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La nuova chimica di Rippa
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2Esercizi di recupero
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Capitolo 1La struttura dell’atomo
ESERCIZI SVOLTI
1 Indica i numeri quantici corrispondenti all’elettrone a più alta energia dell’elemento magnesio Mg,
che ha Z = 12.
Ilmagnesiohalaconfigurazioneelettronica:Mg(Z=12)=1s22s22p63s2.L’ultimoorbitalechevieneriempito,quelloamaggioreenergianellaconfigurazioneelettronicatotalestabiledell’a-tomoallostatofondamentale,èl’orbitale3s.Ilnumeroquanticoprincipalediquestoorbitale,cheèilnumerocorrispondentealguscio,èn=3.L’orbitalescorrispondealnumeroquanticoan-golarel=0.Aquestonumeroquanticoangolarecorrispondeunsolonumeroquanticomagne-tico,cioèm=0.Poichél’elettroneapiùaltaenergiaappartieneaunorbitalegiàoccupatodaunaltroelettrone,essoruotaintornoalproprioasseconversooppostorispettoaquellodell’altroelettrone.Possiamoassegnareperciòalnumeroquanticodispindell’elettroneilvalorems=
+ 1—2
oppurems=
– 1—2 .Riassumendo,iquattronumeriquanticisono:n=3;l=0;m=0;ms
=
± 1—2 .
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Indica la configurazione elettronica totale dello stagno Sn, che ha Z = 50.
Siiniziailriempimentodegliorbitaliconidueelettroniaspinoppostodell’orbitale1sesipro-seguepoiconglielettronidegliorbitali2se2p.Dopoaverriempitogliorbitali3se3p,siriempieil4seinfineicinqueorbitali3d.Raggiuntocolriempimentodegliorbitali4pilnumeroatomico36,sipassaal5sepoiaicinqueorbitali4d.Sonostaticollocaticosì48elettroni.Gliultimidueelettronicherestanodaposizionaresonodisposti,comesingolettiaspinparallelo,in...(conti-nuatu).Informasimbolica,eseguendol’ordinediriempimento,laconfigurazioneelettronicatotaledellostagnoè:
Sn(Z=50)⎯→1s2...(continuatu)
Capitolo 1 - La struttura dell’atomo
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Capitolo 2Struttura elettronica e proprietà periodiche
ESERCIZI SVOLTI
1 Facendo uso del Sistema periodico degli elementi, determina la configurazione elettronica totale e
quella esterna dell’elemento arsenico As, che ha Z = 33. Indica orientativamente a quali elementi sono più simili le sue proprietà chimiche.
NelSistemaperiodicodeglielementil’arsenicositrovaalquartoperiodoenelgruppo15;inoltreappartienealbloccop.Possiamoscriveresubitolasuaconfigurazioneelettronicaesterna,cheè,comequelladituttiglielementidelgruppo15,s2p3.Perindicarelaconfigurazioneelettronicatotale,scriviamoprimatuttigliorbitalidelprimo,delsecondoedelterzoperiodo,chesonosicu-ramentecompleti.Ciòsignificainpraticascriverelaconfigurazioneelettronicatotaledell’argo(Ar;Z=18),l’elementodelgruppo18cheprecedel’arsenico,eaggiungerei10elettronideglior-bitali3d,chesiriempionosubitodopol’orbitale4s.Aquestaconfigurazioneaggiungiamoinfineladisposizionedeglielettronidelquartoperiodo.Otteniamo:
As=1s22s22p63s23p63d 104s24p3
Tenendocontochelaconfigurazioneelettronicatotaledell’argoè1s22s22p63s23p6,laconfigu-razioneelettronicatotaledell’arsenicopuòancheessereindicatainformapiùbreve:
As=[Ar],3d 104s24p3
Inquestomodorisultaancorapiùevidentechelaconfigurazioneelettronicaesternadell’ele-mentoèquellarelativaaglielettronidell’ultimoguscio,cheinquestocasoè4s24p3.
Glielementichehannoproprietàchimichepiùsimiliaquelledell’arsenicosonoglielementidellostessogruppo,il15,inparticolarequellicheloprecedonoeloseguonoimmediatamentenelgruppo,cioèilfosforo(P;Z=15)el’antimonio(Sb;Z=51).
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 A quale gruppo appartiene l’elemento che ha configurazione elettronica esterna 3s23p4. Quali sono
presumibilmente le sue proprietà chimiche? Indica se le sue caratteristiche sono metalliche o non-metalliche.
Laprimaconsiderazionechefacciamoriguardailnumerodeglielettronipresentinelgusciopiùesterno,ilterzo.L’elementohainquestogusciocomplessivamente6elettroni[2(s)+4(p)]edeveappartenereperciòalgruppo16,ilgruppodell’ossigenochefapartedelbloccop.Poichéèdel3°periodositrattadell’elementozolfoS.
LozolfositrovanellapartedestradelSistemaperiodicoedèperciòunelementoconcaratteri-stiche...(continuatu).Lozolfodeveaverequindivalorirelativamente...(continuatu)diener-giadiionizzazioneediaffinitàelettronica.Lasuaelettronegativitàè...(continuatu)rispettoaquelladelfluoroFedell’ossigenoO,chesitrovanonel2°periodo,marisulta...(continuatu)rispettoaquelladelselenioSe,cheloseguenelgruppo16al4°periodo.
Capitolo 2 - Struttura elettronica e proprietà periodiche
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Capitolo 3Legame chimico
ESERCIZI SVOLTI
1 Quale tipo di legame è presente nelle seguenti specie chimiche: CO2, Na2O, HCl, Cl2?
LaspeciechimicaCO2èformatadalcarbonioCedall’ossigenoO,dueelementiconcaratteristichenon-metalliche,macondifferenteelettronegatività.Illegameèperciòcovalenteeteropolare.
LaspeciechimicaNa2OèformatadalsodioNaedall’ossigenoO,dueelementiconelevatadif-ferenzadielettronegatività,ilprimoconcaratteristichetipicamentemetalliche,ilsecondoconcaratteristichenon-metalliche.Illegameèperciòionico.
LaspeciechimicaHClèformatadalcloroCledall’idrogenoH,dueelementiconcaratteristichenon-metalliche,soprattuttoilcloro,macondifferenteelettronegatività.Illegameèperciòco-valenteeteropolare.
LaspeciechimicaCl2èformatadadueatomidicloroCl,chehannocertamenteugualeelettro-negatività.Illegameèperciòcovalenteomopolare.
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Tra NaCl, CsI e NaF, quale composto presenta caratteristiche più spiccatamente ioniche?
Tutteetrelespeciechimichesonoformatedadueatomiconelevatadifferenzadielettrone-gatività, il primo (Na, Cs) con caratteristiche tipicamente metalliche, il secondo (F, Cl, I) concaratteristichenon-metalliche.Illegameèperciòionicoperitrecomposti.Ladifferenzadielet-tronegativitàperòhaunvaloremassimotraglielementi...(continuatu),percuiilcompostochepresentalecaratteristichepiùspiccatamenteionicheè...(continuatu).
Capitolo 3 - Legame chimico
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Capitolo 4Forma delle molecole e proprietà delle sostanze
ESERCIZI SVOLTI
1 Qual è la geometria molecolare della molecola di metano CH4? La molecola del metano è una mo-
lecola polare?
Nella molecola di metano l’atomo di carbonio è legato con quattro legami singoli a quattroatomidiidrogeno.Ilcarboniohaconfigurazioneelettronicaesternas2p2,percuiperriuscireastabilirequattrolegamideveprimaeccitareunelettronedell’orbitale2s inmododaformarequattroorbitaliibridiisoenergeticisp3.Ilnumerodegliorbitaliibridiinunatomodeterminalageometriadellemolecoleincuisitrova.Essendol’atomodicarbonioibridatosp3,lageometriadellamolecoladimetanoètetraedrica,coni4orbitaliibrididirettidall’atomodicarboniocen-traleversoi4verticidiuntetraedrodovesitrovanoi4atomidiidrogeno.
C
H
HHH
Ladifferenzadielettronegativitàtrailcarbonioel’idrogenoè0,35(2,55–2,20),percuiilegamichesiformanosonolegamicovalentiomopolari(ΔE<5)conbassovalorediseparazionedicari-ca.Iquattrolegamisonodebolmentepolarieinoltreladisposizionesimmetricadeilegamifasìchetuttiidipolisiannullinotraloro:lamolecolaèquindiapolare.
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Determina la forma e la struttura dell’acido solfidrico H2S.
Lozolfoèunelementodelgruppo16,pertantohaconfigurazioneelettronicaesterna...(conti-nuatu).
Coniduesingolettilozolfoforma...(continuatu),pertantolastrutturadiLewisdell’acidosol-fidricoè...(continuatu).
Lozolfohaquattrocoppiedielettroniattornoasé,percuilageometriadell’acidosolfidricoè...(continuatu).
Dellequattrocoppieelettronicheattornoall’atomodizolfo,duesonodinonlegame,percuilaformadellamolecolaè...(continuatu).
Capitolo 4 - Forma delle molecole e proprietà delle sostanze
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Capitolo 5 - Nomi e formule dei composti chimici
Capitolo 5Nomi e formule dei composti chimici
ESERCIZI SVOLTI
1 Scrivi la formula dell’anidride perclorica.
Innanzituttoscriviamoisimbolideidueelementicheformanoquestocompostobinario:OeCl.Individuiamopoiirispettivinumeridiossidazione:l’ossigenonegliossidienelleanidridi,comenellamaggiorpartedeicasi,hanumerodiossidazione–2.Ilcloroinquestocasohailnu-merodiossidazionepiùalto,cioè+7,cosìcomeèindicatodalprefissoperantepostoaclorica.
Perscriverelaformuladell’anidridepercloricasiponeasinistrailsimbolodell’elementonon-metallicoconnumerodiossidazionepositivoepoiilsimbolodell’ossigeno.Questidueelementisonopresentinellamolecolaconunnumerodiatomi,rispettivamentexedy,chedipendedalnumerodiossidazione:ClxOy.L’indicexperilcloroèilvalorecorrispondentealnumerodiossi-dazionedell’ossigeno;perl’ossigenol’indiceyèquellocorrispondentealnumerodiossidazionedelcloro.Inquestomodolasommaalgebricaèugualea0,essendoiln.o.complessivodeidueatomidicloro+14equellodeisetteatomidiossigeno–14.LaformulaèperciòCl2O7.
2 Scrivi la formula dell’acido nitrico.
L’acidonitricoèuncompostoternario,piùprecisamenteunossiacido,costituitodaidrogeno,ossigenoeunnon-metallo,inquestocasol’azoto.Ilnumerodegliatomidiossigenopresentinel-lamolecolaèricavabiledalsuffisso-icopostodopoanitr-,cheindicachel’azotohailmassimonumerodiossidazione.Ancheilnumerodegliatomidiidrogenopresentidipendedalnumerodiossidazionedell’azoto,cheinquestocasohailvalorepiùalto,cioè+5(nell’acidonitrosoè+3).
Poichélasommaalgebricadeinumeridiossidazionedeglielementidiunamolecoladeveessereugualeazero,nell’acidonitricocideveessereunsoloatomodiidrogenoetreatomidiossigeno:3·(–2)+(+5)+(+1)=0.Negliossiacidisiscrivesempreperprimol’idrogeno,poiilnon-metalloeperultimol’ossigeno.LaformulaèperciòHNO3.
3 Assegna al composto di formula Cl2O3 il relativo nome nella nomenclatura tradizionale.
DallaformulariconosciamocheilcompostoCl2O3èunaanidride,inquantoformatodall’ossi-genolegatoaunelementoconcaratteristichenon-metalliche,ilcloro.L’ossigenohanelleani-dridi,comenellamaggiorpartedeicasi,numerodiossidazione–2.Poichélasommaalgebricadeinumeridiossidazionediuncompostodeveessereegualea0,ilnumerodiossidazionedelclorodeveessere+3.Ilcloropuòformareconl’ossigenocompostidiversi,assumendo4differen-tinumeridiossidazione:+1,+3,+5e+7.Iln.o.+3èilsecondodellaserie.
Ilnomedelcompostosicomponeindicandoprimailtermineanidride,cuisifaseguirelara-dicedell’elemento,chenelcasodelcloroèclor-,eilsuffisso-osaperindicarecheilnumerodiossidazioneèunodeiduepiùpiccoli.Nonaggiungendoilprefissoipo-,usatoperilnumerodiossidazionepiùpiccoloditutti(+1),sispecificacheilnumerodiossidazioneèilsecondodellaserie(+3).Perciòilnomedelcompostoèanidride clorosa.
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Capitolo 5 - Nomi e formule dei composti chimici
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Scrivi la formula dello ioduro piombico.
Nelcompostoilsuffisso-uroindicauncompostobinariotraunnon-metallo,inquestocasoloiodio,eunelementorelativamentemenoelettronegativo,inquestocasoilpiombo.Ilsuffisso-icodopopiomb-fariferimentoalmassimonumerodiossidazioneassuntodalmetallo,cheèunelementodelgruppo14.Iln.o.delpiomboèperciò…(continuatu),mentrequellodelloiodio,elementodelgruppo17,ècertamente…(continuatu).
Scriviamoprimailsimbolodelpiombo(Pb)epoiquellodelloiodio(I),attribuendoaciascunoilrelativonumerodiatomicheè…(continuatu).Laformulaèpertanto…(continuatu).
2 Assegna al composto di formula Cu2O il relativo nome.
DallaformulaCu2Oriconosciamocheilcompostoèunossidobasico,essendoformatodall’ossi-genoedaunelementoconcaratteristichemetalliche,ilrame.L’ossigenohanegliossidi,comenellamaggiorpartedeicasi,numerodiossidazione–2.Poichélasommaalgebricadeinumeridiossidazionediuncompostodeveessereegualea0,ilnumerodiossidazionedelramedeveessere+1,iln.o.piùbassotraiduechequestometallopuòavere(+1e+2).
Ilnomedelcompostosicomponeindicandoprimailtermineossido,cuiseguelaradicedell’ele-mento,chenelcasodelrameèegualealsuonome,rame,eilsuffisso…(continuatu),cheindicailpiùbassonumerodiossidazione.Perciòilnomedelcompostoè…(continuatu).
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Capitolo 6 - Radioattività e reazioni nucleari
Capitolo 6Radioattività e reazioni nucleari
ESERCIZI SVOLTI
1 Completa la seguente reazione nucleare, specificandone anche il tipo:
94Be + 4
2He→ 126C + ...
Lareazionepuòessereclassificatacomereazionedi fusionenucleare,perchésipassadaduenucleileggeri,quellodiberillio4Beequellodielio 2He,aunnucleopiùpesanteottenutodallalorounione,ilnucleodicarbonio6C.
Nellareazionesiliberaancheunaparticella.Percompletarelareazioneeindividuarelapar-ticellaconsideriamoilnumerodimassaAdeireagentiedeiprodotti.Ricaviamoilnumerodimassadellaparticelladallarelazione:
9+4=12+A⇒A=1 IlnumeroatomicoZdellaparticellasiricavainvecedallarelazionetrainumeriatomici: 4+2=6+Z⇒Z=0 LaparticellaincognitahaquindinumerodimassaA=1enumeroatomicoZ=0epertantoè
unneutrone 10n.Lareazionecompletaèperciò:
94Be+4
2He→126C+ 1
0n
2 Determina quanta energia in kcal si libera dalla reazione esplosiva di 100 kg di materiale, ammet-tendo che a seguito della reazione si verifichi la trasformazione di 1,00% della materia in energia.
Determiniamodapprimalaquantitàdimateriachesitrasforma(Δm),cheèl’1,00%di100kg: 1,00:100=Δm:100kg⇒Δm=1,00kg Attraversol’equazionediEinsteinrisaliamoall’energiaprodottaaseguitodelladiminuzionedi
massaΔm.Selamassaèespressainkgelavelocitàdellalucecinm/s(3,00·108m/s),ilvaloredell’energiarisultaespressoinjoule[J=N·m=kg·(m/s2)·m=kg·(m/s)2]:
E=Δm·c2=1,00kg·(3,00·108m/s)2=9,00·1016J Aquestopunto,sapendoche1cal=4,184Jequindi1kcal=4,184·103J,convertiamolamisurada
Jakcal: 9,00·1016J/4,184·103J/kcal=2,15·1013kcal
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Completa la seguente reazione nucleare:
94Be + 1
1p→ 42He + ...
Lareazioneconsistenellaliberazionediunaparticellaα,cioèdiunnucleodielio42He,dopoche
ilnucleodiberillioèstatocolpitodaunprotone 11p.Percompletarelareazioneeindividuare
l’elementochesièprodotto,consideriamoilnumerodimassaAdeireagentiedeiprodotti. Ricaviamocosìilnumerodimassadell’elementoincognitoattraversolarelazione: 9+1=4+A⇒A=6 IlnumeroatomicoZdell’elementoincognitosiricavainvecedallarelazione:…(continuatu). Lareazionecompletaèperciò:…(continuatu).
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Capitolo 7 - Proprietà delle soluzioni
Capitolo 7Proprietà delle soluzioni
ESERCIZI SVOLTI
1 Abbiamo due soluzioni 0,500 M alla stessa temperatura di 22 °C, una di sale da cucina, il cloruro
di sodio NaCl, l’altra di zucchero, il saccarosio. Determina la differenza di pressione osmotica tra le due soluzioni e indica la direzione verso cui si spostano le molecole di acqua, nel caso in cui le due soluzioni siano separate da una membrana semipermeabile.
Applichiamoperentrambelesoluzionilarelazionechelegalapressioneosmoticaallamolaritàeallatemperaturaespressainkelvin(22+273=295K),tenendopresente,però,chenelcasodelclorurodisodioilnumerodelleparticellepresentiinsoluzioneèdoppioacausadelladissocia-zioneionicadelsale;ilsaccarosio,invece,èuncompostoorganicochenonsidissociainacqua.
NelcasodelclorurodisodioNaCl,chesidissociacompletamenteindueioni,ilvaloredellacon-centrazionevamoltiplicatoperunfattoreν=2:
NaCl→Na++Cl–
π=M·R·T·ν=0,500·0,0821·295·2=24,2atm Lapressioneosmoticadellasoluzionedizuccheroaugualemolarità,machenonsidissociain
dueioni,corrispondeesattamenteallametàdiquelladelsale: π=M·R·T=0,500·0,0821·295=12,1atm Ladifferenzatralapressioneosmoticadelleduesoluzioniequimolarieallastessatemperatura
hapertantolostessovaloredellapressioneosmoticadellasoluzionedizucchero: 24,2atm–12,1atm=12,1atm Seleduesoluzionisonoseparatedaunamembranasemipermeabile,l’acquasispostaperosmo-
sidallasoluzioneipotonica,quelladizucchero,versolasoluzioneipertonica,quelladisale.
2 Qual è la molalità m di una soluzione acquosa di cloruro di sodio NaCl se l’abbassamento crioscopi-co è 3,55 °C?
Sappiamochel’abbassamentocrioscopicoΔtcrdiunasoluzioneèdirettamenteproporzionaleallaconcentrazionemolaledellasoluzione,periltramitedellacostantecrioscopicaKcrcheperl’acquavale1,86°C/m.Ilclorurodisodioèunelettrolitaforteeinsoluzioneacquosaècompleta-mentedissociatoindueioni,percuihacoefficientediVan’tHoffνugualea2.Lamolalitàdellasoluzionesiottienedallaseguenterelazione:
m=Δtcr/(Kcr·ν)=3,55°C/(1,86°C/m·2)=0,954m.
Segue →
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Capitolo 7 - Proprietà delle soluzioni
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Calcola la pressione di vapore a 20 °C di una miscela di etere e acetone, in cui la frazione molare
dell’etere è 0,60. A 20 °C la pressione di vapore per l’etere è 0,59 bar e per l’acetone è 0,25 bar.
Nellasoluzionedietereeacetonelafrazionemolaredell’etereè0,60.Ciòsignificache,avendolamisceladuesolicomponenti,lafrazionemolaredell’acetoneè:
Xacetone=1–Xetere=1–0,60=0,40 Su100molecole,40sonodiacetonee60sonodietere,cherappresentaperciòilsolventedella
soluzione. Lapressionedivaporedellasoluzione,tenendocontodellaleggediDaltondellepressionipar-
ziali,corrispondeallasommadellapressionedivaporedeisuoiduecostituenti.Inbaseallaleg-gediRaoultpossiamorisalireallesingolepressionidivapore,conoscendoivaloriperiliquidipuriaquellatemperaturaelafrazionemolare:
petere=p°etere·Xetere=…(continuatu) pacetone=…(continuatu) Infinecalcoliamolapressionedivaporedellasoluzioneinbar:…(continuatu).
2 La pressione osmotica esercitata da una soluzione ottenuta sciogliendo 30 g di un composto orga-nico, la cui massa molare è 58 g/mol, è 1,5 atm a 12 °C. Calcola il volume della soluzione.
Perricavareilvolumedellasoluzioneutilizziamolaleggedellapressioneosmotica.Conoscia-mo,infatti,ilvaloredellapressioneosmoticaπ(1,5atm),quellodellatemperaturainkelvin,chericaviamodallamisuraingradicentigradi(12+273)=285K,equellodelnumerodimoli,chericaviamodividendolamassadelcompostoperlasuamassamolare(58g/mol).
n=30g/58g/mol=0,52mol Sappiamochelaleggedellapressioneosmoticaè: π·V=n·R·T dacui V=…(continuatu)
3 Qual è la temperatura di ebollizione di una soluzione acquosa di saccarosio C12H22O11, la cui concen-trazione è 0,200 m? Qual è la sua temperatura di solidificazione?
Sappiamochel’innalzamentoebullioscopicoèdirettamenteproporzionaleallamolalità(0,200m),periltramitedellacostanteebullioscopicaKeb,chenelcasodell’acquavale0,512°C/m.Cal-coliamodiquantosièinnalzatalatemperaturadiebollizione:
Δteb=m·Keb=0,200m·0,512°C/m=0,102°C La temperatura di ebollizione della soluzione è data dalla somma del punto di ebollizione
dell’acquapiùl’innalzamentoebullioscopico:100,000°C+0,102°C=100,102°C. Anche l’abbassamento crioscopico è direttamente proporzionale alla molalità (0,200 m), per
iltramitedellacostantecrioscopicaKcr,chenelcasodell’acquavale1,86 °C/m.Calcoliamodiquantosièabbassatalatemperaturadisolidificazione:Δtcr=…(continuatu)
Latemperaturadisolidificazionedellasoluzioneèdatadalladifferenzatra…(continuatu).
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Capitolo 8 - Reazioni chimiche
Capitolo 8Reazioni chimiche
ESERCIZI SVOLTI
1 L’idrossido di potassio KOH reagisce con l’acido nitrico HNO3. Scrivi e bilancia la reazione, preveden-
do quali sono i prodotti della reazione. Individua a quale tipo di reazione chimica appartiene?
Considerandocheireagentisonounidrossidoeunossiacido,possiamoricavareiprodottidellareazione.Dallareazionetraunidrossidoeunacidosiformaunsaleeacqua.IlsaleèformatodalloionemetallicoK+,chederivadall’idrossido,edalradicaleacidoNO3
–,chederivadall’acidonitrico.Considerandocheilpotassio,comel’idrogeno,hanumerodiossidazione+1,laformuladelsaleèKNO3.L’equazionechimicaèpertanto:
HNO3+KOH→KNO3+H2O Cosìcomeèscritta,l’equazioneègiàbilanciata.Lareazioneèunareazionedidoppioscambio,in
particolareèunareazionedineutralizzazione.
2 L’acido cloridrico HCl si forma dalla reazione tra cloruro di sodio NaCl e acido solforico H2SO4 secon-do la reazione:
2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl Qual è il reagente limitante della reazione, se si combinano 3 moli di cloruro di sodio con 3 moli di
acido solforico?
Ilreagentelimitanteèilreagentechepermettelaformazionedellaminorquantitàdiprodotti.Perindividuarloèsufficientecalcolarequantemolidiacidocloridricopossonoessereottenuteda3molidiclorurodisodioeda3molidiacidosolforico.Lemolidiacidocloridricochesifor-manosiottengonomoltiplicandolemolideireagentiperilrapportostechiometrico.
Dall’equazionechimicabilanciatasivedeche2molidiNaClproducono2molidiHCl,percui: nHCl= 2—2 nNaCl=1⋅3mol=3mol mentre1molediH2SO4produce2molidiHCl,percui: nHCl= 2—1 nH2SO4
=2⋅3mol=6mol Ilreagentelimitanteèilclorurodisodioinquantofornisce3molidiacidocloridricocontrole6
dell’acidosolforico.
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Il cloruro di sodio NaCl si forma dalla reazione tra il sodio metallico e il cloro Cl2 secondo la reazione: 2Na + Cl2 → 2NaCl Quanti grammi di cloruro di sodio si formano facendo reagire 2,54 g di sodio con 3,45 g di cloro?
Perdeterminarelamassadiclorurodisodiochesiformaènecessarioindividuareilreagentelimitantedellareazione.Perprimacosasidevonocalcolarelemolidireagenti:
nNa=…(continuatu) nCl2
=…(continuatu) Ilreagentelimitantesideterminacalcolandoilnumerodimolidiclorurodisodiocheciascun
reagentepuòformare,utilizzandoilrapportostechiometricodiciascunreagente: nNaCl(Na)=…(continuatu) nNaCl(Cl2)=…(continuatu) LamassadiclorurodisodiochesiformasiottienemoltiplicandolemolidiNaClper…(continuatu).
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Capitolo 9 - Energia e velocità delle reazioni chimiche
Capitolo 9Energia e velocità delle reazioni chimiche
ESERCIZI SVOLTI
1 L’ossido presente nella ruggine ha formula Fe2O3. L’equazione della reazione di formazione del trios-
sido di diferro a partire dagli elementi è la seguente: 4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s)
ΔH = –822,2 kJ/mol; ΔS = –543,0 J/K mol Determina se la reazione di formazione del triossido di diferro è spontanea alla temperatura di 25 °C.
PerdeterminarelaspontaneitàdiunareazionechimicaènecessariocalcolarnelavariazionedienergialiberaΔG.ConoscendolavariazionedientalpiaΔH,lavariazionedientropiaΔSelatemperaturaassolutaT=25+273=298K,ricaviamolavariazionedienergialiberautilizzandol’equazione:
ΔG=ΔH–TΔS=–822,2kJ/mol–[298K⋅(–0,5430kJ/Kmol)]= –822,2kJ/mol–(–161,0kJ/mol)=–661,2kJ/mol Lavariazionedienergialiberacheaccompagnalaformazionedeltriossidodidiferrohavalore
negativo,pertantolareazioneèspontanea.
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 L’energia che si libera quando, alla temperatura di 25 °C e alla pressione di 1,00 atm, bruciamo
metanolo CH3OH è 726 kJ/mol. Un liquido, ottenuto dalla distillazione della corteccia di conifere e utilizzato normalmente come solvente organico, è costituito per il 50,3% in peso da metanolo e per la rimanente parte da acqua e altri composti non combustibili. Determina quanto calore si può ricavare dalla combustione completa, a 25 °C e 1,00 atm, di 50,0 mL del solvente, sapendo che la densità di questo liquido è 0,896 g/mL.
Perdeterminarelaquantitàdicaloreliberatadobbiamoconoscerelamassadelmetanolochereagisceequindilamassadelsolventeorganicoutilizzato.Lamassaingrammidi50,0mLdisolventesiricavaattraversoilvaloredelladensitàdiquestoliquido:
50,0⋅0,896=44,8g Tenendocontodellapercentualeinpeso(50,3%),laquantitàdimetanolocontenutanei44,8g
delsolventeorganicoè: 44,8⋅50,3/100=22,5g Determiniamoorailvaloredellamassamolaredelmetanolo: 12,011+(1,00797⋅4)+15,9994=32,042g/mol cosìdapotercalcolareilnumerodellemolicorrispondentia22,5g:…(continuatu).Tenendoconto
cheilmetanoloèl’unicocomposto,traquellipresentinelliquidosolvente,aesserecombustibile,laquantitàdienergiainkJchesiliberadallareazionedicombustionesiricava…(continuatu).
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Capitolo 10 - L’equilibrio chimico
Capitolo 10L’equilibrio chimico
ESERCIZI SVOLTI
1 Alla temperatura di 762 K e alla pressione di 1,00 atm la costante di equilibrio per la formazione
dell’acido solfidrico a partire da zolfo e idrogeno gassosi vale 85,0. Sapendo che in un reattore dal volume di 100 L vengono introdotti, alle condizioni di temperatura e pressione indicate, 25,0 L di zolfo e 10,0 L di idrogeno, determina la massa in grammi delle varie sostanze all’equilibrio.
Scriviamosubitoebilanciamol’equazionechimicadellareazioneinoggetto: S+H2↔H2S Scriviamopoil’espressionedellacostantediequilibriodellareazione: K=[H2S]/[S]·[H2] Conoscendolecondizioniditemperaturaepressioneeilvolumedellesostanzemesseareagire,
possiamodeterminarelequantitàinmolideireagenticheeranopresentiprimadellareazione.Trattandosidisostanzegassose,utilizziamol’equazionedistatodeigasperfetti:
nS=p·V—R·T
=25,0L⋅1,00atm
——0,0821L·atm·mol–1·K–1⋅762K
=0,400mol,n°dellemolidiSall’inizio
nH2=
p·V—R·T
=10,0L⋅1,00atm
——0,0821L·atm·mol–1·K–1⋅762K
=0,160mol,n°dellemolidiH2all’inizio
Indicandoconxilnumerodellemolidiprodottochesisonoformatedallareazioneechesonopresentiall’equilibrio,sipuòricavare in funzionedix ilnumerodellemolidiciascunadellealtrespeciechimichepresenti,considerandoancheicoefficientistechiometricidell’equazionechimica.Nelnostrocaso,sesisonoformatexmolidiacidosolfidrico,sidevonoessereconsuma-texmolidizolfoexmolidiidrogeno.Pertantoall’equilibrioabbiamo:
molH2S=x;molS=0,400–x;molH2=0,160–x Sirisaleallaconcentrazionemolaredeicompostiall’equilibrio,dividendoilnumerodellemoli
perilvolumedelreattore: [H2S]=x/100mol/L [S]=(0,400–x)/100mol/L [H2]=(0,160–x)/100mol/L Sostituiamooranell’espressionedellacostantediequilibrioivaloridiconcentrazionetrovati: K=(x/100)/{[(0,400–x)/100]·[(0,160–x)/100]}=85,0 Daquestaespressionericaviamolaseguenteequazionedisecondogrado: 85,0x2–147,6x+5,44=0 lacuirisoluzionefornisceduesoluzioni: x1=0,0376mol;x2=1,70mol Lasecondasoluzione(1,70mol)nonpuòessereaccettata,inquantorappresentaunvaloredel
numerodellemolichehannoreagito,siadizolfosiadiidrogeno,superiorealvaloreinizialedientrambelesostanze,rispettivamente0,400e0,160.Infine,accettatalaprimasoluzione(0,0376mol), moltiplichiamo i valori in moli ricavati dall’equazione per le rispettive masse molari(34,080g/molperH2S;32,064g/molperS;2,01594g/molperH2)epassiamocosìdallaquantitàespressainmoliallaquantitàespressaingrammipertutteetrelesostanze:
0,0376mol⋅34,080g/mol=1,28gH2S (0,400–0,0376)⋅32,064g/mol=11,6gS (0,160–0,0376)⋅2,01594g/mol=0,247gH2 Segue →
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Capitolo 10 - L’equilibrio chimico
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 In un recipiente da 1,00 L a 420 °C vengono messe a reagire 2,94 mol di iodio I2 con 8,00 mol di idro-
geno H2. L’equilibrio viene raggiunto quando si sono formate 5,64 mol di acido iodidrico HI. Calcola il valore della costante di equilibrio.
Perprimacosascriviamoebilanciamol’equazionechimicadellareazioneinoggetto: I2+H2↔2HI Scriviamopoil’espressionedellacostantediequilibriodellareazione: K=[HI]2/[I2]·[H2] DallaletturadellareazionerisultaevidentecheperformareduemolidiHIsidevonoconsuma-
reunamolediI2eunamolediH2.Ilnumerodimolidiiodioequellodiidrogenochereagisconosonolametàdelnumerodimolidiacidoiodidricoprodotte.Nelnostrocasosisonoformate5,64moldiHIesidevonoessereconsumate5,64/2=2,82moldiI2elostessonumero(2,82mol)diH2.All’equilibrionelrecipientesitrovanoperciòleseguentiquantitàinmoli:
nI2=2,94–2,82=0,12mol
nH2=8,00–2,82=5,18mol
nHI=5,64mol Poichélareazioneèstatacondottainunrecipientedalvolumeparia1,00L,ivaloridellacon-
centrazionemolareall’equilibrioperletresostanzesono: [I2]=0,12mol/1,00L=0,12mol/L [H2]=5,18mol/1,00L=5,18mol/L [HI]=5,64mol/1,00L=5,64mol/L AquestopuntopossiamocalcolarelacostantediequilibrioK:…(continuatu).
2 A 50 °C la seguente reazione generica A + 2B ↔ 2C raggiunge l’equilibrio. Nel recipiente da 400 mL in cui avviene la reazione troviamo 0,800 mol di C, essendo partiti da 1,000 mol di A e 2,000 mol di B. Determina il valore della costante di equilibrio K.
Riferendosiai rapportistechiometrici indicatidall’equazionechimica,possiamodirecheperformare0,800moldiCsidevonoconsumare0,800moldiBeunaquantitàdiAinmolicorri-spondenteallametà:0,800/2=0,400mol.All’equilibrioabbiamopertantoleseguentiquantitàinmolideitrecomposti:
nA=1,000mol–0,400mol=0,600mol nB=2,000mol–0,800mol=1,200mol nC=0,800mol Poichélareazionesisvolgeinunrecipientechehailvolumedi400mL,cioè0,400L,peritre
compostiabbiamoiseguentivaloridiconcentrazionemolare: [A]=0,600mol/0,400L=1,50mol/L [B]=1,200mol/0,400L=3,00mol/L [C]=0,800mol/0,400L=2,00mol/L Aquestopuntoscriviamol’espressionedellacostantediequilibrioK,inbaseallaleggediazione
dimassa,e infinesostituiamoivaloridellaconcentrazionetrovati,tenendocontodeicoeffi-cientistechiometrici:…(continuatu).
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Capitolo 11 - Acidi e basi
Capitolo 11Acidi e basi
ESERCIZI SVOLTI
1 Calcola il pH di una soluzione 1,0 · 10–1 M di un acido forte monoprotico HA.
SappiamocheilpHèugualeal logaritmoinbase10cambiatodisegnodellaconcentrazionedegliidrogenioniH+presentinellasoluzione:
pH=–log10[H+] LasoluzionedicuidobbiamocalcolareilpHèdiunacidofortemonoprotico.Gliacidifortisono
completamentedissociatiequellimonoproticihannounsoloidrogenodissociabile. HA→H++A–
Laconcentrazionedell’acidoHAvaperciòacoincidereconlaconcentrazionedegliioniH+,cheinquestocasoè1,0·10–1mol/L.DaciòderiviamoilvaloredelpH:
pH=–log101,0·10–1=1,0
2 La costante di dissociazione dell’acido acetico CH3COOH è 1,8 · 10–5, quella dell’acido cianidrico HCN è 7,2 · 10–10 e quella dell’acido formico HCOOH è 2,1 · 10–4. L’acido nitrico HNO3 è un acido forte. Se si preparano soluzioni alla stessa concentrazione di questi quattro acidi, qual è l’ordine di acidità crescente?
L’acidonitricoèunacidoforte,essendocompletamentedissociato.Lasuacostantedidissocia-zionehaunvaloreelevatissimoelasuasoluzioneèquellapiùacida.Unacostantedidissocia-zioneconunvalorealtoindicaunamaggioredissociazionedell’acidoequindiunapiùelevataconcentrazionedegliidrogenioniH+.Dopol’acidonitrico,lacostantedidissociazionepiùaltaèquelladell’acidoformico,seguitadaquelladell’acidoaceticoeinfinedaquelladell’acidocia-nidrico.Possiamoricavaredaquestasuccessionel’ordinediacidità,andandodall’acidomenofortealpiùforte:
HCN<CH3COOH<HCOOH<HNO3
3 Indica se la soluzione acquosa di ciascuno dei seguenti sali risulta acida, basica o neutra: (a) KBr; (b) NH4NO3; (c) KCN.
(a)IlbromurodipotassioKBrèilsalediunabaseforte,l’idrossidodipotassioKOH,ediunacidoforte,l’acidobromidricoHBr.IlsaleKBrècompletamentedissociatoesialoioneK+sialoioneBr–insoluzionenonidrolizzano.PertantolasoluzioneacquosadiKBrèneutra.
(b)IlnitratodiammonioNH4NO3èilsalediunabasedebole,l’ammoniacaNH3,ediunacidoforte,l’acidonitricoHNO3.IlsaleNH4NO3ècompletamentedissociatoe,mentreloioneNO3
–nonidrolizza,loioneNH4
+dàluogoaunareazionediidrolisiacida: NH4
+(aq)+H2O(l)↔NH2(aq)+H3O+
(aq)
LasoluzionedinitratodiammoniocontieneioniH3O+ineccessorispettoagliioniOH–edèperciòacida.
(c)IlcianurodipotassioKCNèilsalediunabaseforte,l’idrossidodipotassioKOH,ediunacidodebole,l’acidocianidricoHCN.IlsaleKCNècompletamentedissociatoe,mentreloioneK+nonidrolizza,loioneCN–dàluogoaunareazionediidrolisibasica:
CN –(aq)+H2O(l)↔HCN(aq)+OH–
(aq)
LasoluzionedicianurodipotassiocontieneioniOH–ineccessorispettoagliioniH3O+edèperciòbasica.
Segue →
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Capitolo 11 - Acidi e basi
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Calcola la concentrazione degli idrogenioni e il pH di una soluzione 0,050 M di acido acetico.
Dopoaverscrittol’equazionedellareazionedidissociazioneionicadell’acidoacetico,scriviamol’espressionedellacostantedidissociazioneKadiquestoacido:
CH3COOH↔CH3COO–+H+
Ka=[CH3COO–]·[H+]/[CH3COOH] Dalletabellericaviamoche ilvaloredellacostanteKaè1,8·10–5.Aquestopuntoricerchiamo
ivaloridiconcentrazionepresentiall’equilibrio.Se indichiamoconx laconcentrazionedegliidrogenionichesiformanoconladissociazione,possiamodescriverelasituazionedelletrespe-ciepresentiinsoluzioneconlaseguentetabella:
[CH3COOH] [CH3COO–] [H +]Concentrazione iniziale 0,050 0 0Variazione – x + x + xConcentrazione all’equilibrio 0,050 – x x x
Sostituiamoleconcentrazioniall’equilibrio,definiteinfunzionedix,nell’espressionedellaco-stantedidissociazioneKaerisolviamol’equazione:
Ka=[x]·[x]/[0,050–x]=1,8·10–5
x2/(0,050–x)=1,8·10–5
PoichéilvaloredellacostanteKaèmoltobasso,laquantitàdiacidoaceticochesiionizzaècosìpiccoladapoteresseretrascurata,seconfrontataconlaconcentrazioneiniziale.Ilvaloredixètrascurabilequandovienerapportatoa0,050mol/L,essendominoredell’erroredimisura.Ciòpermettedisemplificarel’equazione,considerando0,050ildenominatore,cosìdapoterricavarelaconcentrazionedegliidrogenioniedaquestacalcolareilpH:…(continuatu).
2 Sciogliamo in acqua 7,00 g di idrossido di sodio NaOH e portiamo il volume della soluzione a 200 mL. Calcola il pH e il pOH della soluzione.
DapprimacalcoliamoquantemolidiNaOHsonostatesciolte,sapendochelamassamolaredelcompostoè40,00g/mol:
7,00g/40,00g/mol=0,175mol Poicalcoliamolaconcentrazionemolaredelcomposto,sapendocheilvolumeincuièdisciolto
è200mL=0,200L: 0,175mol/0,200L=0,875mol/L L’idrossidodisodioNaOHèunabaseforteepertantoècompletamentedissociatoinioni: NaOH→Na++OH–
PoichéinsoluzioneperogniunitàdiNaOHchesiscomponesiformaunoioneidrossidoOH–,laconcentrazionedellabaseNaOHcheabbiamocalcolato(0,875mol/L)corrispondeancheallaconcentrazionedegliioniOH–.AquestopuntopossiamocalcolareilpOHedaquestopoiricava-reilpH:…(continuatu).
Segue →
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Capitolo 11 - Acidi e basi
3 Calcola il pH di una soluzione di cloruro di ammonio NH4Cl che contiene 11,6 g di questo sale in 2,00 L di soluzione. La costante di dissociazione Kb dell’ammoniaca NH3 è 1,8 · 10–5.
IlclorurodiammonioNH4Clpuòessereconsideratocomeunsaleformatodaunacidoforte,HCl,edaunabasedebole,NH3.QuestosalediscioltoinacquasidissociacompletamenteinioniNH4
+eioniCl–.GliionicloruroCl–nonreagisconoconl’acqua,mentregliioniNH4+dannocon
l’acquaunareazionediidrolisiacida: NH4
+(aq)+H2O(l)↔NH3(aq)+H3O+
(aq)
PercalcolarelaconcentrazionedegliioniossonioH3O+presentiinsoluzione,equindiilpH,fac-ciamoriferimentoallarelazionespecificaperl’idrolisiacida:
— [H3O+]=√(Kw/Kb)·[S] doveKwèilprodottoionicodell’acqua,Kbèlacostantedidissociazionedellabasee[S]èlacon-
centrazionemolaredelsale.ConosciamoivaloridellecostantiKweKb,mentrelaconcentrazio-nedelsaledeveesserericavataapartiredallamassadelclorurodiammonio(11,6g),dallasuamassamolare(53,49g/mol)edalvolumedellasoluzione(2,00L):…(continuatu).
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Capitolo 12 - Elettrochimica
Capitolo 12Elettrochimica
ESERCIZI SVOLTI
1 Bilancia l’equazione chimica della seguente reazione di ossidoriduzione, che avviene in soluzione
acida: KNO2 + KMnO4 + H2SO4 → KNO3 + K2SO4 + MnSO4 + H2O
Assegniamo prima il numero di ossidazione a tutti gli atomi che partecipano alla reazione.Idrogeno,ossigeno,potassioezolfononcambianonelcorsodellareazioneilloron.o.Interessia-mocialloradell’azotoedelmanganese,chesonoiprotagonistidellareazione:
(+3) (+7)(+5)(+2)KNO2+KMnO4+H2SO4→KNO3+K2SO4+MnSO4+H2O
Scriviamoleduesemireazioniredox.Lasemireazionediossidazioneèquellaincuil’azotoperde2elettroni,passandodan.o.+3an.o.+5:
(+3) (+5)N→N+2e–
n.o.N+3→+5,cioèΔN=2=coefficientedelmanganese Lasemireazionediriduzioneriguardailmanganese,cheacquista5elettronipassandodan.o.
+7an.o.+2: (+7) (+2)
Mn+5e–→Mnn.o.Mn+7→+2,cioèΔMn=5=coefficientedell’azoto
Datocheunatomodiazotocededueelettroni,mentreogniatomodimanganeseneaccettacinque,perogni5atomidiazotochesiossidanooccorronodueatomidimanganesechesiridu-cono.Mettiamoquindiilcoefficiente2davantiaicompostichecontengonoilmanganeseeilcoefficiente5davantiaicompostichecontengonol’azoto.Abbiamoperciò:
5KNO2+2KMnO4+H2SO4→5KNO3+K2SO4+2MnSO4+H2O Continuiamoilbilanciamento,considerandocheneiprodottifiguranotreradicalisolfatoSO4
2–;andiamo perciò ad aggiungere il coefficiente 3 davanti all’acido solforico nei reagenti. Infine,poichéaquestopuntoneireagentifiguranoseiatomidiidrogeno,conl’aggiuntadelcoefficiente3davantiall’acquaneiprodotticompletiamoilbilanciamento:
5KNO2+2KMnO4+3H2SO4→5KNO3+K2SO4+2MnSO4+3H2O
2 La cella voltaica che si caratterizza per la reazione: 2Ag+(aq) + Ni(s) → 2Ag(s) + Ni 2+
(aq) ha una forza elettromotrice pari a 1,05 V a 25 °C. Qual è il valore del potenziale di riduzione
standard E° per il semielemento a nichel Ni 2+ + 2e– → Ni(s), se E° per il semielemento ad argento Ag+ + e– → Ag(s) vale +0,80 V nelle stesse condizioni?
Sappiamochelaforzaelettromotricediunapilaèdatada:f.e.m.=E°catodo–E°anodo
Inunacellavoltaicaavvengonoseparatamentelareazionediossidazioneequelladiriduzione.Piùprecisamenteall’anodoavvienel’ossidazioneealcatodoavvienelariduzione.Inquestocasoilsemielementointeressatodall’ossidazioneèquelloanichel,mentrequelloadargentoèinte-ressatodallariduzione.Abbiamoperciòche:
anodoNi(s)→Ni2+(aq)+2e–ossidazione
catodo2Ag+(aq)+2e–→2Ag(s)riduzione
Poichéconosciamolaf.e.m.dellapilaeilpotenzialediriduzionestandarddelsemielementoadargento,checorrispondeaE°catodo,possiamoricavareperdifferenzailpotenzialedelsemielemen-toanichel,cheèquellodoveavvienel’ossidazioneE°anodo:
E°anodo=E°catodo–f.e.m.=+0,80V–(+1,05V)=–0,25V Segue →
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Capitolo 12 - Elettrochimica
3 Una corrente elettrica la cui intensità è di 2,0 A (ampere) viene fatta passare per 50 minuti in una cella elettrolitica attraverso una soluzione che contiene ioni Cu2+. Quale quantità di rame in gram-mi si deposita al catodo?
Lareazionecheavvienealcatodoèlariduzionedelloionerameicoaramemetallico:Cu2+
(aq)+2e–→Cu(s)
PerpoterutilizzarelarelazionedellaprimaleggediFaraday,occorrecalcolareprimalaquantitàdicaricaQ,espressaincoulomb(C),chepassaattraversolacellaneltempot,espressoinsecondi(s),essendoIl’intensitàdicorrente,espressainampere(A):
Q=I·t cioè Quantitàdicarica(C)=intensitàdicorrente(A)⋅tempo(s) dacui Q=2,0A⋅(50min⋅60s/min)=6000C Aquestopuntocalcoliamoaquantemolidielettroni,cioèaquantifaradayFdielettricità,corri-
spondequestaquantitàdicaricachepassa: 6000C⋅(1mole–/96500C)=0,0622mole–
Oranonrestachepassaredallemolidielettroni,cioèdaifaraday,allemolidiramechesitrasfor-manoerisalireinfineallamassadelramedepositato.Lemolidiramesonoesattamentelametàdiquelledeglielettroni,poichéperdepositarealcatodounatomodirameCuapartiredaunoionerameicoCu2+servonodueelettroni:
0,0622mol/2=0,0311molCu Sapendochelamassamolaredelrameè63,546g/mol,determiniamoquantigrammidelmetal-
losidepositano: 0,0311mol⋅63,546g/mol=1,98g
Segue →
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ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Bilancia l’equazione chimica della seguente reazione di ossidoriduzione, che avviene in soluzione
basica: PCl3 + KMnO4 + KOH → MnCl2 + K3PO4 + KCl + H2O
Assegniamo prima il numero di ossidazione a tutti gli atomi che partecipano alla reazione.Idrogeno,ossigeno,cloroepotassiononcambianonelcorsodellareazioneilloron.o.Interessia-mocialloradelfosforoedelmanganese,chesonoiprotagonistidellareazione:
(+3) (+7)(+2)(+5)PCl3+KMnO4+KOH→MnCl2+K3PO4+KCl+H2O
Scriviamoleduesemireazioniredox.Lasemireazionediossidazioneèquellaincuiilfosforoperde2elettroni,passandodan.o.+3an.o.+5:
(+3) (+5)P→P+2e–
n.o.P+3→+5,cioèΔP=2=coefficientedelmanganese Lasemireazionediriduzioneriguardailmanganese,cheacquista5elettronipassandodan.o.
+7an.o.+2: (+7) (+2)
Mn+5e–→Mnn.o.Mn+7→+2,cioèΔMn=5=coefficientedelfosforo
Datocheunatomodifosforocededueelettroni,mentreogniatomodimanganeseneaccettacinque,perogni5atomidifosforochesiossidanooccorronodueatomidimanganesechesiriducono,cioèilrapportotraPeMnè5:2.Mettiamoquindiilcoefficiente2davantiaicompostichecontengonoilmanganeseeilcoefficiente5davantiaicompostichecontengonoilfosforo.Abbiamoperciò:
5PCl3+2KMnO4+KOH→2MnCl2+5K3PO4+KCl+H2O Ilbilanciamento,cheancoranonècompleto,proseguecon:...(continuatu).
2 Per quanti minuti una corrente elettrica, la cui intensità è di 1,50 A (ampere), deve passare in una cella elettrolitica attraverso una soluzione contenente ioni Fe3+ per avere la deposizione al catodo di 100 g di ferro metallico?
Lareazionecheavvienealcatodoèlariduzionedelloioneferricoaferrometallico: Fe3+
(aq)+3e–→Fe(s)
Dapprimacalcoliamolemolidielettroni,cioèifaradayF,chesononecessarieperfardepositarelaquantitàrichiestadiferro(100g).DallareazionesappiamocheperdepositareunatomodiferrodaunoioneFe3+sononecessaritreelettroni.Lemolidielettronidevonoessereperciòiltriplodellemolidiferrodadepositare.Essendo55,847g/mollamassamolaredelferro,abbiamo:
100g/55,847g/mol=1,79moldiFe moldie–=3·moldiFe=3⋅1,79mol=5,37mol SapendochelacaricaelettricadiunamoledielettronicorrispondeallacostantediFaraday,cioè
a96500C(coulomb),possiamocalcolareprimalaquantitàdicaricaQespressaincoulomb(C)chedevepassareepoi,attraversolarelazioneQ=I·t,iltemponecessario:…(continuatu).
Capitolo 12 - Elettrochimica
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La nuova chimica di Rippa
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Capitolo 13 - Le proprietà dei composti organici
Capitolo 13Le proprietà dei composti organici
ESERCIZI SVOLTI
1 Qual è l’ibridazione di ciascun atomo di carbonio nel composto che segue? O ||
CH3CCH2CN
Perprimacosaespandiamolastrutturadelcompostoindicandotuttiilegamitragliatomidicarbonioeglialtriatomi;quindiassegniamoadogniatomodicarboniounasigladiriferimen-to(I),(II),(III)e(IV).
H O H | || |
H—C—C—C—C———N | | H H (I) (II) (III) (IV)
Individuiamoperciascunatomodicarbonioiltipodiibridazione. Gliatomidicarboniolegatiadaltriquattroatomiutilizzano,durantel’ibridazione,quattroor-
bitali(1orbitalese3obitalip);quindiicarboniIeIIIhannounaibridazionesp3. L’atomodicarboniolegatoadaltritreatomiutilizza,durantel’ibridazione,treorbitali(1orbitale
se2orbitalip);quindiilcarbonioIIhaunaibridazionesp2. L’atomodicarboniolegatoadaltridueatomiutilizza,durantel’ibridazione,dueorbitali(1orbi-
talese1orbitalep);quindiilcarbonioIVhaunaibridazionesp. Lasequenzadelle ibridazionidegliatomidicarboniodelcomposto,procedendodasinistraa
destranellamolecola,èsp3,sp2,sp3,sp.
2 Quale dei seguenti composti è otticamente inattivo? CH3
CH3
(A)
HClClH
CH3
CH3
(B)
ClHHCl
CH3
CH3
(C)
ClHClH
CH3
CH3
(D)
HHClH
Perprimacosanumeriamogliatomidicarboniopresentineiquattrocompostiiniziandodaquellosituatopiùinalto.Individuiamoicarbonichiraliecontrassegnamoliconunasterisco.Ricordiamocheuncarbonioèchiralequandoèlegatoaquattroatomiogruppidifferenti.Icarbonichiralisonoresponsabilidell’attivitàotticadiuncomposto.
CH3
CH3
(A)
HClClH
4
1
2 **3
CH3
CH3
(B)
ClHHCl
4
1
2 **3
CH3
CH3
(C)
ClHClH
4
1
2 **3
CH3
CH3
(D)
HHClH
4
1
2 *3
Sonochiraliicarboniinposizione2e3neicomposti(A),(B)e(C),eilsolocarbonioinposizione2nelcomposto(D).
Segue →
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Capitolo 13 - Le proprietà dei composti organici
Analizziamoleformule.Tuttecontengonocarbonichirali.Perindividuareseunadiquestemo-lecolenonèotticamenteattivadobbiamoscoprireunacaratteristicacheconferiscaquestapro-prietà.
Icomposti(A)e(B)sonoenantiomeriunodell’altro(sonoimmaginispeculari)emostrerannosicuramenteunapropriaattivitàottica.
Ilcomposto(D),poichécontieneunsolocarboniochirale(ilsecondodall’alto)enonhaunpianointernodisimmetria,saràuncompostootticamenteattivo.
Ilcomposto(C)haunapeculiarità:sesitracciaunpianodisimmetriatragliatomidicarbonioinposizione2e3siosservachelapartesuperioredellamolecolaèl’immaginespecularedellaparteinferiore.Ilcarboniochirale2eilcarboniochirale3sitrovanocomedavantiaunospec-chioesicomportanocomeunacoppiadienantiomeri.L’attivitàotticadelcarbonio2èannulla-tadall’attivitàotticadelcarbonio3:lamolecola(C)èotticamenteinattiva,èachirale.
Icompostidiquestotiposonodettimeso-compostiesonootticamenteinattivi.Imeso-compo-stiperesseretalidevonoavereunnumeroparidicarbonichiralieunpianodisimmetriacherendaspecularemetàdellamolecolaall’altrametà.
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Le molecole (I) e (II) di seguito rappresentate sono: (A) enantiomeri, (B) diastereoisomeri, (C) meso-
composti o (D) isomeri strutturali? CH3
CH3(I)
H3C
H3C(II)
Individuiamoedindichiamoconunasteriscoicarbonichirali.
12
**
H3C
H3C
12
**
CH3
CH3(I) (II)
Daunaprimaanalisisembratrattarsididueimmaginispecularinonsovrapponibili. L’opzione(B)nonècorretta,perchéidiastereoisomerisonostereoisomeriche...(continuatu). L’opzione(C)nonècorretta,perchéimeso-compostidevonocontenere...(continuatu)chenes-
sunadiquestemolecoleha(cfr.l’eserciziosvolto2). L’opzione(D)nonècorretta,perchégliisomeristrutturalisonocompostichehannolastessa
formulamolecolare,ma...(continuatu). Leconnessionitraquesteduemolecolesonolestesse:ciòsignificacheessisonostereoisomeri,
nonisomeristrutturali. Dovrebbequinditrattarsidiunacoppiadienantiomeri,l’opzione(A).Ilfattocheicarbonichi-
raliorientinoigruppisopraesottoilpianodellemolecolepuò,però,lasciarequalchedubbio. Perfacilitarel’analisiruotiamodi180°ilcomposto(II),chedivienecosì(III),everifichiamoseè
sovrapponibilealcomposto(I).
12
**
H3C
H3C
12
**
CH3
CH3
12
**
CH3
CH3(I) (II) (III)
Facendoscorrerelaformuladelcomposto(III)suquelladelcomposto(I)vediamochelasovrap-posizioneèimpossibile,perché...(continuatu).
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Capitolo 14 - Gli idrocarburi
Capitolo 14Gli idrocarburi
ESERCIZI SVOLTI
1 Il nome IUPAC dell’idrocarburo di seguito rappresentato è (A) 2,5-dimetileptano, (B) 2-etil-5-metile-
sano, (C) 3,6-dimetileptano o (D) 5-etil-2-metilesano?
Laprimacosadafareperassegnareilnomeauncompostoèidentificarelacatenacarboniosapiùlunga.
Inquestocasolacatenapiùlungahasetteatomidicarbonio:unatomodicarbonioperognispigolodellastrutturaazig-zag(5C)piùunatomodicarbonioperogniestremitàdellacatena(2C),intotale7atomidicarbonio.
Comeconseguenzalacatenaprincipaledell’alcanoavràlapartefinaledelnomecheterminacon-eptano.Leopzioni(B)e(D)possono,perquestomotivo,essereeliminate.
Nellafasesuccessivadobbiamoverificarechegliatomidicarboniosianonumeratiinmodocheisostituentiabbianolanumerazionepiùbassapossibile.
Questocompostohaduegruppimetilici(leestremitàliberesottintendonoungruppoCH3);perassegnareaquestigruppilanumerazionepiùbassadobbiamonumerarelacatenadadestraasinistra.
3 17
465 2
Igruppimetilicisonolegatialleposizionidellacatena2e5,percuiilnomeIUPACcorrettoè2,5-dimetileptano,cioèl’opzione(A).
L’opzione(C),3,6-dimetileptano,nonècorretta,perchélanumerazionedeisostituentinonsa-rebbelapiùbassa,andandodasinistraversodestra.
5 71
423 6
numerazioneerrata
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Capitolo 14 - Gli idrocarburi
2 Disegna la formula di struttura triangolare planare del seguente composto, il cui nome commer-ciale è vinil cloruro, e assegnagli il nome IUPAC corretto.
H2C —— CHCl
Ilvinilcloruro,dettoancheclorurodivinile,èilcompostodipartenzaperlasintesidelpolivi-nilcloruro(PVC),unpolimerodiaddizioneeunamateriaplasticamoltocomune(vedi§15.15dellibroditesto).
Ilterminevinile,ogruppo vinilicooetenile(IUPAC),èungruppofunzionalecostituitodadueatomidicarboniolegatitraloroconundoppiolegameedatreatomidiidrogenoedèderivatodall’etene(etilene)perperditadiunidrogeno.
Perprimacosadisegnamolaformula,disponendoilegamiattornoaldoppiolegamecarbonio-carbonioa120°traloro.
C —— C
L’atomodicarboniodisinistraèlegatoadueatomidiidrogeno,mentrel'atomodicarboniodidestraèlegatoaunatomodiidrogenoeunodicloro.Aggiungendoquestiatomicompletiamolaformuladistrutturadelcomposto.
C —— C
ClH
HH
IlnomeIUPACdelcompostodeveindicarelastrutturacarboniosadibase,l’etene(oetilene),allaqualepremettereilnomedelsostituente,ilcloro.IlnomeIUPACèquindicloroetene(ocloroetilene).
Inquestocasolanumerazioneperindicarelaposizionedelcloro(1)èsuperflua,inquantoque-stoelementoèl’unicosostituentesuunacatenadidueatomidicarbonio.
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Disegna la struttura completa condensata e a zig-zag del 2-bromo-1-pentene.
Ilnomebromopentenecidicecheabbiamoachefareconunacatenacarboniosaacinqueatomidicarbonio(pent-),checontieneundoppiolegame(-ene)edhaunsostituente(bromo).
Iniziamoadisegnarelacatenacarboniosausando,perora,sololegamisingoli.
C—C—C—C—C
Adessodobbiamoaggiungereildoppiolegame.Ilnumero1all’iniziodelnomecidicecheilpri-molegamecarbonio-carbonioèundoppiolegame.
12345 C——C—C—C—C
Lasecondainformazionecheabbiamoècheunatomodibromositrovasulcarbonio2.
12345C——C—C—C—C
Br|
Adessopossiamodisegnarelastrutturacondensata(senzaevidenziareilegamiC–H)completadelcompostoelastrutturaazig-zagconilegamiegliatomimancanti:…(continuatu).
Utilizziamol’eserciziosvolto1comeriferimento.
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Capitolo 15 - Gruppi funzionali e polimeri di sintesi
Capitolo 15Gruppi funzionali e polimeri di sintesi
ESERCIZI SVOLTI
1 Tra le seguenti liste di metanolo, 2-metil-1-propanolo e 1-propanolo, quale indica correttamente la
sequenza in ordine decrescente del punto di ebollizione? La solubilità in acqua a 20 °C ha un anda-mento decrescente analogo? Quale potrebbe essere una sequenza alternativa?
(A) Metanolo > 2-metil-1-propanolo > 1-propanolo; (B) 2-metil-1-propanolo > metanolo > 1-propanolo; (C) 2-metil-1-propanolo > 1-propanolo > metanolo; (D) Metanolo > 1-propanolo > 2-metil-1-propanolo.
Aparitàdiognialtracondizione,ilpuntodiebollizionedicompostiorganiciappartenentiallastessaclasseaumentaconl’aumentodellalunghezzadellacatenacarboniosa,perchéleintera-zionidiVanderWaalssonopiùnumeroseepersepararelemolecoleoccorrepiùenergia.
Neglialcoli,comenelnostrocaso,haun’importanzanontrascurabileanchelapossibilepre-senzadilegamiidrogenotraigruppiossidrilici,perchélalororotturarichiedeenergiaeciòconcorreall’innalzamentodelpuntodiebollizione.
Poichétraglialcolimessiaconfrontolacatenaidrocarboniosapiùlungaèquelladel2-metil-1-propanolo(ilnomecomuneèalcolisobutilico),seguitadaquelledelpropanoloeinfinedelmetanolo,l’alcolpiùsemplice,lasequenzacorrettaèla(C).Ipuntidiebollizionedeitrecompo-stisono,infatti,nell'ordine:108°C,96°C,64,7°C.
Lasolubilitàinacquadeicompostiorganicicontenentiungruppopolare,comeglialcoli,de-cresceall’aumentaredellalunghezzadellacatenacarboniosa,inquantolemolecoled’acquasiunisconoconlegamidipolo-dipoloeidrogenoesclusivamenteconl’ossidrile,marifuggonolacatenaidrocarboniosa.Lasequenza(C)dovrebbeancheinquestocasoesserequellacorretta.
Idatisperimentalimostranounapiccolaincongruenza:mentreil2-metil-1-propanolohaunasolubilitàinacquaa20°Cdi80g/L,siailpropanolosiailmetanoloaquestatemperaturasonocompletamentemiscibiliinacquainogniproporzione.Perquestomotivononèpossibilesta-bilireunordinedisolubilitàinacquaa20°C.Laspiegazionediquestacaratteristicarisiedenelfattochelacatenaidrocarboniosaneiduecompostiètroppobreveperinterferireconilgruppoossidrilicocheformalegamiconl’acqua.
Segue →
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La nuova chimica di Rippa
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Capitolo 15 - Gruppi funzionali e polimeri di sintesi
2 Quale tra le formule proposte in basso rappresenta il prodotto della reazione seguente?
+ ?O CH3 HO
OH OH
O
O
OO(A) (B) (C) (D)
Individuiamoprimaicompostireagenti.Ilprimocompostoèun’aldeide(etanaleoaldeideace-tica),ilsecondocompostoèunalcol(1-propanolo).
Sappiamochelareazionetraun’aldeideeunalcolformaunemiacetale(cfr.§15.8deltesto). Lareazioneèun’addizionenucleofiladell’ossidrilealcolicoalgruppoaldeidico:
+H3C O HO
OHH
H3C OC3H7
Inunemiacetale,allostessoatomodicarboniosonolegaticontemporaneamenteungruppo–OH,ungruppo–OR,unatomodiidrogenoeungruppo–R.
Traleopzioniproposte(A)rappresentaunchetone,(B)unalcol,(C)unestere.Solol’opzione(D)rispondeairequisiticheabbiamoelencato.
ESERCIZI CON SOLUZIONE GUIDATA
1 Quale tra le formule proposte in basso rappresenta il prodotto della reazione seguente?
C2H5H3C
O
+ ?OH
OCH3
CH3
H3C OC2H5
OH
C2H5
H3C OC2H5
H3CO
H3C
OH C2H5
O
H3C(A) (B) (C) (D)
Individuiamoinnanzituttoicompostireagenti.Laprimamolecolaèunchetone(etilmetilche-tone),lasecondaunalcol(etanolo).
Sappiamocheun’aldeidequandoreagisceconunalcolformaunemiacetale,ungruppodimole-coleimportantenellachimicadeglizuccheri.
Analogamente,quandounchetonereagisceconunalcolformaunemichetale.Unemichetaledeveavereungruppo–OR,ungruppo–OHeduegruppialchilici(–R)legatiallostessocarbonio.
L’opzione(B)rappresentaunemiacetale,inquantohaungruppo–OH,un–OR,ungruppoReunatomodiidrogeno.
L’opzione(D)rappresentaunchetone,perché…(continuatu). Unemichetaleèuncompostomoltoinstabilechereagiscerapidamenteconun’altramolecola
dialcolperformare,inambienteacido,unchetale,uncompostocontenenteduegruppi–OReduegruppi–R.
Ilprodottodellareazione,cioèl’emichetale,èrappresentatodall’opzione….(continuatu). Ilcompostorappresentatodallarimanenteopzioneè….(continuatu),perché….(continuatu).