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di Francesco Serafini

Domanda 29

 

Precisiamo che con il termine “bicomponente” il testo intende un sistema chimicamente eterogeneo, formato da due diverse sostanze: l’acqua e il saccarosio. Il nostro sistema è bicomponente. Da un punto di vista fisico il sistema è eterogeneo perché possiede due fasi: la fase liquida formata da acqua con saccarosio disciolto e la fase solida costituita dal saccarosio indisciolto depositato sul fondo del contenitore.

 

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La reazione di combustione dell’ acido solfidrico è già bilanciata

2 H2S + 3 O22 SO2 + 2 H2O

2  :  3   →  2  :  2

Il quiz ci fornisce le moli dei due reagenti. Ci accorgiamo che i reagenti non si trovano in proporzioni stechiometriche 2:3. Con 10 moli di H2S ,in base al rapporto stechiometrico, reagiscono 15 moli di O2

nH2S : nO2 = 2 : 3

nO2 =nH2S ·3/2 = 10 ·3/2 = 15 mol

Diremo anche che H2S è il reagente limitante e O2 è il reagente limitato.

Quando i reagenti non si trovano in perfetto rapporto stechiometrico si affrontano i calcoli impostando una tabella:

Reagenti
Prodotti
H2S O2 CO2 H2O
inizio 10 30 0 0
variaz. –10 –15 +10 +10
fine 0 15 10 10
vol. fin. gas 15+10+10 = 35 

Nel calcolo delle moli totali finali abbiamo tenuto conto anche dell’ossigeno non reagito. Risposta D).

Se, per errore, nel calcolo delle moli finali tralasciamo l’ossigeno residuo avremmo il valore di 20 mol, come nella risposta B). Risposta insidiosa!

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Dobbiamo essere in grado di collocare il fluoro F nella tavola periodica. Il fluoro è il più altro degli elementi del settimo gruppo, detti alogeni. Il fluoro è il nono elemento della tavola periodica, possiede 9 elettroni cella configurazione:

1s2 2s2 2p7

Aggiungiamo due elettroni. Con il primo si completa l’ottetto del secondo livello e il secondo va a collocarsi nel terzo livello nell’orbitale s. La configurazione elettronica sarà uguale a quella del sodio:

1s2 2s2 2p3s1

 

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Dobbiamo essere in grado di collocare nella tavola periodica gli elementi indicati nelle risposte.

Il numero di elettroni posseduti da un atomo neutro è uguale al numero occupato dall’elemento nella tavola (numero atomico). Perciò l’azoto N possiede 7 elettroni, l’ossigeno O ne possiede 8, il fluoro F 9, il Neon Ne 10, il magnesio Mg 12, il cloro Cl 17 e il bromo Br 35.

Rispetto all’atomo neutro uno ione positivo possiede elettroni in meno e uno ione negativo possiede elettroni in più:

elemento o ione n° di elettroni elemento o ione n° di elettroni
N 7 F 9
N3– 10 F 10
O 8 F+ 8
O 9 Ne 10
O2– 10 Mg 12
Cl 17 Mg+ 11
Cl 18 Br 35
Cl2– 19 Br 36

Vediamo che solo nella risposta X) il numero delle tre specie sono uguali

X) N3– , O2– , F–  ⇒ 10, 10, 10  elettroni

 

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Il legame a idrogeno, detto anche ponte idrogeno, si origina nei composti che contengono l’idrogeno legato a: ossigeno O, azoto N, Fluoro F. Le sostanza che tipicamente rappresentano questi composti sono l’acqua H2O, l’ammoniaca NH3 e l’acido fluoridrico HF. Queste ultime non sono le sole sostanze a formare ponti idrogeno. Infatti conosciamo anche gli alcoli e i carboidrati che possiedono gruppi –OH capaci di formare ponti idrogeno ed anche le ammine primarie e secondarie.

 

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L’ossido del ferro Fe3O4 presente nel minerale magnetite, è un composto particolare nel quale i tre atomi di ferro possiedono numeri di ossidazione +3, +3 e +2  (è detto “ossido misto”) per un tutale di +8 a bilanciamento dei numeri di ossidazione dell’ossigeno pari a –2·4 = –8.

 

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Nel definire la situazione nella quale A risulta l’agente limitante individuiamo il rapporto tra i due reagenti:

A + 2B → C

1 : 2  → 1

Si verifica la condizione di perfetto rapporto stechiometrico quando le moli di B sono presenti in quantità doppia rispetto alle moli di A:

nB/nA=2

Oppure, in altri termini, quando le me moli di A sono la metà delle moli di B:

nA/nB=1/2 = 0,5

Se A deve essere l’agente limitante, deve essercene di meno rispetto a quanto prevederebbe il rapporto stechiometrico. Questa situazione di verifica nella risposta X): il rapporto tra il nA e nB è minore di 0,5

 

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Si tratta di un quiz lungo e difficile. Lungo perché dovremo effettuare calcoli per ciascuna risposta; difficile perché nelle risposte B) e C) non ci sono dati corretti fare calcoli con sicurezza, ma dovremo effettuare approssimazioni difficili per uno studente con preparazione liceale.

Lavoriamo sulle risposte per calcolare la quantità in massa del cloruro di magnesio presente:

A) 1Litro 10% (m/V)

La concentrazione espressa in %m/V indica i grammi presenti in 100 mL di soluzione. Poiché abbiamo 1 litro (cioè 10 volte 100 mL) avremo 10·10 = 100 grammi

B) 1Litro  1 M

Le moli presenti sono: n=M·V=1(mol/L)·1(L)=1 mol

La massa è: m=n·PM=1(mol)·95(g/mol)=95 grammi

C) 1Litro  1 m [molale = moli di soluto/kg di solvente]

Per poter effettuare un calcolo abbiamo bisogno della quantità in massa di solvente, non fornita nei dati.

Sappiamo, per esperienza di calcolo [esperienza che difficilmente possiede uno studente liceale], che la molalità m di soluzioni acquose è sempre maggiore della molarità M. Di conseguenza una soluzione 1 molale avrà una molarità inferiore ad 1. Abbiamo già calcolato nel punto B) una soluzione 1M, di conseguenza la nostra soluzione che ha una concentrazione minore avrà una quantità di soluto inferiore.

m < 95 grammi

D) 0.5 L   10% (m/m)

La concentrazione espressa in %m/m indica la percentuale in massa del soluto rispetto alla massa dell’intera soluzione.

Consideriamo, introducendo un certo errore, 1kg invece di 1 litro e pensiamo ad 1kg di soluzione, potremmo dire che la quantità di soluto è il 10%, cioè 100 grammi. Abbiamo però 0,5 Litri e allora estendiamo il ragionamento a 0,5 kg di soluzione: potremmo dire che il 10% equivale a 50 grammi di soluto. Pur avendo introdotto un errore di calcolo, il risultato è così basso da farci scartare in ogni caso questa soluzione.

E) 0.5 L    2M

Le moli presenti sono: n=M·V=2(mol/L)·0,5(L)=1 mol

La massa è: m=n·PM=1(mol)·95(g/mol)=95 grammi

Dopo aver effettuato calcoli su tutte le risposte possiamo concludere cha la quantità maggiore di soluto è presente nella risposta X)

 

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Per la reazione data la costante di equilibrio risulta:

Sappiamo che Kc=50 e che [AB]=[A]. Utilizziamo queste informazioni per ricavare [B]:

 

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Un catalizzatore riesce ad aumentare la velocità di una reazione arrivando all’equilibrio in un tempo minore (risp.E); abbassa la soglia di attivazione modificando il meccanismo di reazione (risp.D); partecipa alla reazione da agente esterno e la sua quantità non si consuma ma rimane inalterata (risp.B); quando sono presenti diverse possibili reazioni tra loro competitive ne facilita accelerandola una di queste e la favorisce a discapito di altre che, in assenza di catalizzatore, sarebbero favorite (risp.C).

Si raggiunge però lo stesso identico equilibrio che si avrebbe  in assenza di catalizzatore e perciò le quantità di prodotto finale saranno le stesse (anche se raggiunte con tempi diversi); individuiamo così l’affermazione FALSA della risp A.

 

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individuiamo i numeri di ossidazione di tutti gli elementi presenti nei reagenti e nei prodotti. Per far questo dobbiamo tener conto delle regole relative ai numeri di ossidazione (vedi).

Ricerchiamo gli elementi che si ossidano aumentando il loro numero di ossidazione e gli elementi che si riducono abbassando il loro numero di ossidazione. A questo punto individuiamo facilmente la risposta X).

 

 

 

 

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Premettiamo che il composto PH3 è la fosfina, composto molto simile all’ammoniaca sia come forma spaziale che come reazioni che può avere. Così come l’ammoniaca NH3 si comporta come base accettando un H+ e formando lo ione ammonio NH4+ , così similmente la fosfina PH3 si comporta come base accettando un H+ e formando lo ione fosfonio PH4+.

Secondo la definizione di acido e di base secondo Brønsted e Lowry l’acido carbonico H2CO3 si comporta da acido cedendo un H+ alla fosfina che accettandolo si comporta da base. I due reagenti andranno a formare i loro corrispettivi coniugati: l’acido carbonico H2CO3 formerà la sua base coniugata che è lo ione bicarbonato HCO3; la fosfina formerà il suo acido coniugato che è lo ione fosfonio PH4+.

La risposta corretta è la X).

 

 

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Una soluzione tampone può essere formata da un acido debole, come  l’acido acetico CH3COOH in copresenza con concentrazioni simili, se non addirittura uguali, con la sua base coniugata, come lo ione acetato CH3COO. Lo ione acetato può essere presente nella soluzione come sale iodico, l’acetato di sodio CH3COONa. Individuiamo così la risposta X).

 

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Per individuare la formula corretta iniziamo dal butano, poi ne consideriamo l’alcol butanolo con il gruppo alcolico sul carbonio 1 e infine ci aggiungiamo un gruppo metile in posizione 2.

 

 

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Il sodio Na in natura non si trova mai allo stato elementare come metallo a causa della sua elevata reattività che lo porta ad ossidarsi. Lo troviamo infatti spesso nella forma di idrossido NaOH. Questa informazione può non risultare immediata e possiamo arrivare alla risposta per esclusione; infatti:

Il carbonio si trova in natura allo stato elementare in tante possibili dorme allotropiche come il diamante, la grafite ecc.

L’argento si trova in natura allo stato elementare metallico, utilizzato per “argenterie” e gioielli.

L’azoto elementare gassoso N2 è il principale costituente dell’atmosfera terrestre.

L’argon, gas nobile, si trova soltanto allo stato elementare.

Rimane per esclusione il sodio.

 

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Consideriamo l’equazione di stato dei gas perfetti P·V=n·R·T .

Il volume è costante perché il recipiente ha le pareti rigide; la pressione deve essere costante, perché è così voluto dal testo; il numero di moli passa da 1 a 3 e perciò si moltiplica per 3; R è la costante universale dei gas.

La temperatura T che deve essere espressa in Kelvin (detta temperatura assoluta) di conseguenza risulta inversamente proporzionale al numero di moli e il suo valore si divide per 3.

 

 

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Il tetraossido di diazoto N2O4 è una molecola non facilmente nota ad uno studente con preparazione liceale.

La sua configurazione spaziale è quella riportata in figura; i tre legami a 120° sono dovuti all’ibridazione sp2 dell’azoto.

 

 

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NaOH è una base forte che in acqua presenta una idrolisi completa scindendosi in Na+ e OH. Basta perciò conoscere la quantità di moli di OH che sarà uguale alla quantità di moli di NaOH che li ha prodotti.

Ci interessa la concentrazione degli OH e quindi il pOH che si ricava dal pH:

pOH = 14 – pH = 14-12 = 2

 dal pOH ricaviamo [OH] :

[OH] = 10(–pOH) = 10–2

calcoliamo le moli:

nOH– = M · V = 10–2 · 10 =  0,1 mol

che corrispondono alle moli di NaOH

nNaOHnOH– =  0,1 mol

Per ottenere la massa utilizziamo il peso molecolare:

mNaOH = nNaOH· PM = 0,1 · 40 = 4 grammi

Risulta ora immediato capire che dovremo sciogliere 4 g di NaOH in 10 L di acqua.

 

 

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Per trovare i corretti coefficienti stechiometrici che bilanciano la reazione basta verificare le risposte andando a contare, per ciascun elemento chimico presente, se gli atomi presenti nei reagenti (sinistra) sono uguali in numero a quelli presenti nei prodotti (destra). La risposta X, corretta, presenta:

5 atomi di Fe a sinistra e a destra
8 atomi di H a sinistra e a destra
1 atomo di Mn a sinistra e a destra
4 atomi di O a sinistra e a destra

 

48 FISICA

Innanzitutto osserviamo che la velocità del cane è espressa in km/h, mentre tutte le alter grandezze sono state fornite nel sistema internazionale. Trasformiamo la velocità del cane in m/s. 1 km equivale a 1000m (36 km=36000 m) e 1 h equivale a 3600 s.

v2 = 36 km/h = 36000m/3600s = 10 m/s

Avremmo potuto procedere più speditamente ricordando che la conversione da km/h a m/s si effettua dividendo per 3,6:

v2 = 36/3,6 = 10 m/s

Abbiamo il moto simultaneo di due oggetti che viaggiano entrambi in moto rettilineo uniforme nel quale il secondo con velocità v2  insegue il primo con velocità v1<v2 partendo da una distanza iniziale d. Il moto può essere interpretato come se dobbiamo percorrere la distanza iniziale d con una velocità che è pari alla differenza di velocità; il tempo necessario si calcola con la relazione:

t = spazio/velocità = d/(v2-v1) = 90/(10-1) = 90/9 = 10 secondi

 

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Si tratta di un urto di tipo anelastico nel quale l’energia meccanica non si conserva ma si trasforma in calore nell’urto. Si conserva però la quantità di moto totale. Individuiamo la quantità di moto del sistema iniziale e finale considerando che la velocità finale dei due carrellini è identica in quanto sono uniti; uguagliando le q. di moto iniziale e finale otterremo la velocità finale.

 

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La potenza è definita come rapporto tra energia spesa e tempo:

P = E / t

Come unità di misura possiamo usare watt, joule e secondi (potenza, energia e tempo), oppure chilowatt (kW), kW