I Appello 2013

POLITECNICO DI MILANO ING. ENG-AES-MEC
Corso di FONDAMENTI DI CHIMICA - sez. MOM – RAE, docente Cristian Gambarotti
Esame di FONDAMENTI DI CHIMICA – 14-02-2013 - A
1-
Si consideri la reazione di idrogenazione dell’acetone (CH3)2CO a 2-propanolo (CH3)2CHOH di
seguito riportata: (CH3)2CO(g) + H2(g)  (CH3)2CHOH(g). Alla temperatura di 452 K, Kp = 2.25. A
questa T la reazione è spontanea in stato standard? Sarebbe spontanea se le pressioni parziali
iniziali fossero: 2-propanolo = 1 atm, acetone = 1 atm e H2 = 2 atm?.
(3 punti)
Svolgimento:
G° = -RTlnKp = -8.31*452*ln(2.25) = -3046 J/mole  SPONTANEA a 452 K
Q = p ((CH3)2CHOH) / p(H2)*p((CH3)2CO) = 0.5 atm-1 < Kp  È spontanea a dare prodotti
2-
Si ha a disposizione una pila costituita dalle seguenti semicelle:
a) C(graf)/MnO4- (0.05M), Mn2+ (0.1M), H+ (0.05M)
b) C(graf)/MnO4- (2M), Mn2+ (1M), H+ (2M)
Stabilire di che tipo di pila si tratta, disegnarla e calcolarne la f.e.m. indicando catodo, l’anodo,
il senso degli elettroni nel circuito esterno e delle cariche elettriche in soluzione.
(3 punti)
Svolgimento:
Si tratta di una pila a concentrazione, il catodo sarà l’elettrodo con E
> e l’anodo quello con E <
MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
E° = +1.51V
2+
E(a) = +1.51 - (0.0592/5) log([Mn ]/[MnO4-][H+]8) = +1.51 (0.0592/5)log[0.1/(0.05*0.058)] = 1.38V
E(b) = +1.51 - (0.0592/5) log([Mn2+]/[MnO4-][H+]8) = +1.51 (0.0592/5)log[1/(2*28)] = 1.54V
E (b) > E (a)  E (b) = catodo e E (a) = anodo
Erid = E (b) = 1.54V, Eox = -E (a) = -1.38V  E = Erid + Eox = 0.16V
3-
L'idrogenosolfuro di ammonio si decompone secondo la seguente reazione:
NH4HS(s)  NH3(g) + H2S(g)
La costante di equilibrio, Kc vale 1,81•10–4 (mol/L) a 25°C.
Se in un reattore, in cui è stato fatto il vuoto, viene posto del NH4HS(s) (in eccesso affinché ci sia
effettivamente del NH4HS solido all’equilibrio) a 25°C, quale sarà la pressione totale nel
recipiente una volta raggiunto l'equilibrio?
(4 punti)
Svolgimento:
Kp = Kc*(RT)Δn = 1,81•10–4*(0.0821*298)2 = 0.108 (Δn = variazione #moli fase gas = 2)
Per la stechiometria della reazione: p(H2S) = p(NH3)
Per la legge di Dalton: p(H2S) + p(NH3) = PTOT
Quindi: p(H2S) = p(NH3)=PTOT/2
All’equilibrio risulta:
Kp = p(H2S)*p(NH3)  KP = (PTOT/2)2  PTOT = (4Kp)½ = 0.658 atm
4-
L’acido L-ascorbico, più noto come vitamina C, è un acido bi-protico di formula molecolare
C6H8O6. Calcolare il pH della soluzione che si ottiene sciogliendo una pastiglia di vitamina C del
peso di 1g in 200mL di H2O. (ka1 = 7.9•10-5, ka2 = 1.6•10-12)
(3 punti)
Svolgimento:
PM vitamina C = 176 g/mole
È un acido bi-protico debole, visto il valore molto inferiore (7 ordini di grandezza) della ka2 posso
trascurare la 2° dissociazione e considerare solo la 1°  C6H8O6 + H2O  C6H5O6- + H3O+
n° moli totali vitamina C in 200mL = 1/176 = 0.00568 moli  0.00568/0.2 = 0.0284 M
pH = -log [(ka1*ca)½] = -log [(7.9•10-5*0.0284) ½] = 2.8
5-
Perché in estate sotto il solleone sudiamo per rinfrescarci?
Svolgimento:
(3 punti)
Il nostro corpo sfrutta il processo endotermico di evaporazione dell’acqua per dissipare calore.
L’acqua (sudore) evaporando assorbe calore dal nostro corpo riducendone la temperatura dandoci la
sensazione di fresco.
6-
Perchè il diamante è in grado di scalfire il vetro mentre la grafite non ci riesce?
(3 punti)
Svolgimento:
Il diamante è un solido covalente in cui ogni carbonio (sp3) è legato ad
altri quattro carboni a dare una struttura covalente tridimensionale. Da
questo deriva l’elevatissima durezza, dato che “rompere” la struttura
significherebbe rompere un gran numero di legami covalenti e per questo
graffia molto facilmente il vetro. La grafite è un solido covalente organizzato per strati: ogni atomo di
carbonio è legato ad altri 3 atomi di carbonio attraverso orbitali sp2 da cui deriva la struttura.
All’interno dei piani i legami tra gli atomi sono molto forti mentre i piani sono tenuti insieme da ben
più deboli interazioni di London e per questo la grafite è tenera e non riesce ad incidere il vetro.
7-
Sulla base della teoria degli orbitali molecolari spiegare perché il Ca è un buon conduttore di
corrente.
(3 punti)
Svolgimento:
Il Ca è un metallo appartenente al 2° gruppo A, caratterizzato quindi
dall’avere 2 e- nello strato più esterno. Costruendo gli orbitali molecolari
utilizzando la tecnica LCAO si vede che sia gli orbitali 4s leganti che 
4s antileganti sono completamente occupati, quindi su questa base il
cristallo di Ca non potrebbe esistere perché l’ordine di legame
risulterebbe ZERO. Tuttavia, in virtù delle proprietà dei metalli, i vari
livelli sono molto ravvicinati e vengono a costituire delle bande che si
sovrappongono. Nel Ca la banda 4s completa si sovrappone alla banda 4p vuota, permettendo così
il legame (di fatto è come se spostassi e- del  4s antilegante nel 4p legante) lasciando a disposizione
degli e- il restante  4p per la conduzione.
8-
La generica reazione esotermica A + B → 2C + D presenta l’equazione cinetica v = k[B]2.
Definire l’ordine di reazione, il tipo di meccanismo e tracciarne il grafico E vs tempo, indicando
Ea e H di reazione. Che effetto ha un aumento di T sulla reazione e sulla Keq?
(3 punti)
Svolgimento:
Reazione multistadio di 2° ordine nel reagente B.
è l’energia di
Ea è l’energia di attivazione, Ea2
attivazione del secondo stadio, la sella rappresenta
l’intermedio di reazione.
Essendo il processo esotermico un aumento di T
sfavorisce la reazione, la Keq diminuisce e l’equilibrio si
sposta verso i reagenti.
9-
Il carburo di calcio reagisce con acqua secondo reazione CaC2(s) + 2H2O(l) → Ca(OH)2(s) +
C2H2(g). Considerando di ottenere Ca(OH)2(s) (solido), calcolare H°r e S°r e stabilire,
motivando la risposta, se in stato standard il processo è sempre spontaneo o non è mai
spontaneo. Quanto CaC2 è necessario per ottenere 44,828 Lt di acetilene misurati a 0°C e 1
atm.? Supponendo che il processo avvenga a P = 1 atm, T = 0°C e con resa del 100%, calcolare il
lavoro.
(5 punti)
Svolgimento:
H°r = +226.73 + (-986.09) - 2*(-285.83) - (-59.8) = -127.9 KJ/mole
S°r = 200.94 + 83.39 - 2*69.91 - 69.96 = +74.55 J/mole
Siccome la reazione è esotermica (H°r < 0) e disordinante (S°r > 0) il
processo è sempre spontaneo.
PV = nRT  n = (1*44.828)/(0.0821*273) = 2 moli di acetilene = moli CaC2
PM CaC2 = 64 g/mole  g (CaC2) = 2*64 = 128g necessari
ΔV = V di C2H2(g) sviluppato = 44.828Lt  L = PΔV = 1*44.828*101.325 = 4542 J (- 4542 J conv.)
10 -
Delle seguenti sostanze, descrivere le strutture di Lewis, tipologia di legami coinvolti tra gli
atomi, geometria molecolare, polarità, interazioni intermolecolari e tipologia del solido che
formano: SF4, SiC, HClO3
(3 punti)
Svolgimento:
SF4:
F
legami covalenti, CE bipiramide trigonale,
geometria molecolare altalena, molecola polare,
interazioni dipolo-dipolo, solido molecolare
F
S
:
F
F
SiC:
legami covalenti estesi a tutto il cristallo, solido covalente
(carborundum)
OH
HClO3:
O
Cl
O
legami covalenti (risonanti), geometria molecolare tetraedrica, polare,
interazioni dipolo-dipolo, legame H, solido molecolare
POLITECNICO DI MILANO ING. ENG-AES-MEC
Corso di FONDAMENTI DI CHIMICA - sez. MOM – RAE, docente Cristian Gambarotti
Esame di FONDAMENTI DI CHIMICA – 14-02-2013 - B
1-
L'idrogenosolfuro di ammonio si decompone secondo la seguente reazione:
NH4HS(s)  NH3(g) + H2S(g)
La costante di equilibrio, Kc vale 1,81•10–4 a 25°C.
Se in un reattore, in cui è stato fatto il vuoto, viene posto del NH4HS(s) (in eccesso affinché ci sia
effettivamente del NH4HS solido all’equilibrio) a 25°C, quale sarà la pressione totale nel
recipiente una volta raggiunto l'equilibrio?
(4 punti)
Svolgimento:
Kp = Kc*(RT)Δn = 1,81•10–4*(0.0821*298)2 = 0.108 (Δn = variazione #moli fase gas = 2)
Per la stechiometria della reazione: p(H2S) = p(NH3)
Per la legge di Dalton: p(H2S) + p(NH3) = PTOT
Quindi: p(H2S) = p(NH3) = PTOT/2
All’equilibrio risulta:
Kp = p(H2S)*p(NH3)  KP= (PTOT/2)2  PTOT = (4Kp)½ = 0.658 atm
2-
Perchè la grafite è “lubrificante” mentre il diamante no ?
(3 punti)
Svolgimento:
La grafite è un solido covalente organizzato per strati: ogni atomo di
carbonio è legato ad altri 3 atomi di carbonio attraverso orbitali sp2 da cui
deriva la struttura. All’interno dei piani i legami tra gli atomi sono molto
forti mentre i piani sono tenuti insieme da deboli interazioni di London e
per questo possono “scivolare” gli uni sugli altri rendendo la grafite
lubrificante. Il diamante è un solido covalente in cui ogni carbonio (sp3) è legato ad altri quattro
carboni a dare una struttura covalente tridimensionale. Da questo deriva l’elevatissima durezza, dato
che “rompere” la struttura significherebbe rompere un gran numero di legami covalenti e per questo il
diamante non può essere “lubrificante”.
3-
Si consideri la reazione di idrogenazione dell’acetone (CH3)2CO a 2-propanolo (CH3)2CHOH di
seguito riportata: (CH3)2CO(g) + H2(g)  (CH3)2CHOH(g). Alla temperatura di 452 K, Kp = 2.25. A
questa T la reazione è spontanea in stato standard? Sarebbe spontanea se le pressioni parziali
iniziali fossero: 2-propanolo = 10 atm, acetone = 0.5 atm e H2 = 4 atm?.
(3 punti)
Svolgimento:
G° = -RTlnKp = -8.31*452*ln(2.25) = -3046 J/mole  SPONTANEA a 452 K
Q = p ((CH3)2CHOH) / p(H2)*p((CH3)2CO) = 5 atm-1 > Kp  È spontanea verso i reagenti
4-
Il carburo di calcio reagisce con acqua secondo reazione CaC2(s) + 2H2O(l) → Ca(OH)2(s) +
C2H2(g). Considerando di ottenere Ca(OH)2(s) (solido), calcolare H°r e S°r e stabilire,
motivando la risposta, se in stato standard il processo è sempre spontaneo o non è mai
spontaneo. Quanto CaC2 è necessario per ottenere 67,242 Lt di acetilene misurati a 0°C e 1
atm.? Supponendo che il processo avvenga a P = 1 atm, T = 0°C e con resa del 100%, calcolare il
lavoro.
(5 punti)
Svolgimento:
H°r = +226.73 + (-986.09) - 2*(-285.83) - (-59.8) = -127.9 KJ/mole
S°r = 200.94 + 83.39 - 2*69.91 - 69.96 = +74.55 J/mole
Siccome la reazione è esotermica (H°r < 0) e disordinante (S°r > 0) il
processo è sempre spontaneo.
PV = nRT  n = (1*67.242)/(0.0821*273) = 3 moli di acetilene = moli CaC2
PM CaC2 = 64 g/mole  g (CaC2) = 3*64 = 192g necessari
ΔV = V di C2H2(g) sviluppato = 67.242Lt  L = PΔV = 1*67.242*101.325 = 6813 J (- 6813 J conv.)
5-
Perché in estate sotto il solleone sudiamo per rinfrescarci?
(3 punti)
Svolgimento:
Il nostro corpo sfrutta il processo endotermico di evaporazione dell’acqua per dissipare calore.
L’acqua (sudore) evaporando assorbe calore dal nostro corpo riducendone la temperatura dandoci la
sensazione di fresco.
6-
L’acido L-ascorbico, più noto come vitamina C, è un acido bi-protico di formula bruta C6H8O6.
Calcolare il pH della soluzione che si ottiene sciogliendo una pastiglia di vitamina C del peso di
0.5g in 100mL di H2O. (ka1 = 7.9•10-5, ka2 = 1.6•10-12)
(3 punti)
Svolgimento:
PM vitamina C = 176 g/mole
È un acido bi-protico debole, visto il valore molto inferiore (7 ordini di grandezza) della ka2 posso
trascurare la 2° dissociazione e considerare solo la 1°  C6H8O6 + H2O  C6H5O6- + H3O+
n° moli totali vitamina C in 100mL = 0.5/176 = 0.00285 moli  0.00285/0.1 = 0.0284 M
pH = -log [(ka1*ca)½] = -log [(7.9•10-5*0.0284) ½] = 2.8
7-
Con riferimento alla teoria degli orbitali molecolari, spiegare perché il magnesio è un buon
conduttore di corrente.
(3 punti)
Svolgimento:
Il Mg è un metallo appartenente al 2° gruppo A, caratterizzato quindi
dall’avere 2 e- nello strato più esterno. Costruendo gli orbitali molecolari
utilizzando la tecnica LCAO si vede che sia gli orbitali 3s leganti che  3s
antileganti sono completamente occupati, quindi su questa base il cristallo
di Mg non potrebbe esistere perché l’ordine di legame risulterebbe ZERO.
Tuttavia, in virtù delle proprietà dei metalli, i vari livelli sono molto
ravvicinati e vengono a costituire delle bande che si sovrappongono. Nel
Mg la banda 3s completa si sovrappone alla banda 3p vuota, permettendo così il legame (di fatto è
come se spostassi e- del  3s antilegante nel 3p legante) lasciando a disposizione degli e- il restante
 3p per la conduzione.
8-
La generica reazione endotermica A + B → C + 2D presenta l’equazione cinetica v = k[A]2.
Definire l’ordine di reazione, il tipo di meccanismo e tracciarne il grafico E vs tempo, indicando
Ea e H di reazione. Che effetto ha un aumento di T sulla reazione e sulla Keq?
(3 punti)
Svolgimento:
Reazione multistadio di 2° ordine nel reagente A.
Ea è l’energia di attivazione, Ea2 è l’energia di attivazione
del secondo stadio, la sella rappresenta l’intermedio di
reazione.
Essendo il processo endotermico un aumento di T favorisce
la reazione, la Keq aumenta e l’equilibrio si sposta verso i
prodotti.
9-
Si ha a disposizione una pila costituita dalle seguenti semicelle:
a) C(graf)/ClO- (0.1M), Cl- (0.5M), OH- (1M)
b) C(graf)/ ClO- (0.5M), Cl- (0.05M), OH- (0.1M)
Stabilire di che tipo di pila si tratta, disegnarla e calcolarne la f.e.m. indicando catodo, l’anodo,
il senso degli elettroni nel circuito esterno e delle cariche elettriche in soluzione.
(3 punti)
Svolgimento:
Si tratta di una pila a concentrazione, il catodo sarà l’elettrodo con E
> e l’anodo quello con E <
ClO- + 2H2O + 2e- → Cl- + 2OHE°= +0.89V
E (a) = +0.89 - (0.0592/2)*log([Cl-][OH-]2/[ClO-]) = +0.89 (0.0592/2)log[(0.5*12)/0.1] = 0.87V
E (b) = +0.89 - (0.0592/2) log([Cl-][OH-]2/[ClO-]) = +0.89 - (0.0592/2)log[(0.05*0.12)/0.5] = 0.98V
E (b) > E (a)  E (b) = catodo e E (a) = anodo
Erid = E (b) = 0.98V, Eox = -E (a) = -0.87V  E = Erid + Eox = 0.11V
10 -
Delle seguenti sostanze, descrivere le strutture di Lewis, tipologia di legami coinvolti tra gli
atomi, geometria molecolare, polarità, interazioni intermolecolari e tipologia del solido che
formano: HNO3, POCl3, SiO2
(3 punti)
Svolgimento:
HNO3:
H
O
N
O
O
POCl3:
Cl
O
P
Cl
SiO2:
Cl
geometria molecolare N trigonale, polare, dipolo-dipolo e legame-H,
solido molecolare
legami covalenti, tetraedrica, molecola polare, interazioni
dipolo-dipolo, solido molecolare
Legami covalenti estesi a tutto il cristallo, solido covalente.