risposte chimica orale prof.Cardellini

Energia e lunghezza dei legami C-C

Qual è l'energia e la lunghezza di un legame C–C singolo, doppio e triplo? Al diminuire della distanza di legame, aumenta l'energia di legame e le forze attrattive fra gli atomi. Per la stessa coppia di atomi, il legame triplo è più corto del legame doppio, il quale è più corto del legame semplice. In un legame covalente omopolare, la metà della distanza di legame è uguale al raggio covalente.

• Legame singolo C-C: 1,54 Å, 83 kcal/mol
• Legame doppio C-C: 1,35 Å, 145 kcal/mol
• Legame triplo C-C: 1,21 Å, 200 kcal/mol

Ibridizzazione:

• Ibridizzazione sp3
• Ibridizzazione sp2
• Ibridizzazione sp

Molecole con momento dipolare

Quali tra le seguenti molecole CH₄, CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄ hanno momento dipolare diverso da zero? Perché?

Il momento dipolare di una molecola è la risultante di più contributi che derivano dalla distribuzione non simmetrica delle coppie di elettroni di legame e delle coppie di non legame. La distribuzione non simmetrica delle coppie di legame è ricollegabile alla diversa elettronegatività degli elementi che costituiscono la molecola e alle dimensioni atomiche differenti. La distribuzione non simmetrica delle coppie di elettroni di non legame è, invece, una conseguenza della diversa simmetria degli orbitali atomici di un atomo quando è legato rispetto a quando è isolato. Una molecola è polare se la somma dei suoi momenti dipolari è diversa da zero. Le molecole polari che hanno momento dipolare complessivo diverso da zero si dicono dipoli permanenti. I legami elettrostatici tra dipoli permanenti sono chiamati forze dipolo-dipolo.

• CH₄: 4 Legami Covalenti Puri, momento dipolare zero.
• CH₃Cl: 1 Legame Covalente Polare, momento dipolare diverso da zero.
• CHCl₃: 1 Legame Covalente Puro e 3 Legami Covalenti Polari, momento dipolare diverso da zero.
• CCl₄: 4 Legami Covalenti Polari, momento dipolare zero.

L'ordine crescente di momento dipolare (e polarità crescente) è: 0 = CH₄, CCl₄ < CHCl₃ < CH₂Cl₂ < CH₃Cl.

Legami e struttura della grafite

La grafite, l'altra forma del carbonio elementare, adotta una struttura covalente molto diversa a cui corrispondono diverse proprietà fisiche. Questa struttura è costituita da strati planari di atomi di carbonio formanti un reticolo a maglie esagonali. Un cristallo di grafite è costituito da questi strati di atomi di carbonio impilati parallelamente tra loro con una distanza interplanare di 3.35 Å, mentre i singoli atomi di carbonio distano tra loro di 1,42 Å.

Forza degli acidi ossigenati del cloro

Come si spiega la forza degli acidi ossigenati del cloro? Perché essendo l'acido con più ossigeni l'anione è molto stabile e quindi la dissociazione H⁺ ClO₇^- è maggiore, liberando più ioni idrogeno in soluzione.

Grado di dissociazione

Definizione e significato del grado di dissociazione: questa grandezza adimensionale viene utilizzata per descrivere l'effettivo comportamento di un elettrolita debole che in soluzione si dissocia parzialmente. In chimica, con questo termine si intende il rapporto tra il numero di moli dissociate e le moli iniziali della stessa sostanza. Il grado di dissociazione avviene in funzione della temperatura e della pressione.

Angoli di legame

Qual è l’angolo di legame nelle seguenti molecole: CH₄; NH₃; H₂O; H₂S?

Dalla teoria VSEPR rispettivamente gli angoli di legame sono:

• H₂O: 104,5°
• NH₃: 107,3°
• CH₄: 109,5°
• H₂S: ...

Reazione d'idrolisi

In quali casi si ha la reazione d’idrolisi? Si può osservare sperimentalmente che sciogliendo in acqua un sale, in alcuni casi si ottengono soluzioni basiche, in altri soluzioni acide, in altri ancora soluzioni neutre. I sali sono composti che in soluzione acquosa esistono dissociati nei loro ioni. Tali ioni, se provenienti da acidi deboli o da basi deboli, reagiscono con le molecole dell'acqua, comportandosi da acidi o da basi di Bronsted più o meno forti. L'interazione tra sali e acqua viene detta idrolisi. Dato che un sale è il prodotto della reazione tra un acido e una base e dato che acidi e basi possono essere sia forti che deboli, si hanno quattro casi possibili:

• Sali provenienti da acidi deboli e basi forti: idrolisi basica
• Sali provenienti da basi deboli e acidi forti: idrolisi acida
• Sali provenienti da acidi e basi forti: nessuna idrolisi
• Sali provenienti da acidi e basi deboli: avviene idrolisi per entrambi i composti prodotti dalla reazione di dissociazione dell'H₂O e possiamo distinguere tre casi:
  • Se la Ka del composto prodotto dalla dissociazione è più alta della Kb dell'altro prodotto, allora avremo una soluzione acida
  • Viceversa, avremo una soluzione basica
  • Se la Ka è uguale alla Kb, allora avremo che il pH sarà pari a 7

Struttura del propene e del butino

Disegnare i legami e la struttura del propene e del butino. Il propene è un idrocarburo alifatico insaturo appartenente alla serie degli alcheni con formula chimica CH₂=CH-CH₃. Il butino è caratterizzato da un triplo legame e può essere anche chiamato etilacetilene, risulta molto infiammabile.

Idrolisi dell'acetato di sodio

Cosa succede se mettiamo acetato di sodio in acqua? Avviene un'idrolisi basica.

Principio di esclusione di Pauli

Cosa stabilisce il principio di esclusione di Pauli? Il principio di esclusione di Pauli definisce che ogni orbitale atomico può contenere al massimo due elettroni, purché di spin opposto. In altre parole, all'interno di ogni orbitale (quadratino) possono essere inseriti al massimo due elettroni ma con spin opposto (e quindi verso delle frecce opposto, dove il verso della freccia indica lo spin dell'elettrone).

Serie elettrochimica degli elementi

Significato della serie elettrochimica degli elementi: la serie elettrochimica è la classificazione dei potenziali standard di riduzione di coppie in equilibrio redox. I potenziali standard di riduzione indicano la tendenza di una coppia redox (Ox / Red) a subire il processo di riduzione. I valori dei potenziali standard di riduzione vengono calcolati scegliendo come elettrodo di riferimento un elettrodo standard ad idrogeno a cui è attribuito convenzionalmente il potenziale zero. La serie elettrochimica ordina le coppie redox partendo dal massimo valore positivo rispetto all'elettrodo di idrogeno.

Carica nucleare efficace

Che cos’è la carica nucleare efficace? Carica nucleare efficace è una conseguenza della carica effettiva rappresentata dalla dimensione del raggio atomico, che aumenta al diminuire della Z* poiché gli elettroni più esterni risultano meno attratti dall'interazione coulombiana con il nucleo e possono quindi starne più distanti.

Condizioni normali

Cosa significa dire che una soluzione è ideale? La soluzione ideale a due componenti A e B è tale quando il mescolamento dei due componenti è completamente atermico. In altri termini si può dire che le interazioni fra le molecole di A (A---A) sono energeticamente uguali alle interazioni fra le molecole di B (B---B). Esse sono allora energeticamente uguali anche alle interazioni fra A e B (A---B). Come per il gas, anche la soluzione ideale non esiste in natura, ma esistono soluzioni che si avvicinano alla idealità. In queste soluzioni i due componenti devono essere chimicamente assai simili in modo che le loro interazioni siano, appunto, quasi identiche. Esempi sono le soluzioni di idrocarburi simili, come benzene e toluene, o come esano e eptano. A queste soluzioni e, con minore precisione, alle soluzioni diluite, possono essere applicate le espressioni, ricavate per la soluzione ideale, che riguardano le proprietà colligative delle soluzioni.

Forza degli acidi poliprotici

Gli acidi poliprotici sono quegli acidi che in soluzione acquosa possono fornire più di un protone. Essi, nella loro molecola, contengono più di un atomo di idrogeno. Nel caso dell'acido arsenico si hanno le seguenti reazioni di ionizzazione:

• H₃AsO₄(aq) + H₂O ⇌ H₂AsO₄^-(aq) + H₃O⁺(aq)
• H₂AsO₄^-(aq) + H₂O ⇌ HAsO₄^2-(aq) + H₃O⁺(aq)
• HAsO₄^2-(aq) + H₂O ⇌ AsO₄^3-(aq) + H₃O⁺(aq)

Per le quali possiamo scrivere tre costanti di dissociazione. Osservando le reazioni di ionizzazione si vede che la forma acida che compare nel membro di sinistra di ciascuno degli stati di dissociazione successivi al primo, si comporta da base nell'equilibrio precedente; così ad esempio H₂AsO₄^-, che si comporta da acido nel secondo equilibrio, si comporta da base nel primo. Ciò significa che l'acido H₂AsO₄^- è più debole di H₃AsO₄ (di cui è la base coniugata), ma più forte di HAsO₄^- (di cui è l'acido coniugato). Questo trend è facilmente spiegabile in quanto è più difficile strappare uno ione H⁺ da un anione come H₂AsO₄^- che da una molecola neutra come H₃AsO₄. Per questo motivo Ka1 > Ka2. Allo stesso modo è più difficile strappare uno ione H⁺ da un anione con due cariche negative come HAsO₄^2- che da un anione con una carica negativa come H₂AsO₄^-. Per questo motivo Ka2 > Ka3.

Relazione tra Cp e Cv

Che relazione c’è tra Cp e Cv? Con Cp e Cv si indica la capacità termica molare ovvero la misura quantitativa della variazione di temperatura dovuta allo scambio di calore. Chiameremo Cp la capacità termica molare quando faremo riferimento a P (pressione) costante e Cv quando faremo riferimento al V (volume) costante.

Criterio di spontaneità

Criterio termodinamico di spontaneità

La formula che, a pressione e temperatura costanti (condizioni standard), fornisce la quantità di energia libera rilasciata o assorbita dal sistema è:

• ΔG = ΔH - TΔS

Dove:

• ΔG è la variazione di energia libera di Gibbs, espressa in J;
• ΔH è la variazione di entalpia, espressa in J;
• T è la temperatura assoluta, espressa in K;
• ΔS è la variazione di entropia, espressa in J/K;

Il segno risultante dalla variazione di energia libera di Gibbs è dipendente solo dalla variazione di entalpia o entropia, non dalla temperatura, che non può essere che positiva. Affinché la reazione sia spontanea, la variazione di energia libera di Gibbs deve essere negativa, pertanto:

• Se ΔS > 0 e ΔH < 0, il processo è sempre spontaneo e quello opposto mai;
• Se ΔS > 0 e ΔH > 0, il processo è spontaneo solo ad alte temperature (quindi l'esotermicità della reazione ha poca rilevanza);
• Se ΔS < 0 e ΔH < 0, il processo è spontaneo solo a basse temperature (quindi l'esotermicità della reazione è molto importante);
• Se ΔS < 0 e ΔH > 0, il processo non è mai spontaneo e quello opposto sempre;

In accordo al secondo principio della termodinamica, ogni processo spontaneo comporta un aumento netto dell'entropia all'interno del sistema (o eventualmente nullo), eppure alcune reazioni chimiche risultano spontanee nonostante la diminuzione di entropia. Questo fatto non contraddice il secondo principio, infatti perché si realizzi questo tipo di reazioni è necessaria un'elevata diminuzione di entalpia che aumenta notevolmente la temperatura nelle vicinanze, tanto che l'aumento di entropia derivante da questo sbalzo termico compensi (o superi) la riduzione dell'entalpia dovuta alla reazione.

Criterio elettrochimico di spontaneità

In condizioni standard, la variazione di energia libera di Gibbs di un processo elettrochimico è data da:

• ΔG = -nFΔE°

Dove:

• ΔG è la variazione di energia libera di Gibbs (espressa in J);
• n è il numero di moli di elettroni (espresso in mol);
• F è la costante di Faraday, pari a 96.485 C/mol;
• ΔE° è la differenza di potenziale standard di riduzione, espresso in V.

In particolare si ha:

• ΔG < 0 per i processi che avvengono all'interno di una cella galvanica (ad esempio in una pila, un accumulatore o durante la corrosione), che sono quindi spontanei e avvengono senza che sia impartita energia elettrica dall'esterno (anzi la producono);
• ΔG > 0 per i processi che avvengono all'interno di una cella elettrolitica (ad esempio l'elettrolisi dell'acqua, l'elettroraffinazione e il processo cloro-soda), i quali infatti per avvenire hanno bisogno dell'apporto di energia elettrica dall'esterno.

Variazione del raggio atomico

Come varia il raggio atomico nei periodi e nei gruppi? Il raggio atomico è il raggio di un atomo, espresso in nm (nm = 10^-9 m), equivalente alla metà della distanza minima tra il nucleo dell'atomo considerato e il nucleo di un atomo uguale. Per stabilire le dimensioni dei raggi atomici metallici si determina la distanza internucleare tra gli atomi nei cristalli (la misura dipende dalla struttura cristallina). Se invece il legame chimico tra due atomi è covalente si parla di raggio covalente; questo si calcola dividendo per due la distanza internucleare tra due atomi uniti da legame covalente semplice.

Andamento del raggio atomico nella tavola periodica:

• Il raggio atomico in un gruppo aumenta procedendo verso il basso; infatti scendendo lungo un gruppo:
  • Gli elettroni vanno a collocarsi in orbitali più esterni, quindi più lontani dal nucleo;
  • La carica elettrica del nucleo è schermata dagli elettroni più interni. Il nucleo pertanto attrae con minor forza gli elettroni più esterni.
• In un periodo, procedendo verso destra, il raggio atomico diminuisce; infatti procedendo verso destra:
  • Aumentano il numero di elettroni ma tutti sono collocati nello stesso livello di energia e quindi alla medesima distanza dal nucleo;
  • Il maggior numero di protoni non viene schermato in modo efficace dagli elettroni già presenti tutti equidistanti dal nucleo.

Condizioni standard

Cosa significa ‘condizioni standard’? Con l'indicazione condizioni standard vengono intese delle condizioni convenzionali di temperatura e/o pressione da usare come riferimento standard. Utilizza T: 273,15 K e P: 10⁵ pascal (1 bar). Prima del 1982 era utilizzato un valore di pressione di 1 atm molto prossimo a quello attuale di 1 bar.

Numero di ossidazione

Che cos’è il numero di ossidazione? Il numero di ossidazione (n.o.) rappresenta la carica formale che si può attribuire a un elemento in un composto, supponendo che i legami siano di tipo ionico, in modo da assegnare gli elettroni di legame all'elemento più elettronegativo.

Funzione del catalizzatore

Qual è la funzione del catalizzatore? Un catalizzatore è una specie chimica che interviene durante lo svolgimento di una reazione chimica che, modificando il complesso attivato della reazione, permette un abbassamento dell'energia di attivazione, aumentando quindi la velocità, rimanendo comunque inalterato al termine della stessa.

La pila Daniell

Come funziona la pila Daniell? Le celle galvaniche, dette anche pile, sono dispositivi capaci di sfruttare reazioni di ossido-riduzione spontanee per trasformare energia chimica di legame in energia elettrica. Un tipico esempio di cella galvanica è la pila Daniell.

Funzionamento della pila Daniell

Immergendo una barretta di zinco all'interno di una soluzione contenente ioni Cu²⁺, è possibile notare l'ossidazione dello zinco a Zn²⁺ e la contemporanea riduzione degli ioni Cu²⁺ a rame metallico. Il processo complessivo è il seguente:

• Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

È possibile sfruttare tale reazione per ottenere energia elettrica separando la semireazione di ossidazione dello zinco:

• Zn → Zn²⁺ + 2e^-

dalla semireazione di riduzione del rame:

• Cu²⁺ + 2e^- → Cu

È sufficiente immergere una barretta di zinco metallico all'interno di ...