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ESERCIZI – PARTE 7ª
Si definisce peso (o massa) equivalente di un elemento il numero che
esprime quanti grammi dell’elemento possono combinarsi o sostituirsi ad un
grammo-atomo di H. Il grammo-equivalente (g-eq) è il valore in grammi del peso
equivalente.
Il peso equivalente dell’argento coincide con il suo peso atomico: si
noti che nel nitrato d’argento l’Ag sostituisce l’H dell’acido nitrico.
Il peso atomico dell’argento è 107,88 per cui:
Quindi, come per l’argento, anche per l’oro 122. Calcolare il volume di gas tonante
(2 H2 + O2) a condizioni normali (c.n.) che
si libera da una soluzione acquosa di H2SO4 al passaggio
di una corrente di 0,5 ampère per 2 ore.
La carica elettrica posseduta da un elettrone è 1,602·10-19 coulomb. Questa carica, moltiplicata per il numero di
Avogadro (ossia per una mole di elettroni) dà:
Si ricava, dalla stechiometria delle reazioni che avvengono agli
elettrodi della nostra cella elettrolitica, che con 2 F
si produce una mole di H2 e, sempre con
Sappiamo che 1 ampère è la corrente di 1 coulomb al secondo per cui 0,5
ampère per 2 ore (7.200 s) = 3.600 coulomb. Pertanto: 123. Una corrente elettrica riduce
Sappiamo che 96.500 coulomb riducono un grammo equivalente di ioni
metallici.
124. Una corrente elettrica deposita al
catodo
Lo ione Cu++ si riduce a Cu acquistando due elettroni. Il peso
equivalente del rame è pertanto la metà del suo peso atomico: 31,77.
Se per produrre 125. Calcolare la forza elettromotrice
(f.e.m.) di una pila Daniel formata da un elettrodo di zinco immerso in una
soluzione di nitrato di zinco
Iniziamo quindi col calcolare il potenziale di ossido-riduzione dello
zinco applicando la legge di Nernst in quanto la concentrazione dello ione Zn++
non è 1 M
e quindi il suo potenziale non è
quello standard.
0,059
E
= – 0,76 – 0,027 = – 0,787
Per determinare il potenziale del Pb si procede allo stesso modo:
0,059 126. Trovare la f.e.m. della seguente
pila a 25 °C:
La reazione di ossidazione possibile è la seguente:
2
H2O "
O2 + 4 H+ + 4
e Þ
Eo = + 1,23
Il secondo elettrodo è costituito da una lamina di platino immersa in
una soluzione acida a concentrazione
La reazione di ossidazione possibile è la seguente:
H2
"
2 H+ + 2 e
Þ
Eo = 0,00
Siccome le concentrazioni dei reagenti non sono
0,06
[ox]
Per la seconda reazione E assumerà il seguente valore:
0,06
(0,05)2
Delle due reazioni scritte sopra una sarà di ossidazione e l’altra di
riduzione. Per la precisione, sarà di ossidazione quella con potenziale minore.
Le due reazioni si devono scrivere nel modo seguente:
2
H+ + 2 e "
H2
La reazione complessiva si ottiene sommando membro a membro dopo aver
moltiplicato la prima equazione al fine di eliminare gli elettroni e i protoni.
Il risultato finale è il seguente:
2
H2O "
2 H2 + O2
Come si può vedere si tratta in definitiva della scissione della
molecola di acqua negli elementi costituenti. La f.e.m. si ottiene sottraendo
dal potenziale redox dell’elettrodo positivo quello dell’elettrodo negativo.
Pertanto:
E
= E+ – E-
Þ
E = + 1,17 – (– 0,06) = + 1,23 V
La pila invece, per convenzione, si rappresenta indicando per primo il
polo negativo e poi quello positivo, ossia esattamente al contrario di come
riportato nel testo dell’esercizio. 127. La pila AgôAgCl, KCl
Si tratta, in pratica, di una pila a concentrazione. Del semielemento di
destra si conosce la concentrazione di Ag+
per cui è possibile calcolare il suo potenziale applicando la legge di
Nernst:
0,059
Il potenziale dell’elemento di sinistra (Es) si può
ricavare facendo la differenza fra il potenziale dell’elemento di destra e la
f.e.m della pila in quanto:
E
= E+ – E-
Þ
0,457 = 0,740 – E- Þ
Es-
= 0,283.
AgCl è un sale poco solubile in acqua. La concentrazione di Ag+ sarà
pertanto bassissima e dipenderà dalla concentrazione di Cl- che in pratica è quella di KCl.
Kps
128. Spiegare per quale motivo
immergendo un pezzetto di rame nell’acido cloridrico non si verifica alcuna
reazione mentre nell’acido nitrico lo stesso metallo subisce una chiara
reazione di ossidazione. Quanti equivalenti di acido nitrico servono per
ossidare 3 moli di Cu?
L’altra specie chimica, H+ potrebbe ridursi acquistando gli
elettroni provenienti dall’ossidazione del rame se non fosse che il suo
potenziale normale è minore di quello del rame per cui risulta: DE
= Eo+ – Eo-
che assume valore negativo. Eo+ è l’elettrodo positivo
ossia quello in cui avviene la riduzione; Eo-
è invece l’elettrodo che si ossida. Pertanto avremo:
Con l’acido nitrico invece, entra in gioco lo ione NO3- il cui potenziale standard di ossidazione è + 0,96.
In questo caso si avrebbe:
DE
= Eo+ – Eo-
= + 0,96 – ( +0,34) = + 0,62.
129. Trovare la variazione di
potenziale che la coppia MnO2(s)/Mn++
Si sostituiscono quindi i valori riportati nel testo ad iniziare da pH =
6 ossia [H+] = 10-6
0,059 (10-6)4
130. Calcolare il calore di formazione
del glucosio ottenuto per fotosintesi conoscendo l’entalpia standard di
formazione di CO2(g) = – 94,05 Kcal/mole;
di H2O(l)
= – 68,31 Kcal/mole e di C6H12O6(s) =
– 301,2
Kcal/mole.
Moltiplicando le prime due reazioni scritte sopra per 6, invertendo il
loro andamento, e quindi sommando si ottiene:
131. Della seguente dissociazione
termica: N2O4(g) D
2 NO2(g), si conosce:
Un sistema chimico è più stabile di un altro quando ha un’energia
libera minore di esso. Ciò vale anche per i sistemi fisici: un masso ai piedi
della montagna è più stabile di quello che si trova in cima in quanto ha un
contenuto energetico minore. Nel nostro caso sappiamo che:
DG
= DH
– T·DS
= DH
– 373 · DS
DG
è la differenza fra l’energia libera dei prodotti e quella dei reagenti.
Ossia:
DG
= GNO2 – GN2O4
Se DG
assume valore negativo vuol dire che GN2O4
è maggiore di GNO2,
quindi NO2 è più stabile di N2O4.
Non solo, ma dato l’alto valore assoluto di DG
NO2 è molto più stabile di N2O4. In verità,
l’entalpia favorirebbe N2O4 ma NO2 è molto
stabile per ragioni antropiche in quanto è un gas che si presenta più
disordinato di N2O4.
132. Data la reazione: N2 +
3 H2 D
2 NH3 stabilire se a 25 °C
si forma spontaneamente ammoniaca.
A quale temperatura la reazione è in equilibrio?
Una reazione è spontanea nel senso in cui viene scritta se DG
<
0.
Se si calcola il valore di DG
a
DG
= – 11.000 – [298·(–23,6)] = – 11.000 + 7.033 = – 3967
La reazione a
Per trovare la temperatura alla quale la reazione è in equilibrio basta
porre DG
= 0, per cui:
DG
= – 11.000 – [T·(– 23,6)] = 0
T·23,6 = + 11.000
T = 466 K
La reazione è in equilibrio a 133. Sciogliendo NaOH in acqua si
sviluppano 10,16 Kcal/mole. Calcolare la variazione di entropia in una soluzione
satura a
La dissoluzione di NaOH in acqua è una reazione esotermica; in pratica
il recipiente in cui avviene la reazione, si riscalda.
DH
= – 10,16 Kcal.
Dal punto di vista termodinamico, per ogni reazione, deve risultare:
DG
= DH
– T·DS
DG
è la variazione di energia libera, ossia la grandezza che indica la tendenza a
reagire posseduta da un sistema. Se DG
= 0 vuol dire che il sistema è in equilibrio. Quando una soluzione è satura vi
è equilibrio fra il solido e la soluzione. Per cui se:
T
= 273 + 100 = 373 K risulta:
10,16
DS
rappresenta la variazione di entropia ossia la variazione di disordine che ha
caratterizzato il processo.
Sciogliendo in acqua un solido cristallino a struttura ordinata qual è
NaOH, ci si dovrebbe aspettare un aumento del disordine, in quanto si può
ritenere che le particelle si disperdano disordinatamente tra le molecole di
acqua. Però, se DS
risulta negativo, vuol dire che la dissoluzione della sostanza in acqua è
avvenuta, non con aumento di disordine ma, al contrario, con aumento di ordine.
L’apparente contraddizione deve essere interpretata tenendo presente
che anche la semplice dissoluzione di un solido in un liquido è una vera e
propria reazione chimica che prevede la rottura di alcuni legami chimici e
formazione di altri. L’idrossido di sodio è un solido ionico che in soluzione
si dissocia negli ioni Na+ e OH-
che formeranno a loro volta legame ione-dipolo con le molecole polari
dell’acqua, creando evidentemente strutture più ordinate di quanto non
fossero prima. 134. Nella glicolisi aerobica il
glucosio si trasforma in CO2 e acqua liberando 673 Kcal/mole.
L’entropia è 0,0484 Kcal/mole K. Qual è la variazione di energia libera di
questa reazione a
La respirazione cellulare può essere così schematizzata:
C6H12O6
+ 6 O6 "
6 CO2 + 6 H2O
+ 673 Kcal
La reazione è esotermica, pertanto DH
= – 673 Kcal.
La variazione di entropia è di 48,4 cal/mole K, ciò vuol dire che la
reazione avviene con un aumento di disordine come è facilmente intuibile
trattandosi di una sostanza solida a struttura molecolare ordinata che diviene
gassosa (il disordine caratterizza i gas). Si può anche dire che ciò si
verifica ogni volta che varia il numero di moli relative alla fase di gas.
Calcoliamo il valore di DG
dalla relazione:
DG
= DH
– TDS
DG
= – 673 –
310 · 0,0484 = – 688
La variazione di energia libera è quindi 688 Kcal/mole. Essa ha un
valore negativo per cui la razione a
Se la temperatura è minore, DG
è minore (in valore assoluto) quindi una diminuzione di temperatura ostacola il
metabolismo come avviene ad esempio negli animali eterotermi. 135. Qual è la formula del 3–metil,
5–propil, 1,4,6–nonatriene?
Si tratta di un alchene, cioè di un idrocarburo insaturo che contiene
tre doppi legami e due sostituenti alchilici nelle posizioni indicate
all’interno di una catena di nove termini. La formula è quindi la seguente:
1CH2
= 2CH – 3CH – 4CH =
Gli idrocarburi sono composti organici formati di solo carbonio e
idrogeno. Nelle molecole degli idrocarburi gli atomi di carbonio si legano fra
loro costituendo catene o anelli. I composti costituiti da catene di atomi sono
detti alifatici e si dividono in alcani, alcheni e alchini. I primi sono detti
anche saturi perché non sono presenti legami multipli fra atomi di carbonio.
Gli alcheni contengono nella molecola uno o più doppi legami carbonio-carbonio.
Negli alchini infine le insaturazioni sono costituite da tripli legami
carbonio-carbonio.
136. Denominare le seguenti coppie di
isomeri geometrici:
Cl
Cl
Cl
H
Dopo aver deciso di che tipo di molecole si tratta dobbiamo aggiungere il
prefisso cis– o trans– a seconda che i sostituenti si trovino dalla stessa parte
o da parti opposte rispetto al doppio legame. Entrambe
le molecole della prima coppia di composti sono dei cloro–derivati dell’etene,
più precisamente, essendo i sostituenti legati agli atomi 1 e 2, sono degli
1,2 dicloroeteni. La molecola di sinistra presenta entrambi gli atomi di cloro
dalla stessa parte del doppio legame e quindi è il cis–1,2–dicloroetene; la
molecola di destra è il trans–1,2–dicloroetene.
Entrambe le molecole della seconda coppia di composti sono degli alcheni
a tre atomi di carbonio quindi dei derivati del propene. In tutte e due le
molecole l’atomo di cloro è legato all’atomo di carbonio 1 e quindi si
tratta di isomeri geometrici dell’1-cloropropene. Nella molecola di sinistra
l’atomo di cloro si trova dalla parte opposta del doppio legame rispetto al
gruppo metilico della catena carboniosa del propene: questa molecola è pertanto
il trans–1–cloropropene mentre l’altra è il
cis–1–cloropropene. 137. Qual è la formula del 2–metil
pentacolo–1?
Si tratta di un alcol la cui catena principale è quella del pentano. Gli
alcoli sono composti caratterizzati dal gruppo ossidrilico –OH che sostituisce
uno o più atomi di idrogeno nella catena idrocarburica che in questo caso è
satura ossia priva di doppi o tripli legami. La formula è quindi la seguente:
CH2–CH–CH2–CH2–CH3
138. Qual è la formula dell’acido
butendioico?
Si tratta di un acido bicarbossilico ossia contenente due gruppi –COOH
alla estremità della catena e deriva dal butene con il doppio legame
obbligatoriamente in posizione 2.
CH
– COOH 139. Qual è la formula del 2,2 –
dibromo pentanoato di potassio?
Si tratta di un sale ovvero di un composto derivato formalmente per
sostituzione di dell’idrogeno del gruppo –COOH con un atomo di potassio.
Questo tipo di composti si denominano
utilizzando l’attributo dell’acido corrispondente con il suffisso –oico
cambiato in –oato seguito dalla preposizione di e dal nome del metallo. Nel
caso in esame avremo:
Br
Le ammine sono composti derivati dell’ammoniaca di cui mantengono le
proprietà basiche e pertanto reagiscono con gli acidi. In particolare la
reazione con l’acido nitroso conduce a sostanze diverse e facilmente
riconoscibili a seconda della posizione del gruppo –NH2
all’interno della molecola. Per esempio con l’etilammina l’acido nitroso
forma alcol etilico e svolge azoto. La reazione è la seguente: |
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