo la seguente relazione: G= -T S Calcoliamo quindi il e il S dai valori forniti: reaz= Σ prod- Σ reag = -95.19 kj/mol (gli elementi nel loro stato di aggregazione standard hanno =0) Sreaz= ΣS prod- ΣS reag = 2S (2) + S (N2) S (N24) = 0.2140 kj/mo lk Applichiamo la relazione sopra mettendo T = 718 K (445 C) G = -248.8 kj/mol, la reazione è spontanea Per calcolare la costante di equilibrio utilizziamo la seguente relazione: G = -RTlnKeq Da cui Keq =e - G /RT Poiché abbiamo bisogno del G, ovvero del G in condizioni standard (25 C o 298 K) calcoliamo con la relazione vista precedentemente il G = -95.19-298(0.2140) = -159 kj/mol Utilizzando R in J/molK: Keq =e 159000/(8.3145x317) = e 60 10) Dire a che classe appartengono i seguenti composti organici: C 3 N 2, C 2 5 O, C 2 C 2 Ammine, alcoli, alcheni 11) Scrivere il prodotto che si forma dal decadimento alfa dei seguenti nuclidi radioattivi 232 Th, 252 Cf 232 90 Th 4 228 2 α + Ra 88 252 98 Cf 4 248 2 α + 96 Cm