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.
