Laurea in Ingegneria ElettronicaI Prova in Itinere Corso di Fondamenti Chimici per l’Elettronica Cognome: Nome: A.A. 2011/2012 14 Novembre 2011 Prof. Pierangelo Metrangolo Matricola: DOMANDA 1 [2 punti] Scrivere le strutture di Lewis, indicando il numero di coppie di legame e di non legame intorno all’atomo centrale, il suo tipo di ibridazione, se rispetta o meno al regola dell’ottetto e la geometria molecolare delle seguenti specie: SF6, CF4, SO2 Prevedere inoltre quale molecola sarà dotata di momento di dipolo permanente. F F F S F F F Risposta: 1) 6 copie di legame, geometria ottaedrica ibridazione sp3d2, non rispetta la regola dell’ottetto perché lo zolfo è elettronricco, non ha un momento di dipolo permanente, perché i momenti di dipolo associati a ciascun legame si annullano. F F F 2) F 4 coppie di legame, geometria tetraedrica, ibridazione sp3, rispetta le regola dell’ottetto, non ha un momento di dipolo permanente perché i momenti di dipolo associati a ciascun legame si annullano. O - O + S 3) 3 coppie, 1 di non legame sullo zolfo, geometria planare angolare, ha un momento di dipolo permanente risultante dalla somma dei momenti di dipolo associati ai due legami S-O. DOMANDA 2 [2 punti] Prevedere qualitativamente l’andamento del ΔG° in funzione della temperatura per la seguente reazione, tracciare un grafico e commentarlo: CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g) Risposta: ΔH° >0: perchè vengono rotti 6 legami σ e si formano 4 legami σ e 2 π; ΔS°>0: perché il numero di moli aumenta. Poiché la reazione è spontanea quando ΔG° <0 e ΔG°= ΔH° -TΔS°, sarà favorita superata la temperatura per cui il ΔG° si annulla, in quanto -TΔS° sarà maggiore, in valore assoluto, di ΔH°. ∆G° T(K) DOMANDA 3 [1 punto] In base alla teoria dei gas ideali, quale delle seguenti affermazione è falsa: a. le particelle sono considerate corpi di massa puntiforme. b. gli urti tra le particelle sono perfettamente elastici. c. le forze intermolecolari sono interazioni dipolo-dipolo, oppure dipolo indotto-dipolo indotto. d. il volume proprio delle particelle è trascurabile rispetto al volume occupato dal gas. e. se la pressione aumenta e la temperatura diminuisce per un quantitativo costante di gas, il volume deve diminuire DOMANDA 4 [2 punti] Descrivere il tipo di solido e la natura dei legami presenti in un cristallo di: a. Ag b. Na2SO3 c. CH3Cl Quale sostanza è solida, quale liquida e quale gassosa a temperatura ambiente? Risposta: Ag: legame metallico; solido a temperatura ambiente Na2SO3: composto ionico, presenta legami ionici tra gli ioni Na+ e gli ioni SO32-. Solido a temperatura ambiente CH3Cl; molecola polare. Nel solido sono presenti interazioni dipolo-dipolo; gassoso a temperatura ambiente DOMANDA 5 [1 punto] 3,60 g di una sostanza gassosa occupano il volume di 1,98 L a 25°C e 765 torr. Calcolare la massa molare del gas. Risposta: dall’equazione di stato dei gas ideali si ha: m R T 3,60 g 0,082 L atm K 1mol 1 44 g/mol 765 P V 1,98l atm 760 DOMANDA 6 [2 punti] CaO(s) + CO2(g) è di 1,30 atm, calcolare quanti grammi Sapendo che a 900°C la Kp della reazione CaCO3(s) di CaO si formano riscaldando a 900°C 10 g di carbonato di calcio in un recipiente da 5 L contenente 2 g di CO2. Risposta: dai dati del problema si ha Kp = pCO2 = 1,30 atm perchè CaO e CaCO3 sono solidi Dalla PV = nRT si ha nCO2 = 1,30atm 5 L 0,0676mol 0,082 L atm K 1 mol 11173K le moli di CO2 iniziali sono 2g/44(g/mol) = 0, 445mol quindi quelle provenienti dalla dissociazione del carbonato sono 0,0676-0,0455 0 0,0221 mol poiché per ogni mole di CO2 si forma una mole di CaO, la quantità di CaO proveneinte dalla dissociazione sarà: 0,0221mol · 56 g/mol = 1,236g DOMANDA 7 [1 punto] Dopo aver definito cosa si intende per banda di valenza e banda di conduzione indicare la differenza fra isolante e semiconduttore. Risposta: la banda di valenza è la banda di stati occupati dagli elettroni di valenza; la banda di conduzione è la banda degli stati energetici ad alta energia vuota o quasi vuota più vicina in energia alla banda di valenza. I solidi con una banda di valenza completa e una di conduzione vuota possono essere sia isolanti che semiconduttori. La differenza fra un isolante e un semiconduttore dipende dalla differenza di energia esistente tra le due bande, detta separazione di banda, ovvero l’energia di separazione fra la banda di legame e di antilegame nel solido, se bassa la sostanza è un semiconduttore, se elevata un isolante. DOMANDA 8 [1 punto] Spiegare perchè la forza dei seguenti acidi aumenta nell’ordine: acido acetico CH2FCOOH, acido fluoroacetico CH2FCOOH, acido difluoroacetico CHF2COOH e acido trifluoroacetico CF3COOH . Risposta: Il fluoro è l’elemento più elettronegativo, nel legame C-F gli elettroni sono più spostati verso il fluoro e l’aumento del numero di atomi di fluoro amplifica questo fenomeno. Il carbonio del metile ha un δ+ maggiore in CF3COOH rispetto a tutti gli altri, analogamente CHF2COOH avrà un δ+ che CH2FCOOH e CH3COOH e così via. Inoltre, per lo stesso motivo, in CF3COOH il legame OH è più polarizzato verso l’ossigeno: sarà così più facile perdere H come protone. DOMANDA 9 [1 punto] In base alle interazione molecolari spiegare perché il metano CH4 (MM=16 g/mol) è un gas e l’acqua (MM= 18 g/mol) è un liquido a temperatura ambiente, pur avendo MM simile. Risposta: il metano è un composto apolare in grado di dare origine a legami dipolo-indotto-dipolo-indotto, molto deboli. L’acqua è un composto polare, costituita da un atomo piccolo, molto elettronegativo come l’ossigeno, in grado di formare legami a idrogeno con altre molecole d’acqua. DOMANDA 10 [1 punto] Lo ione O2- ha la stessa configurazione elettronica di: a) S2b) Ca2+ c) Fd) Na e) Ne DOMANDA 11 [1 punto] L’ammoniaca decompone in azoto e idrogeno secondo la seguente reazione, che segue una cinetica di ordine zero: 2 NH3 N2 + 3 H2. Dire quale delle seguenti affermazioni è vera: a) Raddoppiando la concentrazione di NH3 la velocità della reazione raddoppia. b) La velocità della reazione è costante fino alla totale scomparsa dell’ammoniaca. c) La reazione è cineticamente sfavorita. d) La velocità della reazione è nulla. e) Nessuna delle precedenti affermazioni è vera. DOMANDA 12 [1 punto] Delle seguenti combinazioni di numeri quantici identificate quelli che non possono esistere per un elettrone in un atomo e spiegatene brevemente la ragione. a) ( 4; 2; +1; +1/2) b) (5; 2; -1; +1/2) c) (3; -2; -2; -1/2) d) (3; 2; -3; + 1/2) e) (4; 3; -2; +1/2) c) l non può mai assumere valore negativo; d) se l =2, m non può assumere valore -3 DOMANDA 13 [2 punti] Considerata la seguente quaterna di numeri quantici: n=3; l=1; m=+1;ms = -½ a) Scriverne la configurazione elettronica b) Supponendo che si tratti di atomo neutro, scriverne il simbolo c) Supponendo che si tratti di un catione monovalente, scriverne il simbolo. Risposta: a) 18 elettroni: configurazione 1s22s22p63s23p6 b) Ar c) 19 e- K+ DOMANDA 14 [1 punto] Data la seguente reazione all’equilibrio: Ni(s) + 4CO(g) Ni(CO)4 (g) (H° = -161 kJ). Spiegare in maniera chiara e concisa quali sono gli effetti prodotti sulla posizione dell’equilibrio dalle seguenti perturbazioni: 1. si aumenta la pressione totale; 2. si aumenta la temperatura; 3. si aggiunge una mole di Ni metallico [ R.: a) 1. l’equilibrio si sposta verso i prodotti; 2. l’equilibrio si sposta verso i reagenti; 3. nessun effetto] DOMANDA 15 [1 punto] L’entalpia molare di formazione di un composto è: a) l’energia contenuta negli atomi che costituiscono una molecola di composto b) il ΔH relativo alla reazione di combustione con ossigeno di una mole di composto c) il ΔH relativo alla reazione di sintesi di una mole di composto a partire dagli elementi d) il ΔH relativo alle entalpie molari degli elementi che costituiscono il composto e) il patrimonio di energia chimica posseduto da una mole di composto DOMANDA 16 [1 punto] Ordinare i seguenti ioni isoelettronici per raggio ionico crescente e motivate la vostra risposta: N3-; Mg2+; F-; Al3+; Na+ [R.: Al3+ < Mg2+ <Na+ <F- <N3-] DOMANDA 17 [2 punti] Gli elementi A e B reagiscono con ossigeno a dare ABO3 e, in altre condizioni, AB2O5. Il primo di questi composti contiene il 17,36% in peso di ossigeno, il secondo il 20,01%. Calcolare i pesi atomici di A e B. Risposta: 1g del primo composto contengono 0,1736 g di ossigenoe 0,8264g di A+B La sua massa molare si ricava dalla quantità di ossigeno presente nella formula di ABO3: 3mol mol 1 16 g mol 1 = 277g/mol 0,1736 g g 1 Indicando con A e B le masse atomiche dei due elementi, si ha: 3mol/mol ·16g/mol +A+B= 277g/mol da cui A+B= 229g/mol Analogamente per il secondo composto, AB2O5, si ha: 5mol mol 1 16 g mol 1 = 400g/mol 0,2001g g 1 5mol/mol ·16g/mol +A+2B= 400g/mol da cui A+2B= 320g/mol La differenza fra A+2B e A+B dà il valore della massa atomica di B: 320g/mol – 229g/mol = 91g/mol Quindi A sarà: 229g/mol-91g/mol = 138g/mol DOMANDA 18 [2 punti] Calcolare il valore della costante di equilibrio a 298K per la reazione di sintesi del metanolo: CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(g) Sapendo che ΔH°fCH3OH =-202,1 kJ/mol ΔH°fCO =-110,5 kJ/mol; ΔS°CH3OH = 236,8 J/K·mol ΔS°CO = 197,9 J/K·mol ΔS°H2 = 130,6 J/K·mol Risposta: poichè: ΔG°= ΔH° -TΔS° sostituendo i dati otteniamo ΔH°= -202100J/mol – (-110500)J/mol = -91600J/mol ΔS°= 236,8 – (261,2 +197,9)= -223,3J/K·mol ΔG°= -91600J/mol-298K·(.223,3)J/K·mol = -25355J/mol G 0 Dalla realazione: lnKp = otteniamo RT 25355 J mol 1 lnKp = = 10,24 8,31J K 1mol 1 298 K quindi Kp = e10,24 = 2,8·104 DOMANDA 19 [2 punti] La solubilità del CaSO4 in acqua pura a 25°C vale S= 6,11 x 10-3M. Si calcoli la solubilità molare di questo sale in una soluzione acquosa 0,01M di Na2SO4. Kps = S2 = 3,733·10-5 Dopo l’aggiunta della soluzione 0,01 di Na2SO4 avrò: CaSO4 → Ca2+ + SO42x x+0,01 La nuova solubilità sarà data da [Ca2+] = x 3,733·10-5 = x(0,01+x) Risolvendo l’equazione di secondo grado si ottiene S = 2,893·10-3 DOMANDA 20 [2 punti] Calcolare il pH di una soluzione acquosa di KCN 0.66 M (Ka = 4,0 x 10-10). pOH = log k w cs 10 14 0,66 = log = 2,4 ka 4 10 10 pH = 11,6