Seconda Verifica versione A del 30.6.2005

Politecnico di Milano IV Facoltà di Ingegneria
Sede di Piacenza
Laurea in Ingegneria Meccanica
Anno Accademico 2004/05
Corso di "CHIMICA "
Seconda Verifica versione A del 30.6.2005
NB: a tutte le domande è necessario rispondere in modo esauriente (calcoli e spiegazioni teoriche)
1. Scrivere le reazioni delle seguenti sostanze in acqua e determinare se la soluzione
risultante avrà un pH > < = 7. Na2CO3 ; CH3COONa ; Na2O ; KCl
Ka(HCO3 -) = 4,8 . 10-11 ; Ka (CH3COOH) = 1,8. 10-5
CO3- - + H2O --> HCO3- + OH – pH > 7 ; CH3COO - + H2O --> CH3COOH + OH – Ph > 7
O - - + H2O --> 2OH – pH >>7 ; K+ Cl- pH = 7
2. Un campione di ottone (Lega Zn/Cu) del peso di 18 g trattato con una soluzione 1
M di HCl acquoso sviluppa 0,8 litri di idrogeno misurati a 20°C ed 1 atm. Scrivere e
giustificare quale reazione avviene, calcolare inoltre la composizione % della lega.
Il potenziale redox dello zinco è negativo, quello del rame positivo, quindi lo ione idrogeno
ossiderà solo lo zinco secondo la reazione: Zn + 2H3O+ --> Zn++ + H2 + 2H2O
Mol H2 = PV/RT = 1atm . 0,8 litri/0,082 . 293 K = 0,033 mol
0,033 mol . 65,4 g . mol-1 = 2,16 g Zn ; (2,16/18) . 100 = 12 % Zn ; 88 % Cu
3. Nel processo di contatto per la produzione dell’acido solforico tutto il calore prodotto
serve sia alle necessità energetiche dell’impianto sia a fornire un surplus di energia
utilizzabile all’esterno (vapore, energia elettrica), l’inquinamento dell’ambiente
inoltre risulta minimo. Illustrare il processo e giustificare queste due affermazioni.
La temperatura ottimale per il catalizzatore è di 420 °C, la reazione di ossidazione di SO 2
è fortemente esotermica per cui con uno scambiatore di calore si abbassa la temperatura
recuperando calore. L’ossidazione dell’ SO2 procede a stadi riciclando il non reagito, per
cui alla fine quasi tutta viene convertita in SO3 senza rilasciare nell’ambiente l’SO2.
4. Una pila chimica è costituita da un elettrodo di rame immerso in una soluzione di
solfato di rame (5 litri ; 0,5 M) e da un elettrodo di zinco immerso in una soluzione di
solfato di zinco (5 litri ; 0,5 M). Se la pila eroga 6 ampère per 4 ore e 29 minuti
calcolare la variazione di massa degli elettrodi e di concentrazione della soluzione.
g/PE = i . t (sec) / 96500 = 96480/96500 = 1 Faraday = 1 eq = 0,5 moli ; PECu = 63,5/2 =
31,75 g aumento ; PEZn = 65,4/2 = 32,7 g diminuzione. 0,5 mol . l-1 . 5 litri = 2,5 mol
2,5 + 0,5 mol (Zn++) / 5 litri = 0,6 M ; 2,5 - 0,5 mol (Cu++) / 5 litri = 0,4 M
5. Una pila è costituita da un elettrodo di rame immerso in una soluzione 0,1 M di
solfato di rame e da un elettrodo di nichel immerso in una soluzione 0,01 M di
solfato di nichel, calcolarne la f.e.m.
0,34 + 0,059/2 . log [Cu++] = 0,34 + 0,059/2 log 0,1 = 0,31 ; - 0,25 + 0,059/2 . log [Ni++] =
-0,25 +0,059/2 log 0,01 = -0,29 ; f.e.m. = 0,31 – (- 0,29) = 0,6 volt.
6. 10 g di CaO e 20 g di SO3 vengono sciolti in 10 litri d’acqua, calcolare il pH della
soluzione risultante.
CaO + H2O --> Ca(OH)2 ; SO3 + H2O --> H 2 SO4
mol OH - = 10 g . 2/56 = 0,36
mol H3O+ = 20 g . 2/80 = 0,50 ; eccesso di H3O+ = 0,50 – 0,36 = 0,14 ; 0,14 mol / 10 litri =
0,014 M ; pH= - log 0,014 = 1,8
7. Spiegare perchè la ruggine a parità di altre condizioni si forma nelle zone del ferro
dove la concentrazione di ossigeno è minore.
si forma una pila di concentrazione nella quale il polo positivo si trova nella zona a
concentrazione di ossigeno maggiore O2 + 4H2O + 4e - --> 4OH – nella zona a
concentrazione di ossigeno minore, polo negativo si avrà l’ossidazione del ferro Fe ->Fe+++2e- .
8. L’ozono nella stratosfera protegge gli esseri viventi dalle radiazioni ultraviolette a
minore lunghezza d’onda, darne una spiegazione indicando le reazioni relative.
nella stratosfera a 25 km si hanno le seguenti reazioni:
UV-C
O2  2O
O + O2 + M (N2)  O3 + M + Calore
UV-B
O3

O2 + O
l’ozono blocca gli UV C e B a minore lunghezza d’onda e quindi più dannosi perchè più
energetici, in un ciclo di formazione distruzione che lo mantiene ad una concentrazione
costante.
9. Contribuisce di più all’effetto serra bruciare 1 Kg di propano C3H8 o 1 Kg di ottano
C8H18 ?
C 3 H 8 + 5O2 --> 3CO 2 + 4H2O ; C 8 H 18 + 25/2 O2 --> 8CO 2 + 9H2O
1000 g/44 g . mol-1 = 22,72 mol propano --> x 3 = 68 mol CO2
1000 g / 114 g . mol-1 = 8,77 mol ottano --> x 8 = 70 mol CO2 produce di più l’ottano
10. Quale è la funzione dei metalli palladio e platino in una marmitta catalitica, e quale
quella della temperatura (250-270°C). Dare un esempio di reazione che avviene nel
sistema.
2CO + O2  2CO2
(CH2)n ( idrocarburo incombusto) + O2  nCO2 + nH2O
i due metalli sono catalizzatori di ossidazione di CO e di idrocarburi portando tutto a
CO2 ed acqua, la temperatura tiene conto dei fattori cinetici e di attività del
catalizzatore.
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Anno Accademico 2004/05
Corso di "CHIMICA "
Seconda Verifica versione B 30.6.2005
NB: a tutte le domande è necessario rispondere in modo esauriente (calcoli e spiegazioni teoriche)
1. Scrivere le reazioni delle seguenti sostanze in acqua e determinare se la soluzione
risultante avrà un pH > < = 7.
NH4Cl ; NaHCO3 ; CaO ; NaNO3 ;
Ka(H2CO3) = 4,2 . 10-7 ; Kb (NH3 ) = 1,8. 10-5
NH4+ + H2O --> NH3 + H3O+ pH < 7 ; HCO3- + H2O --> H2CO3 + OH – pH > 7 ;
O - - + H2O --> 2OH – pH >> 7 ; Na+ NO3- pH = 7.
2. Un campione di ottone (Lega Zn/Cu) del peso di 20 g trattato con una soluzione 1
M di HCl acquoso sviluppa 1,6 litri di idrogeno misurati a 0°C ed 1 atm. Scrivere e
giustificare quale reazione avviene, calcolare inoltre la composizione % della lega.
Il potenziale redox dello zinco è negativo, quello del rame positivo, quindi lo ione idrogeno
ossiderà solo lo zinco secondo la reazione: Zn + 2H3O+ --> Zn++ + H2 + 2H2O
moli (H2) = 1,6 litri/22,41 litri . mole –1 = 0,071 mol (Zn) ; 0,071 mol . 65,4 g . mol –1 = 4,64 g
(Zn). ( 4,64 g / 20) . 100 = 23,32%
3. Nel processo di produzione dell’ammoniaca si opera in condizioni per le quali la
costante di equilibrio della reazione risulta molto piccola, spiegarne il motivo e
descrivere le condizioni operative del processo industriale.
La reazione di sintesi N2 +3H2 = 2NH3 ha luogo su catalizzatore a base di ferro
finemente suddiviso a 250 atmosfere (equilibrio spostato verso il volume minore) e
500°C, la reazione è esotermica quindi sfavorita da alte temperature, che però
favoriscono la velocità di reazione (i reagenti hanno legami forti = alta energia di
attivazione). Si preferisce avere un’ alta velocità di reazione (alta temperatura), con
una bassa conversione (Keq piccola) a cui si pone rimedio riciclando la miscela di
reazione fino alla conversione completa dei reagenti nel prodotto. Nella scelta della
temperatura si deve considerare inoltre che il catalizzatore ha una temperatura
ottimale di funzionamento.
4. Una pila chimica è costituita da un elettrodo di rame immerso in una soluzione di
solfato di rame (5 litri ; 0,5 M) e da un elettrodo di magnesio immerso in una
soluzione di solfato di magnesio (5 litri ; 0,5 M). Se la pila eroga 3 ampere per 8 ore
e 56 minuti, calcolare la variazione di massa degli elettrodi e di concentrazione
della soluzione.
La reazione complessiva è Cu++ + Mg --> Cu + Mg++
3 A . 32160 sec/96500 coulomb . eq-1 = 1 eq ;
PECu = 63,5 / 2 = 31,75 aumento massa Cu
PEMg = 24,3/2 = 12,15 diminuzione massa Mg ; 1 eq = 0,5 moli per cui Cu++ iniziale è
0,5 mol . litro-1 . 5 litri = 2,5 mol ; [Cu++ ] finale = (2,5 mol – 0,5 mol)/5 litri = 0,4 M ;
[Mg++]finale = (2,5 mol + 0,5 mol) / 5 litri = 0,6 M
5. calcolare la f.e.m. di una pila costituita da un elettrodo di zinco immerso in una
soluzione 0,1 M di solfato di zinco e da un elettrodo di magnesio immerso in una
soluzione 0,01 M di solfato di magnesio ?
E(Zn ++/ Zn) = - 0,76 + (0,059 / 2) log 0,1 = -0,79 V ; E (Mg ++/ Mg) = - 2,36 + (0,059/2) log 0,01 =
- 2,41 ; f.e.m. = -0,79 – (-2,41) = 1,62 V
6. 10 g di CaO e 10 g di SO3 vengono sciolti in 10 litri d’acqua, calcolare il pH della
soluzione risultante.
CaO + H2O --> Ca(OH)2 ; SO3 + H2O --> H2SO4
10 g/ 56 g . mol –1 = 0,178 mol CaO ; mol OH - = 2 . 0,178 = 0,356
10 g / 80 g . mol-1 = 0,125 mol SO3 ; mol H3O+ = 2 . 0,125 = 0,250
_________
[OH
-]
moli OH – in ecc. 0,106
= 0,106 mol / 10 litri = 0,0106 M; pOH = -log 0,0106 = 1,97 pH = 14 –1,97 = 12
7. Spiegare perchè la ruggine a parità di altre condizioni si forma preferibilmente per
contatto fra il ferro ed un metallo più nobile.
Lo schema può essere ricondotto a quello di una pila chimica in corto circuito, nella quale
il polo positivo è l’impurezza di rame (metallo più nobile), dove avviene la riduzione
dell’ossigeno secondo la reazione:
O2 + 2H2O + 4e -  4OH –
mentre al polo negativo costituito dal ferro si ha la ossidazione dello stesso metallo
secondo la reazione:
Fe  Fe ++ + 2e gli ioni ferro reagiscono con gli ioni idrossido formando un composto insolubile, il
precursore della ruggine:
Fe++ + 2OH -  Fe(OH)2   Fe2O3 nH2O (ruggine)
si forma quindi una pila:
O2/OH -// Fe++/Fe
i cui potenziali standard sono E° (O2/OH -) = +0,4 V; E° (Fe++/Fe) = -0,44 V
8. Spiegare perchè i freon distruggono la fascia di ozono ?
I CFC sfuggono verso l’alta atmosfera dove per effetto degli UV-C subiscono la rottura del
legame C-Cl secondo la reazione:
CCl2F2  .CClF2 + Cl.
si forma cioè un atomo di cloro (radicale) il quale reagisce con l’ozono stratosferico
secondo la reazione a catena:
Cl. + O3  ClO. + O2
ClO. + O  Cl. + O2
come si vede l’atomo di cloro consumato nella prima reazione viene rigenerato nella
seconda, si calcola che in tal modo un singolo atomo di cloro distrugga 5.000 molecole di
ozono.
9. Contribuisce di più all’effetto serra bruciare 14,6 g di propano C3H8 o 16 g di
metano CH4 ?
C 3 H 8 + 5O2 --> 3CO2+4H2O; 14,6 g/ 44 g.mol-1 = 0,33 mol propano
0,33 . 3 = 1 mole CO2
CH4 + 2O2 --> CO2 + 2H2O 16 g / 16 g . mol-1 = 1 mol CO2 uguale contributo
10. Quali sono gli inquinanti che determinano le piogge acide ?
Il pH della pioggia “naturale” cioè non inquinata risulta essere di 5,6. Tale valore deriva
dalla presenza di CO2 che, come ossido acido dà luogo in acqua ai seguenti equilibri:
CO2(g) + H2O(aq)  H2CO3(aq) successivamente H2CO3(aq)  H3O+(aq) + HCO3- che
determinano un pH leggermente acido. Si parla di piogge acide quando il pH risulta
essere inferiore a 5. Le cause di queste piogge sono alcuni inquinanti acidi prodotti dalle
attività umane, principalmente SO2 (diossido di zolfo) e NOx (ossidi di azoto) che portano
alla formazione di acidi forti come il solforico ed il nitrico.