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Politecnico di Milano – Chimica Generale Cognome/Nome_________________________________
1° sem. Data: 22/11/2016 “1o scritto” N° matricola __________________________
N.B. Fornire obbligatoriamente una giustificazione della risposta e/o delle formule utilizzate.
1. Qual è il valore delle espressioni
a) [(2.44102)(1.510-4)]:(9.18210-2) = 0.40 b) 105. mmHg + 7.71 torr - 3.1210-2 atm = 89. mmHg oppure 0.117 atm o
2. La capacità termica specifica cp del metanolo (CH3OH) a 0°C vale 0.579 cal·g-1·°C-1. Calcolare questa capacità in chilojoule per chilogrammo per grado kelvin (kJ·kg-1·K-1).
0.579 cal·g-1·°C-1 = 2.42×103 kJ·kg-1·K-1 3. Quale dei seguenti simboli fornisce più
informazioni su uno ione: 88Sr2+ or 38Sr2+? b) Stabilire la configurazione elettronica dello ione. c) Questo ione rappresenta l’isotopo più abbondante dell’elemento Sr?
a) 88Sr2+ perché indica uno specifico isotopo b) gas nobile Kr [Kr] 1s22s22p63s23p64s23d104p6 c) si, perché 88 è circa la massa atomica di Sr.
4. Il bombardamento con neutroni di 23Na produce un isotopo che è un emettitore beta (b).
a) Scrivere la prima reazione nucleare.
b) Scrivere la seconda reazione corrispondente al decadimento radioattivo per emissione beta.
a) 23Na + 1n → 24Na + γ b) 24Na → 24Mg + β
5. Lo iodio-131 è un isotopo radioattivo usato in medicina. Determinare il numero di neutroni, protoni ed elettroni in un singolo ione di 131I‾.
Per Io iodio Z = 53, quindi 53 protoni. Dato che la carica dello ione è -1 ci saranno 54 elettroni, mentre il numero di neutroni è 78 (= 131-53).
6. L’acido acetico glaciale è un liquido con una d=1.059 g·ml-1. Calcolare quale volume di acido acetico glaciale occorre prelevare per avere 250.0 ml di una soluzione acquosa 0.100 M.
Calcolare la frazione molare e la molarità della soluzione iniziale. (MWCH3COOH = 60.05 g·mol-1) 1 l di acido acetico pesa 1059 g [dei quali il 100%
è CH3COOH (χ = 1)]. 1059 g/l / 60.05 g/mol = 17.6 M (molarità di CH3COOH glaciale) Poiché V1 × C1 = V2 × C2, si avrà: 0.100 M × 0.250 l = 17.6 M × C2 da cui C2 =1.42 ml. 1.42 ml di CH3COOH glaciale si devono portare a 250 ml.
Si otterrà una soluzione di acido acetico 0.100 M.
7. Calcolare la molarità di una soluzione di KOH ottenuta miscelando 95.0 ml di KOH 0.220 M con 35.0 ml di KOH 0,400 M, assumendo che i volumi siano additivi. Determinare il pH della soluzione finale risultante.
mol1 + mol2 = molTOT e quindi M = molTOT /VTOT
mol1 = 0.0950 l × 0.220 mol/l = 0.0209 mol mol2 = 0.0350 l × 0.400 mol/l = 0.0140 mol M = 0.0349 mol /0.1300 l = 0.268 M pH = 14+log0.268 = 13.4
8. Quali dei seguenti composti sono verosimilmente di natura ionica e quali sono molecolari:
COCl2, CsF, BaO, B(CH3)3, TiCl4, HClO3? Mol. Ion. Ion. Mol. Mol. Mol Spiegare la scelta.
In base al delta di elettronegatività dei legami.
9. Nella riduzione di 884 g di Fe2O3 con carbone in eccesso si sono ottenuti 507 g di Ferro metallico.
Scrivere la reazione che avviene e stabilire qual è la resa percentuale del processo.
2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2
g Fe2O3→ mol Fe2O3→ “mol Fe” → g Fe resa teorica:
2 3 2 3
2 3 2 3
1 4 55.85
884 618
159.7 2 1
mol Fe O mol Fe gFe
g Fe O g
g Fe O mol Fe O mol Fe
× × × =
resa percentuale:
resa reale 507
Resa% 100 100 82.0%
resa teorica 618 g
= × = g × =
10. Se si fa reagire 3.33 g di CaCl2
con 8.50 g di AgNO3 e si ottengono 5.63 g di AgCl, qual è la resa %? Scrivere la stechiometria della reazione.
CaCl2(aq) + 2 AgNO3(aq)→ 2 AgCl(s) + Ca(NO3)2(aq)
• Calcolare le masse formule
• Convertire i g in moli
• Verificare se c’è un reagente limitante (AgNO3)
• Calcolare la resa teorica
• Calcolare la resa %.
resa reale 5.63
Resa% 100 100 78.5%
resa teorica 7.17 g
= × = g × =
2 11. Mettere in ordine di raggio ionico (dal più
piccolo al più grande) i seguenti atomi e ioni:
a) Ca2+ ; b) Cl‾ ; c) I ; d) Na+ (spiegare la scelta)
La sequenza è Na+≈ Ca2+ < I < Cl‾ in base ai raggi ionici ed atomici. (0.97, 0.99, 1.33 e 1.81) I primi due uguali perché in relazione diagonale e Iodio atomo minore di Br- ione perché non carico.
12. Un campione di 3516
S
radioattivo si disintegra a una velocità di 1.00×107 atomi·min-1. L’emivita di questo isotopo è di 87.9 giorni. Quanto tempo ci vorrà perché l’attività del campione diminuisca fino a produrre 104 diss.·min-1?t1/2 = 0.693/k da cui k = 7.88×10-3 giorni-1. Quindi si applica l’equazione ln(Nt/N0) = -kt con Nt/N0 = 104/10000000 da cui tfin = 1456 giorni 13. Predire i prodotti, bilanciare, e quindi scrivere le
equazioni ioniche nette per le seguenti reazioni (fare uso delle regole di solubilità):
A. (NH4)2CO3(aq) + Ca(NO3)2(aq) → CaCO3(s) + 2 NH4NO3(aq)
Ionica netta Ca2+(aq) + CO3
2-→ CaCO3(s)
B. K2S(aq) + FeCl2(aq) → FeS(s) + 2KCl(aq) Ionica netta S2-(aq) + Fe2+(aq) → FeS(s)
C. 2KMnO4(aq) + 10HI(aq)→ 5I2 + 2Mn(OH)2 + + 2KOH + 2H2O
Ionica netta: 2MnO4‾(aq)+ 10I‾(aq) + 10H+→ I2(s) + + 2Mn2+ + 6OH‾ + 2 H2O
14. Il nitrato di idrossilammonio contiene 29.17 % in massa di N, 4.20 % in massa di H, e 66.63 % massa di O. Qual è la sua formula minima e la probabile formula molecolare?
Su 100 g di composto ci ha: mol H = 4.20/1.008;
mol N = 29.17/14.01 e mol O = 66.63/16.00 Formula minima H2NO2. Dovendo contenere lo ione nitrato (NO3
-) la forma probabile è H4N2O4.
15. Riempire le caselle vuote della tabella:
Composto Nome Catione Anione
CaSO4·H2O Solfato di calcio diidrato
Ca2+ SO4 2-
CH3CH2CH3 Propano - -
Na2O2 Perossido di sodio Na+ O22-
Ca[Al(OH)4]2 Tetraidrossoalluminato di calcio
Ca2+ [Al(OH)4]‾
HIO4 Acido periodico H+ (in H2O
IO4‾ (in H2O Fe(CO)5 PentacalbonilFerro - - Sr3(PO4)2 Fosfato di stronzio Sr2+ PO4
3‾ TiO(NO3)2 Nitrato di titanile TiO2+ NO3‾ [CoBr(NH3)5]SO4 Solfato di bromo-
pentamminocobalto(III)
[CoBr(N H3)5]2+
SO42-
SiO2 (polim. cov.) Biossido di silicio - - NaN3 Nitruro di sodio Na+ N3- Cs3[Mn(CN)6] Esacianomanganato di
cesio
Cs+ [Mn(CN)6]3-
16. L’entalpia di sublimazione (solido → gas) del ghiaccio secco (CO2(s)) è ∆H°sub = 571 kJ·kg-1 a – 78.5°C. Se 125.0 J di calore vengono trasferiti da un cubo di ferro ad un blocco di ghiaccio secco a -78.5°C, che volume di CO2
gas (d = 1.98 g·L-1) si genererà?
5 1
571 1000
5.71 10 1
kJ J
kg kJ J kg
× = × ⋅
−5
1 1000 1
125.0 0.111
5.71 10 1 1.98
kg g L
J L
J kg g
× × × =
×
17. Un campione di acido acetico (CH3CO2H) è bruciato in una bomba calorimetrica liberando 5228 calorie. La temperatura del calorimetro aumenta di 4,39 °C. Calcolare la capacità termica del calorimetro in kJ·K-1.
Capacità termica = calore assorbito/T
5228 4.184 1
14.39 1 1000 4.98
cal J kJ
C kJ K
K cal J
= × × = ⋅
−18. Se un sistema gassoso compie lavoro per 325 J alla pressione di 1 atm e 298 K, qual è la
variazione di volume del sistema?
Poiché 1 litro×Atm = 101.33 J, la quantità di lavoro è 325 J × 101.33 L·Atm·J-1 = 3.207 L·Atm ma W = - P·∆V per cui ∆V = 3.21 L 19. Determinare il ∆H° per la reazione (dopo aver
stabilito i coefficienti stechiometrici x, y, z e t) 1 N2H2(l) + 1 H2O2(l)→ 1 N2(g) + 2 H2O(l)
dai dati seguenti:
N2H2(l) + 1/2O2(g)→ N2(g) + H2O(l) ∆H°= - 622.2 kJ H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) ∆H°= - 285.8 kJ H2(g) + O2(g) → H2O2(l) ∆H°= - 187.8 kJ (x = 1, y = 2, z = 1, t = 4)
Bilancio energetico secondo la legge di Hess:
reaz. = reaz.1 – reaz.3 + reaz.2 = - 720.2 kJ 20. Il composto idruro di calcio è una base forte e in
acqua si trasforma in Ca(OH)2 liberando idrogeno gas. a) Scrivere la reazione; b) stabilire il pH della soluzione ottenuta aggiungendo 1.00 grammi di idruro di calcio a 1 litro di acqua (ritenere nulla la variazione di volume della soluzione).
CaH2(s) + 2H2O(l)→ Ca(OH)2(aq) + H2(g)
moli CaH2 = 1.00g/42.094g·mol-1 = 0.0238 moli moli Ca(OH)2 = moli CaH2 = 0.0238 moli
Molarità [OH‾] = (2 × moli Ca(OH2) / V = 0.0475 M pOH = - log [OH‾] = 1.32; pH = 14 – pOH = 12.68
3 21. Una soluzione acquosa al 60% in peso di acido
perclorico ha una molarità di 9.20 M.
Determinare: a) la densità della soluzione; b) la molalità della soluzione; c) la frazione molare dell'acido perclorico.
100 g della soluzione contengono 60 g di HClO4. moli di HClO4 = 60g/100.46 g·mol-1 = 0.60 moli Il volume della soluz. contenente 0.60 moli è:
0.60mol/9.20mol·L-1 = 65 ml; per cui la densità è d = 100 g/65 ml = 1.54 g·ml-1.
La molalità è = moli soluto/1000 g solv. = 15 m 22. Commercialmente, il gas NO si produce per
ossidazione di NH3 secondo la reazione da bilanciare: x NH3(g) + y O2(g)→ z NO(g) + t H2O(g)
In un certo esperimento 17.0 g di ammoniaca reagiscono con 22.8 g di ossigeno.
a) Qual è il reagente limitante? ___________
________________________(riportare i conti) b) Se la resa del processo è dell’88%, quanto NO si produce?
(x = 4, y = 5; z = 4; t = 6)
a) Reagente limitante O2 moli 1/5×(22.8/32.0)
< di NH3 moli 1/4×(17/17)
b) moli NO = 4/5 moli O2 = 4/5×(22.8/32.0) = 0.57 moli pari a 17.1 grammi di NO teorici;
grammi reali di NO = 17.1 × 0.88 = 15.0 g 23. Stabilire la stechiometria individuando le forme
ossidate e ridotte (con i relativi numeri di ossidazione) per la reazione:
+2 +5 +4 0 +2 +4 2 Ca3(PO4)2(s) + 6 SiO2(s) + 10 C(s)→ 6 CaSiO3(s) +2 0
+ 10 CO(g) + P4(s)
24. In quale dei seguenti processi la variazione di energia costituisce l’affinità elettronica della specie con simbolo M? (spiegare)
A. M-(g)→ M(g) + e- B. M(s) + e-→ M-(g)
C. M(g) + e- → M-(g) fase gas e acquisto elettrone D. M-(s)→ M(g) + e-
25. L’etilene reagisce con l’ossigeno per formare ossido di etilene, C2H4O.
2 C2H4(g) + O2(g)→ 2 C2H4O(l)
Se si fanno reagire 20.0 g di etilene e 10.5 g di ossigeno, quale reagente è in difetto? Se la reazione ha una conversione del 90%, quanti grammi di prodotto si formano? Quanto ossigeno rimane non reagito?
Il reagente in difetto è l’ossigeno perché:
(20.0/28.0):2 > (10.5/32.0):1
Grammi di prodotto = 2×(10.5/32.0)×44.0×0.9 = 26.0 g
Ossigeno rimasto 10% dell’iniziale = 1.05 g
26. Nella reazione “A → prodotti”, si trova che [A]
= 0.485 M a t = 71.5 s e 0.474 M a t = 82.4 s.
Qual è la velocità media della reazione in tale intervallo?
v = - ∆[A]/∆t = - (0.474-0.485)/(82.4-71.5) = 0.0010 M·s-1 27. Si misura la costante di velocità della reazione
H2(g) + I2(g)→ 2 HI(g) a 2 diverse temperature e vale k = 5.4×10-4 M-1·s-1 a 599 K e k = 2.8×10-2 M-1·s-1 a 683 K. Calcolare l’energia di attivazione e il parametro A della reazione.
1
2 2 1
1 1
ln k E
ak R T T
= −
-3.95R = - Ea ×2.05×10-4 Ea = 1.60×105 J·mol-1. essendo R = 8.315 J·mol-1·s-1 28. Lo ione OH‾ è coinvolto nella reazione tra ioneioduro e ione ipoclorito ma non è consumato.
ClO‾ + I‾ → IO‾ + Cl‾
a) Dai dati della tabella determinare l’ordine di reazione rispetto a ClO‾ ; I‾ e OH‾
b) Scrivere l’equazione cinetica e determinare il valore della costante di velocità k.
[ClO‾], M [I‾], M [OH‾], M Vel. formaz IO‾, M·s-1 0.0040 0.0020 1.00 4.8×10-4 0.0020 0.0040 1.00 5.0×10-4 0.0020 0.0020 1.00 2.4×10-4 0.0020 0.0020 0.50 4.6×10-4 0.0020 0.0020 0.25 9.4×10-4 Dal confronto tra la prima e la terza riga, a parità di I‾ e OH‾ il ClO‾ raddoppia, ma la velocità della terza è la metà della prima. Perciò la reazione è di primo ordine in [ClO‾]. Ragionando analogamente tra la quarta e la quinta riga, dimezzando [OH‾] la velocità raddoppia, per cui l’ordine di reazione è -1 per [OH‾]. Infine tra la terza con la seconda riga la velocità raddoppia raddoppiando [I‾] per cui l’ordine rispetto a I‾ è +1.
La legge cinetica è perciò:
[ClO ] [I ] [OH ] v k
− −
−
= ⋅
Ordine totale di reazione = 1+1-1 = 1
Usando i dati del primo esperimento e la legge cinetica si recupera k = 60. s-1
29. Alcune reazioni in fase gas su catalizzatori eterogenei sono di primo ordine a bassa pressione del gas e di ordine zero a pressioni elevate. Sapreste suggerire una spiegazione del fenomeno?
E’ legato alla saturazione del catalizzatore da parte del gas reagente (OR=0). La cinetica dipende da quanto i siti catalitici sono
disponibili per la reazione. A bassa pressione l’adsorbimento sui siti è più lento della
reazione sul catalizzatore e quindi l’ordine è 1.
OH‾
4 30. La reazione 2 O3(g) → 3 O2(g) una legge
cinetica semplificata del secondo ordine in O3
e ordine -1 in O2. Proporre per la reazione un meccanismo a due stadi consistente in un primo stadio veloce e reversibile, seguito da un secondo lento.
Un possibile meccanismo è :
stadio 1 O3 a O2 + O veloce (k1 e k-1) stadio 2 O + O → O2 lento (k2)
La velocità complessiva è legata allo stadio lento v = k2[O]·[O2]. Applicando lo stato stazionario all’atomo O si ricava [O]:
d[O]/dt = k1[O3] – k-1[O][O2] – k2[O]2 = 0 e in prima approssimazione, trascurando l’ultimo termine perché piccolo, si ha:
[O] = k1[O3]/(k-1[O2]) da cui si recupera la velocità = k3·k1·[O3]2/(k-1[O2]) come indicato.
