Esercitazioni Fondamenti di chimica

ESEMPI DI ESERCIZI D’ESAME

STECHIOMETRIA (1-18)

1) La reazione del carburo di calcio con acqua può essere usata per preparare

acetilene secondo la reazione:

CaC + 2 H O Ca(OH) + C H



2(s) 2 (l) 2(s) 2 2(g)

a) Quante moli di acetilene si ottengono facendo reagire 144 g di CaC con

2(s)

144 ml di H O ?

2 (l)

b) Utilizzando i dati riportati sopra, determinare la pressione (in atm) di

acetilene che si genera all’interno di un recipiente del volume di 5,0 L in cui

il gas viene raccolto alla temperatura di 25°C.

c) Disegnare la formula di struttura dell’acetilene e discutere lo stato di

ibridazione dei due atomi di carbonio e il tipo di legami che sono presenti

nella molecola.

(n = 2.246 ; 8; 11 atm)

2) Per estrarre l’oro dai giacimenti, le rocce aurifere vengono triturate e disperse

in grandi vasche contenenti una soluzione acquosa di cianuro di sodio e qui

lasciate a reagire con l’ossigeno atmosferico. La reazione che avviene è la

seguente: -(aq) 4-(aq) -(aq)

Au + CN + O Au(CN) + OH (da bilanciare)



(s) 2(g)

Successivamente, lo ione Au che si è formato viene ridotto a Au° per reazione

3+

con zinco.

Supponendo di voler estrarre 1.0 kg di oro, determinare: a) la massa di NaCN da

usare; b) i m di soluzione acquosa 5.0 x 10 M di NaCN richiesti; c) la massa di

3 -5

Zn° da impiegare nell’ultimo step reattivo. -5

a) 5,1 mol di Au, n di NaCN = 20,4 mol 999,6 g; b) V = 20,4 (mol) / 5,0 x 10



(mol/L) = 408000 L; c) 7,65 mol di Zn 500 g



c)5.08*3/2 = 7,65 mol di Zn 500 g



3) Una miscela di CO (3.0 moli ), CF (3.0 moli) e COF (2.12 moli ) sono in

2 4 2

equilibrio a T = 1000°C in un recipiente di 10 L secondo la reazione:

COF CO + CF (da bilanciare)

2 (g) 2 (g) 4 (g)

Determinare la composizione all’equilibrio dopo l’aggiunta nel contenitore di 525

g di BaCO sapendo che questo di dissocia completamente liberando CO

3 2

BaCO BaO + CO

3 (s) (s) 2 (g)

(2.66; x = 0.289; 2.268, 5.371, 2.711)

4) Per titolare 25 mL di una soluzione contenente NaOH e Ba(OH) sono occorsi

2

38.65 mL di una soluzione di H SO 0.114 M. In seguito alla reazione si sono

2 4 1

ottenuti 617.2 mg di BaSO . Trovare i) il pH iniziale e finale nella soluzione e ii) le

4

concentrazioni iniziali di NaOH e Ba(OH) .

2

(moli tot OH = 0.008812; pH iniziale = 13.547; moli Ba(OH)2 = moliBaSO4=

0.002644; [NaOH]= 0.141 M; [Ba(OH)2]= 0.1057 M

5) Una miscela equimolare di SO ed O gassosi è fatta reagire a 1000 K

2 2

operando a pressione costante P = 2 atm. Avviene l’ossidazione parziale di SO 2

a SO secondo la seguente reazione:

3 2 SO + O 2 SO

2(g) 2(g) 3(g)

Calcolare la costante di equilibrio Kp a 1000 K, sapendo che si raggiunge

l’equilibrio quando il 40% della SO iniziale è stato ossidato (n.b. usa legge di

2

Dalton / frazioni molari).

(PSO2 = Ptot*0.6/1.8; PSO2 = Ptot*0.4/1.8; PO2 = Ptot*0.8/1.8; Kp=0.5)

6) 2.5 L di CO e 2.5 L di H , misurati a T=25°C e P=1atm, sono bruciati in un

2

reattore e si ottengono 7.54 e 6.44 kcal, rispettivamente. Determinare l’entalpia

standard per la seguente reazione:

r0

∆H (in kcal/mole)

CO + H O CO + H



(g) 2 (l) 2 (g) 2 (g).

Conoscendo i relativi valori di S° (sotto), fare una breve considerazione

qualitativa sulla spontaneità della reazione rispetto alla temperatura (S =

0 CO (g)

197.7 J/Kmole; S = 213.7 J/Kmole; S = 69.9 J/Kmole; S = 130.7

0 0 0

CO2 (g) H2O (l) H2 (g)

J/Kmole).

( = -11 kcal/mole;

∆H° H2 = -64.4 kcal/mole; ∆H° CO=-75.4 kcal/mol; ∆H° ∆S°=

comb comb r

76.8 J/Kmole

7) Si consideri l’equilibrio:

2 NH N + 3 H

3 (g) 2 (g) 2 (g)

Sapendo che introducendo 1 mole di NH gassosa in un reattore da 5 L a 400°C

3

la concentrazione dell’azoto all’equilibrio è 0.086 M, calcolare Kc e Kp.

(conc eq: 0.028; 0.086; 0.258. Kc = 0.086*0.258 /0.028 =1.88; Kp= Kc*(RT)^2

3 2

8) La costante di equilibrio Kp della seguente reazione in fase gassosa:

CO + H O CO + H

(g) 2 (g) 2 (g) 2 (g)

è pari a 0.67 a T = 300 °C. A questa T, quante moli di CO e H si ottengono

2 2

partendo da una miscela di reazione costituita da 1 mole di CO ed 1 mole di

H O? E quante moli di CO e H O si ottengono partendo da una miscela di

2 2

reazione costituita da 1 mole di CO ed 1 mole di H ?

2 2 2

(0.67= (x*x)/(1-x) x=0.45 ; 0.67= (1-x) / (x*x) x =0.55

2 2

9) La molecola organica formammide HCONH decompone secondo la reazione

2

seguente: HCONH NH + CO



2 (g) 3 (g) (g)

Conoscendo la costante del suddetto equilibrio K = 159, se 0.186 moli di

p (400 K)

formammide sono immessi in un reattore chiuso di 2.16 L, a 400 K, qual è la

pressione all’interno del reattore?

Considerando poi solo la NH formata, ed immaginando di riempire di acqua il

3

reattore, quanti grammi di HCl sarebbero necessari per creare una soluzione

tampone a pH = 9.24? (Ka = -10

5.70 x 10 )

NH4+

(x = 0.185783; ntot = 0.371783; P = 5.6497 atm; nNH3/2*PM = 2 3.38g

HCl

x= 0.1828

10) 8.26 g di Cu° metallico sono introdotti in un recipiente chiuso di V = 10 L

che contiene F gassoso a pressione P = 1 atm e a temperatura T = 0°C.

2

Avviene la seguente reazione:

a Cu + F CuF

 (già bilanciata)

(s) 2 (g) 2 (s)

Il recipiente è poi lasciato riscaldare a 25°C. Determinare la pressione nel

recipiente.

(n = 0.13 moli e 0.446 moli; ntot= 0.316; P=0.773 atm

11) Le costanti di equilibrio K delle reazioni di formazione di C H e C H a 25°C

c 2 6 2 4

valgono rispettivamente 5.76x10 M e 1.18x10 M . Calcolare il valore della

5 -2 -2 -1

costante di equilibrio Kc (a 25°C) per la seguente reazione:

C H + H C H



2 4 (g) 2(g) 2 6 (g)

Qual è la Kp (sempre a 25°C)?

(K = K1/K2 = 4.88 x10^7) Kp= Kc/(RT)

12) Dalla combustione del composto P S in si formano P O e SO , secondo la

4 3 2 5 2

reazione quantitativa:

P S + O P O + SO (da bilanciare)



4 3 (s) 2 (g) 2 5 (s) 2 (g)

Calcolare la quantità di P O ed il volume di SO (misurato a 0°C, 1 atm) che si

2 5 2

ottengono partendo da 0.150 g di P S .

4 3

(1-8-2-3; nP2O5 = 2*nP4S3; nSO2 = 3nP4S3 = 45.8mL)

13) Calcolare la Kp della seguente reazione a 250°C

PCl PCl + Cl

5 (g) 3 (g) 2 (g) 3

sapendo che alla stessa T quando vengono introdotti 21.1 g di PCl in un recipiente di

5

volume pari a 3L, all’equilibrio la pressione totale è pari a 2.4 atm.

Conoscendo il ΔH° PCl -95.4 Kcal/mole e ΔH° PCl -73.2 Kcal/mole, determinare la Kp a

f 5 f 3

T=100°C

(n iniziali= 0.1;M n finali = 0.1677;

14) Azoto (0.500 M) e idrogeno (0.800 M) sono posti a reagire in un recipiente ad una

certa temperatura. N (g) + 3 H (g) 2 NH (g)

2 2 3

All’equilibrio la concentrazione di ammoniaca che si forma è pari a 0.150 M. Quale è il

valore della costante di equilibrio della reazione in queste condizioni?

15) Quando si scioglie in acqua, l’-glucosio subisce il fenomeno della mutarotazione

trasformandosi parzialmente in -glucosio, un suo isomero; l’equilibrio viene raggiunto

quando il 63,6% del glucosio totale è presente nella forma . Calcolare la costante di

equilibrio K della reazione.

c

16) Si consideri la miscela gassosa costituita da 5 moli di PCl (g), 3 moli di PCl (g) e 2

5 3

moli di Cl (g) in un contenitore di 1L a 25 °C e le energie libere standard di

2

formazione:G ° = -305.0 kJ/mole per PCl (g) e G °= -272.3 kJ/mole per PCl (g). Qual

f 5 f 3

è la composizione della miscela all’equilibrio?

Kp= 535933.5 (PCl3+Cl2->PCl5); posso considerare la reazione quantitativa. 7 PCl5 ; 1

PCl3

17) La costante di equilibrio della reazione H (g) + I (g) 2 HI(g) assume il

2 2

valore 50 a 693 K. Calcolare l’energia libera di reazione, ΔGr, per una miscela con

concentrazioni 2, 5, 10 moli/litro rispettivamente di H , I e HI. La miscela è

2 2

all’equilibrio? e se non lo fosse, in quale direzione procederebbe la reazione?

(Q = 10; ΔGr = RTln 10/50 = - 9.268 kJ

18) Quale ossido di ferro è più stabile (dal punto di vista termodinamico) a contatto con

l’aria a 25 °C : l’ematite Fe O (s) (ΔG ° = −742.2 kJ/mol) o la magnetite Fe O (s) (ΔG ° =

2 3 f 3 4 f

−1015.4 kJ/mol)? Si giustifichi la risposta. Assumere per l’aria una PO2 = 0.2 atm e la

seguente reazione (da bilanciare):

Fe O (s) Fe O (s) + O (g)

 

2 3 3 4 2

(ΔGr°= 195.8 kJ/mole; ΔGr = 195.8-1.99= 193.9 > 0)

19) A 100°C, il valore della Kc per la reazione seguente:

SO Cl SO + Cl

2 2 (g) 2 (g) 2 (g)

è pari a 0.078. Se una miscela dei tre composti all’equilibrio contiene SO Cl ad

2 2

una concentrazione di 0.136 M e SO 0.072 M, qual è la concentrazione di Cl ?

2 2 4

Quanto SO Cl va aggiunto alla miscela per far raddoppiare la quantità di Cl (si

2 2 2

consideri V = 1L)?

20) Gli airbags nelle automobili si gonfiano grazie all’azoto N prodotto dalla

2

decomposizione della sodio azide NaN , secondo questa reazione:

3

2 NaN 2 Na + 3 N



3 (s) (s) 2 (g)

Il sodio metallico che si forma reagisce con del potassio nitrato (KNO ) presente

3

nella miscela secondo la seguente reazione:

10 Na + 2 KNO K O + 5 Na O + N



(s) 3 (s) 2 (s) 2 (s) 2 (g)

Determinare: i) in quale rapporto in massa si deve mescolare NaN e KNO

3 3

perché non rimanga Na dopo la reazione; ii) la massa totale della miscela solida

che serve per generare 60 L di azoto a P=1 atm e T = 25°C.

TERMOCHIMICA (21-45)

21) La sodio azide NaN è prodotta commercialmente secondo la seguente

3

reazione: N O + 2 NaNH NaN + NaOH + NH



2 (s) 2 (s) 3 (s) (s) 3 (g)

che possieded un Noti i

0 0 f0

∆H = +55.8 kJ/mole. ∆H = +82.0 kJ/mole, ∆H =

r f N2O(s) NaNH2(s)

0 0

-123.7 kJ/mole, ∆H = -425.2 kJ/mole e ∆H = -46.1 kJ/mole, determinare il

f NaOH(s) f NH3(g)

∆H ° della NaN .

f 3

22) Calcolare l’energia di formazione del legame O-H utilizzando i dati seguenti:

i) Energia di legame H-H E = 104.20 kcal/mole

H-H

ii) Energia di legame O=O E = 119.00 kcal/mole

O=O

iii) H ° H O = -57.80 kcal/mole

f 2 (g)

23) Il processo Haber-Bosch per la produzione di ammoniaca prevede alte

temperature e pressioni. Sapendo che per la reazione:

N + H NH (da bilanciare)

2 (g) 2 (g) 3(g)

a T= 500 °C la Kp è pari a 1.45 x 10 e che le condizioni operative prevedono

-5

P = 65 atm, P = 180 atm e P = 5 atm, calcolare il e il

r0500

∆G ∆G

N2 H2 NH3 r 500.

Ammettendo che la reazione sia esotermica a qualsiasi T, riportare graficamente

l’andamento di G° in funzione della temperatura.

∆

( = RTln(Q/K)= - 34.67 kJ /mole)

r0500

∆G = 71.6 kJ/mole ; Q= 6.59x10^-8 ∆G r

24) Un pezzetto di ghiaccio di massa m1 e alla temperatura di T = 250K viene

1

immerso in una massa m2 = 60g di acqua a temperatura di T = 330K. Se il sistema è

2

contenuto in un recipiente a pareti adiabatiche, si determini per quali valori della massa

m1 il pezzetto di ghiaccio fonde completamente. Il calore specifico del ghiaccio vale c s

5

= 2051J/KgK, il calore specifico dell’acqua vale c = 4186 J/KgK ed il calore latente di

l

5

fusione del ghiaccio è pari a λf = 3.33 x10 J/Kg.

25) Un pezzo di Fe di massa 30.0 g viene posto in un recipiente contenente

acqua mantenuta all’ebollizione a 100°C e 1 atm. Dopo che l’equilibrio termico

si è stabilito, il pezzo di Fe viene rapidamente trasferito in un secondo recipiente

contenente 100 mL di acqua. La temperatura dell’acqua passa da T1 = 20°C a

T2 = 22.64°C. Calcolare il calore specifico di Fe, sapendo che c H O = 1.00

p 2

cal/g°C.

30*c *(100-22.64)=100*1*(22.64-20); c =0.113 cal/gK

Fe Fe

26) Date le seguenti Entalpie: −1

Sublimazione Mg ΔH°sub = 167.2 kJ mol

(s) −1

Prima Ionizzazione Mg ΔH° = 737.7 kJ mol

(g) I −1

Seconda ionizzazione Mg ΔH° = 1450.6 kJ mol

(g) II −1

Dissociazione di Cl ΔH° = 241.6 kJ mol

2(g) diss −1

Affinità elettronica di Cl ΔH° = -364.7 kJ mol

(g) −1

Idratazione MgCl ΔH° = -150.5 kJ mol

2 (s) solv

− −1

Idratazione di Cl ΔH° = -383.7 kJ mol

(g) solv −1

Formazione di MgCl ΔH° = -641.32 kJ mol

2 (s) f

costruite un ciclo termodinamico che permetta di calcolate l’Entalpia di

Idratazione ΔH° per lo ione Mg +2(g)

solv

(-1891.8 kJ/mole)

27) La trinitroglicerina (TNG) è un liquido, che esplodendo produce diversi gas:

2 C H N O N + 1/2 O + 6 CO + 5 H O

3

3 5 3 9(l) 2(g) 2(g) 2(g) 2 (g)

Calcolare:

a) calcolare il lavoro di espansione quando 5.0 mol di TNG vengono fatte

esplodere (brillare) a 727°C e alla P =1.0 atm;

cost

b) la pressione che si sviluppa a 727°C all’interno di un recipiente

ermeticamente chiuso del volume di 10.0 litri quando in esso vengono fatte

esplodere (brillare) 5.0 mol di TNG.

(PV= nRT= 5*7.25*R*T; 595 atm)

28) Si calcolino prima il H° e poi il U° della reazione di idrogenazione del

benzene a cicloesano: C H + H C H (non bilanciata!)



6 6 (l) 2 (g) 6 12 (l)

(H° = 49 kJ/mol; H° = - 156 kJ/mol)

f benzene f cicloesano

(-205 kJ/mole ; nRT=-3RT= 7.27 kJ/mole 6

29) In un recipiente chiuso del volume di 15.0 L è contenuto solo vapore acqueo

alla temperatura di 550°C e alla pressione di 1 atm. Il recipiente viene

raffreddato dall’esterno fino a una temperatura di 20°C, temperatura alla quale

la tensione di vapore dell’acqua è pari a 17.5 mmHg. Calcolare la quantità di

vapore acqueo che condensa durante il raffreddamento (si assuma il volume di

acqua condensata ininfluente sul volume del recipiente).

Determinare, poi, il calore necessario per riportare di nuovo in fase vapore, alla

temperatura iniziale, il sistema. Cp (l) = 1 cal/gK ; Cp (g) = 0.44 cal/gK;

H2O H2O

= 44kJ/mole

0

∆Hvap H2O

(n= 0.222 moli; Dn = 0.20765; Q= 3.737*1*(100-

20)+0.20765*44000/4.186+3.737*0.44*(550-100) + 0.27*0.44*(550-20) =

3.282 kcal

30) Calcolare l’entalpia della reazione che genera una mole di benzene:

C H C H (da bilanciare)



2 2(g) 6 6(l)

sapendo che:

1. C H + 5/2 O 2 CO + H O H° = -310.6



2 2(g) 2(g) 2(g) 2 (l) 1

kcal/mole

2. C H + 15/2 O 6 CO + 3 H O H° = -781.6



6 6(l) 2(g) 2(g) 2 (l) 2

kcal/mole

H° = 3*H° -H° = -150.2 kcal/mole)

r 1 2

31) La reazione di combustione del metano CH a T = 25°C ed alla pressione P =

4

1atm ha un ∆H = -803 kJ/mole. Note le energie di legame medie E =

comb0 O=O

498.3 kJ/mole, E = 840 kJ/mole e E = 461 kJ/mole, determinare l’energia di

C=O O-H

legame media E .

C-H

(∆H = (4 CH+ 2 O=O) – (2 CO+ 4 OH) ; CH=431 kJ/mol)

comb0

32) Conoscendo il H° di formazione di H O e di H S (rispettivamente pari a

2 2

-68.4 kcal/mole e -5.3 kcal/mole), determinare quanti grammi di H S è

2

necessario far reagire in condizioni standard secondo la seguente equazione

H S + O H O + S (non bilanciata)



2 (g) 2 (g) 2 (l) (s)

per portare alla T di ebollizione 100L di H O inizialmente a 25 °C (c H O = 1cal

2 p 2

g K ). Quale grandezza sarebbe necessario conoscere se l’esercizio chiedesse i

-1 -1

grammi di H S necessari per trasformare la stessa quantità d’acqua in vapore?

2

(∆H = -63.1 kcal/mole Q=7500 kcal n=118.8 g= 4.05Kg )

;

r

33) Considerando la reazione 7

N H + N O -> N + H O (da bilanciare)

2 4 (l) 2 4 (g) 2 (g) 2 (l)

calcolare la quantità di calore sviluppata facendo reagire 5.67 mL di una

soluzione acquosa di idrazina al 55% in peso (d= 1.029 g/mL ) con 50 mL di una

soluzione acquosa di tetraossido di azoto 2 M. Infine, qual è la concentrazione

finale di N O in soluzione? (Per semplicità, per calcolare il calore di reazione si

2 4

considerino reagenti e prodotti puri e non in soluzione).

∆H = -285.84 kJ/mole, ∆H = 9.66 kJ/mole, ∆H = -315.40 kJ/mole.

f0 f0 f0

H2O N2O4 N2H4

(2-1-3-4; ∆H° = -522.22 kJ/mole; moli = 0.1 e 0.1; Q=52.22 kJ; 0.05 moli N2O4

r

restano 0.898 M

34) In un recipiente di 10000 L a pressione 1 atm e a 20°C contiene 100 g di

H O . Quanti grammi di H O si trovano in fase vapore? Quanti grammi di H O

2 (g) 2 2

condenserebbero se il volume del recipiente fosse ridotto isotermicamente ad

1000 L? (P° (20°C) = 18mmHg)

H2O

(tutti, 100-17.72g)

35) Conoscendo i valori di Entalpia ed Entropia standard di formazione per

l’acqua e per l’ossido di carbonio a 298 K, pari rispettivamente a:

H° = - 285.83 kJ mol S° = + 69.91 J K mol

-1 -1 -1

f (H O(l)) (H2O(l))

2

H° = - 110.53 kJ mol S° = + 197.67 J K mol

-1 -1 -1

f(CO(g)) (CO(g))

e conoscendo i valori S° = + 130.7 J K mol e S° = + 5.61 J K mol ,

-1 -1 -1 -1

(H2(g)) (C(s))

calcolare il valore di H°,S° e G° relativo alla seguente reazione:

H O + C CO + H



2 (l) grafite(s) (g) 2(g)

S°= 252.85 J/Kmol; H°= 175.3 kJ/mole; G° = 99.95 kJ/mole

36) Il calore standard di combustione del metano è ∆H° = - 210 kcal/mole.

comb.

Assumendo che non vi sia dispersione di calore, calcolare quanti litri di gas

metano, misurati a T= 0 °C e P = 1 atm, sono necessari per riscaldare 200 L di

acqua dalla temperatura di 30 °C a quella di 100 °C.

(densità H