Giochi della Chimica 2024 Fase nazionale ‒ Classe B

1. Nella titolazione di un acido forte con una base forte, qual è l’indicatore più adatto da utilizzare, tenendo conto
dei rispettivi intervalli di pH di viraggio, affinché il punto di viraggio sia più vicino al punto equivalente?
A) metilarancio (3,1–4,4)
B) timolftaleina (8,3–10,5)
C) rosso di metile (4,8–6,0)
D) blu di bromotimolo (6,0–7,6)
1. Soluzione

SOLUZIONE

COSA SONO GLI INDICATORI ?

Un indicatore acido base è un acido debole che generalmente si indica con HIn  che assume un colore quando si trova allo stato indissociato ed un colore diverso quando si trova nello stato dissociato. Essendo un acido debole si dissocia secondo la reazione

HIn_(aq)+H2O_(l)⇌H3O+_(aq)+In−_(aq)

                        rosso                                             giallo                           

questa reazione essendo un equilibrio ha una costante di equilibrio cioè una costante di dissociazione  che viene indicata come costante dell’indicatore K_ind

K _ind  =⌈ H3O+⌉_(aq)+⌈In−⌉_(aq)   /  ⌈HIn⌉_(aq)+⌈H2O⌉_(l)

                                             K _ind  =⌈ H3O+⌉_(aq) x giallo / rosso  x ⌈H2O⌉_(l)

                      ⌈ H3O+⌉_(aq) = Kind   B /A

indicando  con A il colore giallo e con B il colore rosso.

Sapendo che l’occhio umano riesce a distinguere il colore A da quello B quando A è 10 volte B

si vedrà il colore giallo A quando  questi è 1o volte il rosso B   quindi (indicando per comodità ⌈ H3O+⌉_(aq)  con ⌈H+⌉ possiamo scrivere

 

⌈H+⌉ = Kind B /10  B       e viceversa si vedrà a quando B è 10 A          ⌈H+⌉ = Kind 10 A/ A

⌈H+⌉ = Kind 1 /10      e  ⌈H+⌉ = Kind  x 10

passando ai logaritmi si ha log ⌈H+⌉ = log Kind 1 /10      e  ⌈H+⌉ = log Kind  – log 10            log ⌈H+⌉ = log Kind + log 10 

cambiando di segno  avremo le due espressioni che indicano i PH essendo -log =P

 – log ⌈H+⌉ = – log Kind  -(-log 10)         – log ⌈H+⌉ = -log Kind – log 10 

PH= P_Kind   + 1      PH= PKind  – 1 

pertanto la variazione di colore di un indicatore si ha in un intervallo di 2 unità di PH 

la titolazione di un acido forte con una base forte ha  il punto di equivalenza a pH 7, ed il pH passa immediatamente  da valori acidi a valori basici (da pH 4,5 a pH 9,5) con una sola goccia di titolante. Il viraggio dell’indicatore  diventa visibile quando si supera il limite superiore dell’intervallo di viraggio, quindi  per la titolazione acido forte  base forte il limite superiore dell’intervallo di viraggio che è più  vicino a 7 lo possiede il blu di bromotimolo ( pH 7,6)  Questo indicatore è quello da usare per valutare nel modo migliore  il punto equivalente della reazione .

In generale si usano gli indicatori che hanno un Pkind vicino al PH del punto di equivalenza

Comuni indicatori di PH  in soluzione acquosa

nome convenzionale	colore della forma acida	colore della forma basica	intervallo di viraggio
violetto di metile	lilla	viola	0,1 – 1,5
viola basico 3	giallo	verde	0,0 – 0,8
	verde	blu	0,8 – 1,8
	blu	blu-viola	1,8 – 2,6
blu di timolo	giallo	blu	1,2 – 2,8
giallo di metile	rosso	giallo	2,9 – 4,0
metilarancio	rosso	giallo	3,1 – 4,4
blu di bromofenolo	giallo	blu	3,0 – 4,6
verde di bromocresolo	giallo	blu	3,8 – 5,4
rosso metile	rosso	giallo	4,2 – 6,2
blu di bromotimolo	giallo	blu	6,0 – 7,6
rosso fenolo	giallo	rosso	6,4 – 8,0
rosso cresolo	giallo	rosso	7,2 – 8,8
1-naftolftaleina	rosa	verde	7,3 – 8,7
fenolftaleina	incolore	rosso cremisi	8,0 – 9,9
timolftaleina	incolore	blu	9,3 – 10,5
violetto di bromocresolo	giallo	violetto	5,2 – 6,8
trinitrotoluene	incolore	arancio	11,5 – 13,0

da notare che esistono anche indicatori REDOX utilizzati per valutare il punto equivalente in una titolazione che utilizza un’ossidoriduzione. e che cambia colore  a seconda del valore del potenziale elettrochimico del punto equivalente della reazione.

Risposta corretta  D

2. Due isotopi NON hanno lo stesso:
A) numero di protoni
B) numero di massa
C) numero atomico
D) numero di posizione nel sistema periodico degli elementi
2. Soluzione

gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che possiedono  lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni

IL NUMERO DI MASSA È DATO DALLA SOMMA DEL NUMERO DI PROTONI E DEI NEUTRONI

L’IDROGENO H CHE PRENDIAMO COME ESEMPIO HA DUE ISOTOPI IL DEUTERIO ED IL TRITIO

es H,D,  T  cioè IDROGENO, DEUTERIO, E TRITIO

L’ IDROGENO H  possiede 1 protone soltanto ed ha numero di massa 1 e si indica con   ¹H

IL DEUTERIO   possiede 1 protone ed un neutrone quindi ha numero di massa 2  e si indica con   D oppure ²H

il TRITIO  possiede 1 protone e 2 neutroni  e si indica con T oppure ³H

IL NUMERO ATOMICO INVECE E’ DATO DAL NUMERO DI PROTONI

QUINDI GLI ISOTOPI DELL’IDROGENO VISTI SOPRA,CHE  POSSIEDONO LO STESSO NUMERO DI PROTONI POSSIEDONO NUMERO ATOMICO MA NUMERO DI MASSA DIFFERENTE 

IL NUMERO DI MASSA SI SCRIVE A SINISTRA IN ALTO DEL SIMBOLO DELL’ELEMENTO ES ²³⁸U ²³⁵U  ¹²C  ¹⁴ C

Risposta corretta B
3. In quali delle seguenti sostanze il legame tra gli atomi è di natura prevalentemente ionica?
A) acido cloridrico
B) bromuro di potassio
C) diamante
D) ammoniaca

3. Soluzione

Il legame chimico è un’attrazione di grande forza  tra due o più atomi .Le  interazioni hanno sempre natura elettrica nel senso che si verificano  tra una carica (o densità di carica) con la corrispondente carica o densità di carica di segno opposto.

Esistono  tipi di legame chimico che variano con  tra due estremi: il legame covalente puro e il legame ionico puro.

Cariche con uguale   valore assoluto ma di segno diverso si attraggono  con una forza espressa dalla legge di Coulomb:

F = Ğ κ ⋅ q ⁺ x  q ^– / r ²

Se consideriamo un atomo A che perde un elettrone, assumerà perciò una carica POSITIVA e viene chiamato CATIONE

Se consideriamo un atomo B che acquista un elettrone, assumerà perciò una carica NEGATIVA  e viene chiamato ANIONE

Supponiamo di avvicinare i due ioni, un catione ed un anione : essi si attraggono per la legge di Coulomb ma oltre un certo punto non si possono avvicinare perchè esiste una forza di repulsione tra i nuclei dei due ioni. Questa forza non segue la legge di Coulomb ma è regolata dalla legge

F = B / rⁿ

dove sia B che n dipendono dagli ioni in esame ( n può variare da 5 a 13)

la forza di repulsione a brevi distanze  è più grande della forza di attrazione che è proporzionale a 1 / r ² . La distanza r ⁰ alla quale  le due forze avranno lo stesso valore è la distanza di legame.

Abbiamo visto che gli ioni con cariche  di segno opposto si attraggono, ma ci chiediamo in virtù di quali caratteristiche di ogni ione si ha l’attrazione?

La caratteristica più importante in questo caso è l’elettronegatività di un atomo.

L’elettronegatività è la proprietà di un atomo di attrarre gli elettroni di un legame e dipende dall’energia di ionizzazione  E_ion e dall’ affinità elettronica E_aff

Esistono diverse scale di elettronegatività

1 scala di Pauling 

2 scala di  Mulliken

3 scala  di Allred-Rochow

4 scala di Sanderson

5 scala di  Allen

ognuna di esse si fonda su dati diversi  che quì però non indichiamo.

Indipendentemente dalla scala prescelta, i valori di elettronegatività mostrano un andamento abbastanza regolare lungo la tavola periodica degli elementi. L’elettronegatività è quindi una proprietà periodica .

I  valori di elettronegatività aumentano procedendo da sinistra a destra lungo un periodo, come esemplificato dai seguenti dati

Elemento	Pauling	Mulliken	Allred-Rochow
Li	0,98	0,97	0,97
Be	1,57	1,54	1,47
B	2,04	2,04	2,01
C	2,55	2,63	2,50
N	3,04	2,33	3,07
O	3,44	3,17	3,50
F	3,98	3,91	4,10

I valori di elettronegatività inoltre calano procedendo dall’alto verso il basso lungo un gruppo, come illustrato dai seguenti dati relativi agli alogeni

Elemento	Pauling	Mulliken	Allred-Rochow
F	3,98	3,91	4,10
Cl	3,16	3,00	2,83
Br	2,96	2,74	2,74
I	2,66	2,21	2,21

adesso possiamo affrontare il quesito proposto.

il potassio ha un’elettronegatività( secondo Pauling ) pari a 0,82 ed il bromo 2,96 quindi tra questi due atomi si instaura pertanto un legame ionico.

l’HCl (allo stato gassoso) forma un legame covalente polare in quanto gli elettroni di legame sono attratti dalla sua elettronegatività maggiore rispetto all’idrogeno (Ricorda che in soluzione invece HCl esiste come H3O⁺ e Cl^–)

Il diamante invece  è costituito da atomi di Carbonio soltanto  mentre  l’ammoniaca NH3 è costituita da Azoto che forma  legami covalenti con l’idrogeno

da quanto esposto, la risposta corretta + B
4. Il numero quantico di spin può assumere valori:
A) –n, +n B) –ℓ, +ℓ C) –1/2, +1/2 D) –1, +1
4. Soluzione
Il numero quantico di spin di un elettrone può assumere solo 2 valori +1/2 e –1/2

l’energia di un elettrone si calcola dall’equazione di Schrödinger

EΨ= H Ψ

perchè E sia diverso da zero è necessario che alcuni numeri presenti nella funzione Ψ   abbiano valori ben determinati ed in relazione tra loro infatti

n= numero quantico principale, che definisce il livello energetico in cui si trova l’elettrone, può assumere valori che vanno da 1 ad ∝

l = numero quantico  quantico secondario,  definisce la forma dell’orbitale in cui è collocato l’elettrone. Questo numero quantico è anche noto come numero quantico azimutale o numero quantico rotazionale o numero quantico angolare.

I valori di l vanno da 0 a n -1. 

Il numero quantico magnetico, m, ci dice come l’orbitale è orientato nello spazio.

m assume valori interi, anche negativi, compresi tra  +l 0 -l 

 se l=0

m=o per cui si ha uno stato s

se l=1

m= +1,0,-1 (si hanno gli orbitali P che sono 3 )

se l= 2 m= +2,+1.ì,-1,-2 ( si hanno gli orbitali d che sono 5 )

se 2 elettroni si trovano nello stesso orbitale devono avere spin diversi (+1/2 e -1/2 )

la risposta corretta è C

5. Il bilanciamento di una reazione chimica è imposto dalla legge di:
A) Proust                                                                                                                                                                                                                                                    B) Lavoisier                                                                                                                                                                                                                                                C) Dalton                                                                                                                                                                                                                                                      D) Gay-Lussac
5. Soluzione

legge di proust

 La legge di Proust, o legge delle proporzioni definite:

quando due elementi reagiscono tra loro per formare un composto, il rapporto fra le loro masse è sempre costante.

es la reazione tra H ed O  forma sempre un composto con rapporti 2:1

legge di lavoisier 

la massa dei prodotti di una reazione deve corrispondere alla massa dei reagenti 

per esempio 2H2 +O2  →  2 H2O 

la massa di acqua ottenuta è pari a 2 x 18 (peso di H2O)= 36  che è uguale alla somma delle masse dei reagenti 

(4 x 1,008)+ 2 x 16 = 4 + 32 = 36

la legge di Dalton o legge delle proporzioni multiple

quando due elementi si combinano tra loro  dando  origine a composti diversi, questi sono sempre in preciso rapporto di combinazione ben definito e costante.

Es FeO     ed Fe2 O₃

Legge di Gay-Lussac 

è una delle leggi che riguardano i Gas e dice che :

a volume costante, la pressione di una massa di gas è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta del gas stesso

P/T = K 

Nota dello scrivente:

non si comprende perchè (ad esclusione della legge di Lavoisier) si continuino ad insegnare leggi obsolete che confondono i ragazzi visto che viviamo  in un periodo in cui in chimica tutto ci è chiaro se si studiano i legami chimici e la stechiometria .

la risposta corretta è B

6. Fra le seguenti molecole H2S, CO2, HCN, NH3, indicare quella la cui struttura di Lewis ha un’unica coppia di
elettroni di non legame sull’atomo centrale.
A) CO2                                                                                                                                                                                                                                                        B) HCN                                                                                                                                                                                                                                                      C)  NH3                                                                                                                                                                                                                                                        D) H2S
6. Soluzione

in questo grafico a Sx vi sono gli orbitali del C ed a destra gli orbitali dei 2 atomi di ossigeno.

Puoi notare che nella CO2  (livelli energetici centrali) il C forma  2 orbitali sigma e due π e non vi sono elettroni di non legame.

In realtà se  guardiamo CO2 secondo la teoria di Lewis notiamo che i 4 elettroni esterni del C formano 4 legami con l’Ossigeno e quindi non ha coppie elettroniche di non legame.

In H2S

In questo caso la struttura elettronica di S è 1S2 2S2 2PX2 2Py2 2pz2 3s2 3p2x 3p1y 3pz1

i 4 elettroni 3S2 e 3Px formano due coppie di non legame

HCN è simile a CO2 cioè senza elettroni di non legame

In NH3  l’azoto che ha struttura 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz1   forma 3 legami con l’idrogeno ma rimane una coppia di non legame 2s2

risposta corretta C

7. La molecola BCl3:
A) ha tre legami dativi B) è poco polare C) è fortemente polare D) ha momento dipolare nullo
7. Soluzione

il legame covalente dativo  ( legame di coordinazione). tra due atomi  è un legame covalente in cui i due elettroni del legame vengono fornit(dati)i da uno solo degli atomi . Per esempio

Nell’acido clorico HClO₃ l’atomo di cloro (Cl) mette in comune due coppie di elettroni (4 elettroni di valenza) a due atomi di ossigeno (O) per formare due legami dativi.

I due legami dativi a sinistra e in basso completano l’ottetto nei primi due atomi di ossigeno.

Il terzo legame covalente semplice a destra completa l’ottetto nell’atomo di ossigeno legato con il l’atomo di idrogeno che, invece, completa il duetto.

il legame dativo non lo si può distinguere dal legame covalente perché ha le stesse proprietà. L’unica differenza rispetto al legame covalente è nella coppia di elettroni fornita da un solo atomo invece che da due.

La molecola BCl3 è planare trigonale

Il legame tra B e Cl è polare ma a causa della struttura i momenti di dipolo dei singoli legami B-Cl si annullano perchè i vettori hanno uguale modulo e giacciono tutti sullo stesso piano.

Risposta corretta  D

8. Se si raddoppia la pressione e si triplica la temperatura di un gas ideale, il suo volume diviene:
A) 3/2 di quello originale       B) 1/2 di quello originale       C) 2/3 di quello originale        D) 6 volte quello originale
8. Soluzione

la risposta a questa domanda riguarda l’equazione generale di stato dei gas ideali   PV= nRT

da questa deriva  V = nRT/P 

quindi se P = 3P  e  T = 3T  abbiamo 

  V1 = nRT1/P1

 V2 = nR(3T1)/2P1

V2=  3/2 (nRT1/P1)   ma  nRT1/P1=V1quindi

V2=  3/2 V1
Risposta corretta A
9. Nella teoria cinetico-molecolare:
A) le particelle in un gas si muovono in maniera casuale e disordinata
B) le particelle in un solido sono libere di muoversi in modo indipendente l’una dall’altra
C) l’energia cinetica media delle particelle in un gas diminuisce con l’aumentare della temperatura
D) nessuna delle altre opzioni è corretta
9. Soluzione

la teoria cinetica dei gas descrive un gas come un gran numero di piccole particelle che sono in costante movimento casuale. Le particelle muovendosi urtano tra di loro e con le pareti del contenitore. La teoria cinetica dei gas spiega le principali proprietà dei gas quali Pressione Temperatura e Volume.

la relazione matematica che lega la temperatura all’energia cinetica  è :

1/2 x m x 3RT/M  dove m= massa    M= peso Molecolare

da cui si ottiene

K = 3RT/2Na

K= 3/2 Kb T     dove Kb = costante di Boltzman = 1,38 x 10^-23Joule/K

da questa espressione si vede che  l’energia cinetica media delle particelle è direttamente proporzionale a T

Più aumenta T, maggiore sarà la velocità delle molecole e quindi maggiore sarà  il numero di urti elastici tra le molecole-
Risposta corretta  A

10. La variazione di entalpia di una reazione chimica:
A) è sempre negativa
B) è sempre positiva
C) è la differenza tra l’entalpia dei prodotti e l’entalpia dei reagenti
D) è indipendente dalla temperatura

10. Soluzione

il primo principio della termodinamica dice che  E = Q + L

dove Q rappresenta l’energia sotto forma di calore ed L l’energia sotto forma di lavoro (lavoro fisico= Forza x spostamento)

Ne caso dei gas si può operare a pressione costante(TRASFORMAZIONE ISOBARA ) o volume costante (TRASFORMAZIONE ISOCORA)

In un gas la forza F che si esercita non è altro che la pressione P e lo spostamento è la variazione di volume ( ΔV) causata dalla forza P quindi

 E = Q + PΔV

Per convenzione si è stabilito di assegnare al calore (Q) segno positivo se dall’ambiente fluisce al sistema e negativo se dal sistema va all’ambiente.

Al lavoro (L) si attribuisce segno positivo se è il sistema a compierlo sull’ambiente e segno negativo nel caso contrario.

per convenzionePΔV assume segno positivo  se il lavoro è compiuto dal sistema verso l’ambiente esterno mentre è negativo  se il lavoro è compiuto sul sistema

A volume costante  ΔV=0 per cui E=Q 

ciò significa che se forniamo energia sotto forma di calore  dall’esterno, tutto il calore fornito serve a far  aumentare l’energia interna del sistema 

se invece lavoriamo a P=K avremo  i volumi V1 iniziale e V2 finale del nostro sistema

non solo ma la trasformazione possiamo farla procedere in modo REVERSIBILE O IRREVERSIBILE 

OPERANDO IN MODO IRREVERSIBILE

in condizioni di irreversibilità (ad esempio un’espansione del gas contro una pressione esterna) P nella formula data sopra CORRISPONDE ALLA PRESSIONE ESTERNA AL GAS 

Q= ΔE+ P(V₂-V₁)     Q=ΔE+ (PV₂ -PV₁)

Q= E₂-E₁ + PV₂ – PV₁ 

Q= (E₂+ PV₂  ) – (E₁+PV₁)       ed indicando la somma

(E₂+ PV₂  ) = H₂   in cui H₂ = entalpia allo stato finale 2

(E₁+PV₁) =H₁ in cui H₁ = entalpia allo stato iniziale 1

pertanto si ottiene la relazione

H2-H1 =Q        ΔH = Q

(Misuriamo la variazione di entalpiai in  J mol^-1 o kJ mol^-1).

questa espressione ci dice che se un sistema passa dallo stato 1 allo stato 2, a pressione costante, la quantità di calore  rappresenta la differenza del contenuto termico tra lo stato A ed uno B

Ogni molecola possiede un contenuto termico a P=K dato dall’ ENTALPIA H quindi in una reazione chimica

A  + B  → C + D  

H_a + H_b → H_c +H_d 

possiamo scrivere quindi

∑ Hprodotti – ∑ H reagenti =Q   a P=k irr

L’Entalpa  è una misura di come il calore viene rilasciato o assorbito da un sistema 

se in una reazione A→B

si ha  A→B +Q  cioè viene rilasciato calore la reazione è detta ESOTERMICA

si ha  A→B  – Q  cioè viene assorbito calore la reazione è detta ENDOTERMICA

IN UNA TRASFORMAZIONE ISOBARA REVERSIBILE 

P= PRESSIONE DEL GAS

 E= Q+ P δV     

essendo P la pressione del gas allora dall’espressione PV=nRT e considerando n=1 si ha  P= RT/V da cui 

E= Q + RT δV/v 

E= Q + RT ∫δv/v

tra quantità di calore Q e temperatura esiste la relazione

q = m c ΔT

• q è l’energia trasferita, in joule (J).
• m è la massa  in grammi (g).
• c è la capacità termica specifica  espressa in joule per Kelvin o joule per gradi Celsius (J K^-1 o J ºC^-1).

per un gas ideale

ΔH = CpΔT

cp= calore specifico a pressione costante (calore necessario per aumentare di 1 grado la temperatura T  di 1 grammo di sostanza)

Si deduce che la differenza di entalpia in una reazione è dipendente in modo diretto dalla temperatura.

IN UNA REAZIONE ESOTERMICA aumentando la temperatura la reazione procede verso sinistra

esempio nella reazione

A  + B  → C + D  + Q 

dobbiamo considerare la quantità di calore Q come se si trattasse di un composto per cui se Q aumenta (per effetto dell’aumento della tremperatura) viene favorita  la reazione inversa cioè i prodotti riformano i reagenti

nella reazione

A  + B  → C + D  – Q 

cioè in una reazione ENDOTERMICA 

l’aumento di temperatura favorisce la reazione diretta cioè si formano più prodotti 

si deduce quindi che la risposta corretta è C

11. Quale delle seguenti molecole ha le forze intermolecolari più deboli?
A) H2O (acqua) B) NH3 (ammoniaca) C) HF (acido fluoridrico) D) CH4 (metano)
11. Soluzione

Questo tipo di forze nasce fra molecole in cui il baricentro delle cariche negative non coincide con il baricentro delle cariche positive. Ciò è dovuto al fatto che alcune molecole presentano un momento dipolare risultante non nullo, e si comportano dunque come dei deboli dipoli elettrici.

Le forze intermolecolari sono forze che si esercitano fra molecole e/o ioni: sono generalmente molto meno intense delle forze di legame intramolecolari (per intenderci i legami chimici tra atomi che li tengono uniti  quando formano  una molecola), ma determinano una serie di importanti proprietà macroscopiche della materia.

Le forze intermolecolari contribuiscono a determinare alcune caratteristiche fisiche delle sostanze : allo stato liquido(e ancora di più allo stato solido) queste interazioni sono più forti e causano dunque una maggior compattezza della sostanza, insieme ad una minore mobilità delle molecole.

Un’elevata forza fra le molecole di una soluzione (ad esempio un legame ad idrogeno, come nel caso dell’acqua) ne fa innalzare il punto di ebollizione perché occorre maggior energia per rompere questi legami. Lo stesso discorso si può fare per il punto di fusione.

Nei gas, queste forze sono molto meno meno importanti che nei liquidi o nei solidi, perché l’energia l’energia cinetica delle molecole molecole di un gas è di gran lunga maggiore dell’energia coinvolta nelle interazioni intermolecolari.

Le forze intermolecolari sono:

FORZE IONE-DIPOLO

Sono generalmente le forze intermolecolari più intense. Uno ione positivo (negativo) interagisce con una molecola polare venendo attratto dal polo negativo (positivo) del dipolo.

Un tipico esempio è l’idratazione degli ioni in soluzione acquosa (solvatazione).

L’acqua è una molecola polare e come tale interagisce con gli ioni. Uno ione positivo  ( nella figura colorato in blu) verrà circondato  da un certo numero di molecole di acqua orientate con l’atomo di ossigeno (sul quale è localizzata una  frazione di carica negativa) verso lo ione;

analogamente, uno ione negativo verrà circondato circondato da molecole molecole di acqua orientate con gli atomi di idrogeno (su cui è localizzata una frazione di carica positiva) verso lo ione.

FORZE DIPOLO-DIPOLO

Dati due dipoli elettrici, l’estremità positiva di un dipolo : viene attratta dall’estremità negativa dell’altro e viceversa.

quando sono interessati gli atomi di idrogeno l’interazione   viene definita legame idrogeno

FORZE DI VAN DER WAALS

sono un insieme di interazioni intermolecolari che comprende le forze di London  e le interazioni dipolo dipolo .

Le FORZE DI LONDON sono il tipo di interazione intermolecolare più debole e si manifestano a causa dello spostamento temporaneo delle cariche che formano la nuvola elettronica di una molecola. Questo fa sì che le forze di London si generino anche fra molecole apolari, dato che negli atomi (o molecole) in cui la distribuzione di carica è mediamente simmetrica, essa non lo è nel momento in cui si avvicina una carica anche parziale. Conseguentemente si origina una molecola dotata istantaneamente di una debole carica elettrica, ossia un dipolo istantaneo, il quale fa nascere un campo elettrico  che influenza e polarizza per induzione gli atomi circostanti, detti quindi dipoli indotti. L’effetto a catena che si crea genera legami momentanei fra gli atomi,

Nel caso in esame, HF è una molecola polare e forma  legami idrogeno così come l’acqua.

NH3 è polare a causa del doppietto elettronico libero per cui N attira gli elettroni dei legami con l’idrogeno 

 

CH4 è un composto apolare per cui nei legami si possono creare solo momenti di dipolo istantanei (forze di London) 

ne consegue che la risposta corretta è D

12. Indicare l’affermazione corretta.
A) l’entropia è una misura dell’energia totale di un sistema
B) l’entropia è una funzione di stato
C) l’entropia di un sistema diminuisce quando aumenta il disordine delle particelle
D) l’entropia standard di formazione di un elemento puro è sempre zero
12. Soluzione

Il primo principio della termodinamica E = Q+ L  ci permette di stabilire se una reazione produce o meno calore e ci dice se può creare lavoro o meno. Non ci permette però di prevedere se la reazione procede spontaneamente verso la formazione di prodotti o meno. Per questo è stata introdotta una nuova funzione matematica chiamata ENTROPIA

S = Q/T 

DURANTE UNA TRASFORMAZIONE SPONTANEA IL DISORDINE DELL’AMBIENTE AUMENTA quindi per stabilire se una trasformazione possa o no avvenire spontaneamente DOBBIAMO CERCARE DI MISURARE IL GRADO DI DISORDINE che essa porta all’intero universo e cioè sia al sistema  che all’ambiente.

Sappiamo inoltre che l’ entropia (S)  è proporzionale al numero di modi  diversi W in cui si possono disporre le particelle del sistema per cui si ha

S = k lnW

• La variazione di disordine che avviene nell’ambiente è una conseguenza della trasformazione del sistema da noi considerato cioè dalla reazione in esame
• Possiamo cercare quindi di mettere in relazione la variazione del disordine dell’ambiente con la variazione di funzioni di stato del sistema o meglio della reazione.

• Il ruolo  dell’ambiente, durante una trasformazione, è quello di fornire o sottrarre Calore al sistema, fungendo da enorme “pozzo” di calore, così grande che la sua temperatura rimane costante, anche se il suo disordine varia mediante la cessione o l’acquisto di calore.
• La variazione del disordine dell’ambiente è quindi direttamente proporzionale alla quantità di Calore trasferita al o dal sistema.
• Anche la temperatura dell’ambiente prima del trasferimento di calore verso o da esso influenza il disordine dell’ambiente.

Possiamo dire che la variazione di disordine dell’ambiente è direttamente proporzionale a una variazione opposta di calore del sistema e inversamente proporzionale alla temperatura dell’ambiente che possiamo considerare costante.
Quindi possiamo descrivere la variazione del disordine dell’ambiente in funzione della variazione di entalpia del sistema e della temperatura.

ΔS = ΔH / T 

– Questa equazione ci dice che è possibile calcolare la variazione totale di disordine  dell’universo solo avendo informazioni dal solo sistema-

quindi possiamo scrivere che

Δ_{disord sistema} = = ∆H – T∆S

Δ_{disord sistema} 

può essere definito come l’energia disponibile da parte del sistema di produrre lavoro infatti T∆S è la parte non disponibile

Questa energia è definita ENERGIA LIBERA di  GIBBS

∆G = ∆H – T∆S

Abbiamo visto che per la seconda legge le trasformazioni spontanee avvengono se aumenta il disordine dell’universo il che equivale a dire, se diminuisce l’ordine dell’universo stesso: poiché con G indichiamo l’ordine dell’universo,

una trasformazione avverrà spontaneamente se la G diminuisce e quindi se:
∆G < 0
• Questo succederà se il sistema aumenta il proprio disordine (∆S > 0) o se si ha una diminuzione dell’entalpia del sistema

(∆H < 0) che comporta un aumento del disordine dell’ambiente.

Quando ∆G =  0  il sistema è in equilibrio

se ∆G > 0

la trasformazione non avverrà in modo spontaneo.

Ne consegue che essendo  l’entropia  una funzione di stato, corrispondente  al grado di disordine del sistema,   misura la utilizzabilità della sua energia per produrre lavoro  infatti si può ottenere energia  solo se l’entropia del sistema aumenta.

Risposta corretta  B

13. Il pH di una soluzione acquosa di KOH 0,001 mol/L è:
A) 11 B) 9 C) 8 D) 3
13. Soluzione

trattandosi di una base forte la concentrazione di OH- corrisponde alla concentrazione analitica cioè 0,001 quindi

⌈OH-⌉= 10 ^-3 M
dobbiamo quindi calcolare prima il POH poi il PH  pOH = -log ⌈OH-⌉= – log 10^-3

quindi POH = 3 e poichè POH+ PH = 14    allora pH = 14 – 3

Risposta corretta  A

14-Indicare i grammi di calcio contenuti in 15,00 g di calcare al 57,2% m/m di CaCO3 .
A) 12,00 g
B) 6,86 g
C) 3,43 g
D) 13,70

soluzione

in una molecola di CaCO3 (100 g) vi è un atomo di Ca (40 g)  in 15 g ve ne sono X

X= 15 x 40 / 100 = 6 g

Siccome però il calcare non è al 100% bensì al 57,2 %

se in 100 in realtà ve ne sono 5, in 6 ve ne sono X

X= 57,2  x 6 /100 = 3,43 g

Risposta  corretta C

15. Data la reazione (da bilanciare): MgO + H3PO4 → Mg3(PO4)2 + H2O
Indicare i grammi di MgO (MM = 40,3 g/mol) e le moli di H3PO4 (MM = 97,99 g/mol) che bisogna fare reagire
per ottenere 26,3 g di Mg3(PO4)2 (MM = 262,85 g/mol), supponendo che la resa sia del 100%.
A) 6,05 g di MgO; 0,10 mol di H3PO4
B) 12,09 g di MgO; 0,20 mol di H3PO4
C) 3,02 g di MgO; 0,2 mol di H3PO4
D) 24,18 di MgO; 0,2 mol di H3PO4
15. Soluzione
La reazione bilanciata è: 3 MgO + 2 H3PO4 → Mg3(PO4)2 + 3 H2O

quindi se per ottenere  1 mnolecola di  Mg3(PO4)2 (262,855 g) sono necessari 3 MgO ( 3 x  40,30), per ottenerne 26,3 g ne occorrono X

X = g di MgO = 12,09 g di MgO

se per ottenere 1 mole di Mg3(PO4)2 sono necessarie 2 moli di H3PO4per ottenere26,3/262,855 moli ne occorrono X

X=( 26,3 / 262,855 )x 2 / 1 = 0,2 Moli 

Risposta corretta B
16. Un composto organico costituito da carbonio, idrogeno e ossigeno ha dato all’analisi i seguenti risultati:
C = 63,12%; H = 8,85%; O = 28,03%.
La massa molare del composto è 114,20 g/mol. Indicare la sua formula molecolare.
A) C6H10O2 B) C3H5O C) C3H4O D) nessuna delle altre risposte
16. Soluzione

per calcolare i rapporti semplici tra atomi occorre dividere le % per il peso atomico

C = 63,12%/ 12  = 5,26  grammoatomi

H = 8,85%/1,008  =8,78  grammoatomi

O = 28,03%/16 = 1,75  grammoatomi

dividiamo per il numero più piccolo di grammoatomi

C= 3

H =5

O = 1

dal momento che i rapporti devono essere numeri interi se moltiplichiamo per 2 avremo

C=3  H=5   O=1

la somma delle masse di un composto simile è (3 x 12 )+ (5x 1,008) + 16 = 57 g

il quesito però ci dice che la massa del composto deve essere  114,20 g

114/57 = 2 

ne consegue che per ottenere la formula del composto richiesta bisogna moltiplicare 57 x 2 =114

la formula del composto è C6H10O2.

Risposta corretta A

17. Indicare se si ottiene un precipitato di PbCl2 mescolando 500 mL di Pb(NO3)2 0,01 mol/L con 500 mL di HCl
0,01 mol/L [Kps PbCl2 = 1,17 ∙10^–5 (mol/L)].
A) si ottiene un precipitato

B) non si ottiene un precipitato 

 C) dipende soltanto dalla temperatura 

D) nessuna delle precedenti risposte
Soluzione

 dobbiamo ricordare che il precipitato si ottiene se il valore numerico del  prodotto delle concentrazioni degli ioni che formano il precipitato supera il valore di Kps

dai dati vediamo che Pb(NO3) è un sale forte che si dissocia COMPLETAMENTE così come si dissocia completamente l’acido forte HCl

calcoliamo adesso le moli di Pb⁺²  e di Cl-

moli Pb+2 = volume in litri x molarità =0,5 x 0,01 =0,005

moli Cl- = volume in litri x molarità =0,5 x 0,01 =0,005

(  il volume finale è dato da 500 ml di Pb⁺² e 500 ml di Cl^–) = 1 litro (1000 ml) 

quindi sia le moli di Pb+2 che quelle di Cl- in 1 litro vengono diluite e risultano la metà di quelle presenti in 500 ml

sappiamo inoltre che il Kps si ottiene dalla dissociazione

PbCl₂→ Pb²⁺ + 2 Cl^‒

KPs= ⌈ Pb⁺²⌉⌈ Cl-⌉² =1,17 ∙10‒5

dai calcoli eseguiti vediamo che

⌈ Pb+2⌉ = 0,05 /2 =0,0025 moli/l

⌈ Cl-⌉ =0,05 /2 =0,0025 moli/l

adesso moltiplichiamo le concentrazioni calcolate sopra

0,0025 x 0,0025 =6,25 x 10-6

⌈ Pb+2⌉ ⌈ Cl-⌉  = 0,0025 x 0,0025 =6,25 x 10-6  

QUESTO VALORE È INFERIORE AL VALORE DEL KPS CHE È 1,17 X 10-5 

quindi NON SI OTTIENE PRECIPITATO 
Risposta corretta B

18. Indicare il nome IUPAC del solfato rameoso. Cu₂SO₄
A) tetraossosolfato(VI) di dirame
B) tetraossosolfato(VI) di rame
C) triossosolfato(IV) di dirame
D) tetraossosolfato(IV) di rame
18. Soluzione

vi sono 4 atomi di ossigeno quindi (tetraosso) vi è il solfato quindi Tetraossosolfato vi sono 2 atomi di rame ciò si indica con dirame   

il nme IUPAC è  tetraossosoltato(VI) di dirame 

(il 6 n numero romano, rappresenta il numero di ossidazione dell’atomo centrale che si ottiene moltiplicando 4x n.ossid. dell’ Ossigeno – numero di atomi di rame quindi 4×2=8   8-2=6)
Risposta corretta A

19. Quale volume di una soluzione di H2SO4 al 96% m/m (d = 1,84 g/mL) deve essere prelevato per preparare
1 L di soluzione di H2SO4 2 mol/L?
A) 222 mL B) 111 mL C 11 mL D) 55 mL
19. Soluzione

1 litro di soluzione 2 M  che dobbiamo preparare deve contenere 2 x 98 g di H2SO4 = 196 g H2SO4 

Sarebbe molto facile se l’H2SO4 fosse un solido perchè basterebbe pesare 196 g e portare ad 1 litro in un matraccio.

MA H2SO4 è un LIQUIDO  che però ha una densità 1,84 g/ml  e sappiamo che densità = g/ml il che significa che se si preleva 1 ml in realtà si prelevano 1,84 grammi di acido quindi  occorre prelevare Xml per avere 196 g necessari

1 ml : 1,84 = Xml : 196

X = 106,5 ml

ATTENZIONE PERO’  L’ACIDO INIZIALE è AL 96% QUINDI

se prendendo 100 ml ne prendo 96 reali allora ne devo prelevare X  che corrispondano a 106,5 ml che sono necessarie

100 : 96 = X : 106,5

10650/96 = 110.93 = 111 ml

Risposta B)

20. Indicare l’affermazione ERRATA.
A) lo spin è una proprietà intrinseca delle particelle subatomiche al pari di massa e carica
B) l’attrazione inter-elettronica causa una contrazione degli orbitali negli atomi polielettronici
C) la massa è una grandezza estensiva
D) la pressione è una grandezza intensiva
20. Soluzione
Gli elettroni sono negativi e quindi si respingono tra loro. Le nubi elettroniche non si possono contrarre per una
forza attrattiva elettone-elettrone che non esiste. (Risposta B)
21. Un gas nobile perfetto (He) è contenuto in un recipiente chiuso a volume costante a 25 °C.
A) se il gas viene riscaldato la pressione diminuisce
B) se il gas viene raffreddato il volume aumenta
C) se il gas viene raffreddato la temperatura resta costante
D) se il gas viene riscaldato la pressione aumenta
21. Soluzione
Dalla legge dei gas si vede che T e P sono direttamente proporzionali: P = (nR/V) T.

(Risposta D)

22. Nell’atomo di He sono presenti due elettroni e un nucleo carico positivamente (Z = +2). Sapendo che
l’energia di prima ionizzazione dell’elio è 25,6 eV (He → He+
+ e‒
), indicare la considerazione corretta per
l’energia di seconda ionizzazione (He+ → He2+ + e‒
).
A) l’energia di seconda ionizzazione è maggiore dell’energia di prima ionizzazione per la maggiore attrazione tra
nucleo e l’unico elettrone di He+
rispetto all’attrazione degli elettroni in He neutro
B) l’energia di seconda ionizzazione è minore dell’energia di prima ionizzazione per la maggiore attrazione tra
nucleo e l’unico elettrone di He+
rispetto all’attrazione degli elettroni in He neutro
C) non è possibile fare valutazioni quantitative anche approssimate con i dati forniti
D) l’energia di seconda ionizzazione è uguale dell’energia di prima ionizzazione perché i due elettroni sono
indistinguibili
22. Soluzione
Nella seconda ionizzazione si deve allontanare un elettrone da uno ione positivo e quindi serve più energia rispetto alla prima ionizzazione nella quale si allontana un elettrone da un atomo neutro. (Risposta A)
23. Cosa succede nella seguente reazione?
OH OH
O
A) l’atomo di carbonio in posizione 1 si ossida
B) l’atomo di carbonio in posizione 1 si riduce
C) nessun atomo di carbonio nella molecola subisce variazione del suo stato di ossidazione
D) l’atomo di ossigeno si ossida
23. Soluzione
L’atomo di carbonio C-1 si ossida due volte: da alcol ad aldeide e da aldeide ad acido.

(Risposta A)

24. Indicare quali molecole hanno momento dipolare nullo (trascurando la polarità dei legami C-H).
1: cis-CHF=CHF 2: trans-CHF=CHF
3: CH2=CF2 4: CF2=CF2
A) composti 1 e 3
B) composti 3 e 4
C) composti 1, 2, 4
D) composti 2 e 4
24. Soluzione
Il momento dipolare è nullo se i dipoli dei legami polari si annullano tra loro per simmetria.
Questo accade nel trans-CHF=CHF (i due legami polari C‒F sono simmetrici) e in CF2=CF2 (completamente
simmetrico). (Risposta D)
H
F H
F H
H F
F F
H H
F F
F F
F
apolare apolare
25. Vi sono quattro bromuri alchilici di formula C4H9Br. Quanti tra questi hanno un carbonio terziario?
A) uno
B) due
C) tre
D) nessuno
25. Soluzione
Le due molecole a destra hanno un carbonio 3°. (Risposta B)
26. Disporre i seguenti anioni in ordine di basicità decrescente.
1: CH3COO‒
2: CH3CH2O
‒
3: CH3CH2
‒
A) 2 > 1 > 3
B) 3 > 1 > 2
C) 3 > 2 > 1
D) 1 > 2 > 3
26. Soluzione
L’anione più basico (meno stabile) è CH3CH2‒
perchè la carica positiva è su un carbonio alchilico (pKa 60).
Il successivo è l’alcossido CH3CH2O‒
perchè la carica positiva è su un ossigeno elettronegativo (pHa 18).
L’anione meno basico è il carbossilato CH3COO‒
perchè la carica negativa è su un ossigeno elettronegativo e
inoltre è stabilizzata per risonanza dal carbonile (pKa 4,5).

(Risposta C)

27. Indicare i gruppi funzionali della seguente molecola:
NO SH
A) ammide e tiolo
B) ammina e tiolo
C) ammina, chetone e tiolo
D) ammide ed estere
27. Soluzione
Il gruppo funzionale di sinistra è un’ ammide disostituita, quello di destra è un tiolo che è anche chiamato
mercaptano, il nome della molecola è: 5-mercapto-NN-dimetilesanammide.

(Risposta A

28. Quale gruppo funzionale NON può essere presente in una molecola di formula bruta C2H6O2?
A) perossido B) alcol C) emiacetale D) acido carbossilico
28. Soluzione
La molecola di formula C2H6O2 non ha insaturazioni (C2H2+2+2), quindi
non ha doppi legami nè anelli e così non può essere un acido carbossilico (che contiene un carbonile C=O), mentre può essere perossido, diolo
o semiacetale. (Risposta D)