Esercizi di chimica

Illustrare il sistema periodico degli elementi. La tavola periodica è rappresentata da 18 gruppi all’interno dei quali sono disposti gli elementi. I gruppi rappresentano le colonne della tavola, gli elementi appartenenti alla stessa colonna hanno configurazioni elettroniche simili, hanno cioè lo stesso numero di elettroni esterni fatte eccezione per l’elemento He cha configurazione elettronica 2. Gli elementi sono disposti in ordine crescente per numero atomico, ogni riga orizzontale rappresenta un periodo, lungo il periodo le proprietà degli elementi variano. Il primo periodo è costituito da soli due elementi (H e He), il secondo e terzo periodo hanno otto elementi, il quarto e il quinto periodo hanno 18 elementi e il sesto e settimo periodo hanno rispettivamente 57 (Lantanidi) e 89 (Attinidi) elementi. I gruppi sono numerati da IA (estrema sinistra) a VIIIA (estrema destra) e da IB a VIIIB. Nella tavola periodica possiamo individuare dei blocchi: - Blocco-S: caratterizzato da elementi con elettroni esterni che occupano orbitali di tipo S (gruppo IA e IIA); - Blocco-P: caratterizzato da elementi con elettroni esterni che occupano orbitali di tipo P (gruppi IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA e VIIIA); - Blocco-D: caratterizzato da elementi con elettroni esterni che progressivamente riempiono orbitali di tipo D (tutti i gruppi B inseriti centralmente nella tavola periodica); - Blocco-F: caratterizzato da elementi con elettroni esterni che progressivamente riempiono orbitali di tipo F (Lantinidi e Attinidi). Il blocco-S e il blocco-P raccoglie gli elementi rappresentativi della tavola periodica, il numero del gruppo rappresenta il numero di elettroni nel livello più esterno. Gli elementi del blocco-D e del blocco-F rappresentano gli elementi di transizione. La maggior parte degli elementi della tavola periodica sono metalli, i non metalli li troviamo nella parte destra della tavola, dove abbiamo il gruppo dei gas nobili (gruppo VIIIA o gruppo 0). Il carattere metallico degli elementi diminuisce da sinistra a destra e aumenta dall’alto verso il basso. L’elemento con le maggiori caratteristiche metalliche è il Cesio, al contrario il Fluoro è quello in assoluto non metallico. I gruppi possono essere a loro volta caratterizzati nel seguente modo: - Metalli alcalini (gruppo I): hanno un elettrone nello strato esterno, tendenza a perdere facilmente questo elettrone; - Alcalino-terrosi (gruppo II): hanno due elettroni nello strato esterno, tendenza a perdere facilmente i due elettroni; - Alogeni (gruppo VII): sono caratterizzati da molecole biatomiche, si presentano in diversi stati fisici (solido, liquido, gassoso), sono fortemente reattivi; - Gas nobili (gruppo 0): sono molto stabili in quanto hanno uno strato esterno completo, presentano molecole monoatomiche e hanno un basso punto di ebollizione e fusione; - Gruppo IV: in questo gruppo gli elementi pur presentando la stessa configurazione dello strato esterno in realtà sono molto diversi tra di loro, abbiamo infatti non metalli (C), metalloidi (Si) e metalli (Pb); - Metalli di transizione: sono tutti gli elementi centrali della tavola, questi elementi sono caratterizzati da un progressivo riempimento degli orbitali 3d, 4d e 5d. Gli elementi presentano proprietà molto simili tra di loro sia orizzontalmente che verticalmente. Un altro aspetto importante da tenere in considerazione è l’energia di prima ionizzazione, cioè l’energia necessaria a estrarre un elettrone da un atomo. Questa energia cresce da sinistra a destra e diminuisce dall’alto verso il basso.

Spiegare perché mentre esiste la molecola H2, non esiste He2. La molecola di H2 fa parte del gruppo I, l’atomo di idrogeno con un solo elettrone esterno è un atomo instabile, nel legarsi con un altro atomo di idrogeno crea un legame covalente condividendo l’elettrone e raggiungendo così la stabilità assumendo una configurazione simile a quella dell’atomo di He, gas nobile che fa parte del gruppo 0 ovvero degli elementi fortemente stabili. Per questo ultimo motivo l’He2 non esiste, l’atomo di Elio essendo già stabile non ha necessità di legarsi con altri atomi per diventare stabile. Come viene spiegato dalla teoria degli orbitali molecolari il paramagnetismo dell’ossigeno? La molecola di ossigeno è una molecola paramagnetica, perché ci sono due elettroni che vanno a finire nell’orbitale  di antilegame, mantenendo un bilancio energetico favorevole al legame. In presenza di un campo magnetico sono in grado di magnetizzarsi nella stessa direzione del campo. Si tratta di fenomeni di magnetizzazione debole che svanisce non appena il campo magnetico viene allontanato. Quali sono le caratteristiche dei legami  e ? Perché esiste libera rotazione intorno all’asse del legame  e non avviene lo stesso per il ? La caratteristica del legame  è di avere la massima densità di elettroni sulla congiungente dei due nuclei. Il legame  è dato dalla sovrapposizione laterale degli orbitali, è un legame più debole del legame . I legami  presentano una simmetria cilindrica e sono quindi invarianti per rotazione attorno all’asse di legame. I legami  non sono cilindricamente simmetrici rispetto all’asse di legame e quindi non avviene libera rotazione. Spiegare, ammettendo un’ibridazione di tipo sp3, le strutture della molecola dell’acque e di quella dell’ammoniaca. La struttura della molecola dell’acqua è rappresentata da due legami con atomi di idrogeno e due doppietti elettronici non condivisi. La configurazione dell’atomo di ossigeno è la seguente: 1s2 2s2 2p4 così rappresentata [↑↓][↑↓][↑ ][↑ ] L’ibridazione sp3 coinvolge 1 orbitale di tipo s e 3 orbitali di tipo p La configurazione dell’atomo di idrogeno è: 1s1 Il legame covalente avverrà condividendo un elettrone: H-O-H così da completare gli orbitali spaiati dell’ibridazione sp3. La struttura della molecola dell’ammoniaca è rappresentata da tre legami con atomi di idrogeno e un doppietto elettronico non condiviso. La configurazione dell’atomo di Azoto è la seguente: 1s2 2s2 2p3 così rappresentata [↑↓][↑ ][↑ ][↑ ] L’ibridazione sp3 coinvolge 1 orbitale di tipo s e 3 orbitali di tipo p La configurazione dell’atomo di idrogeno è: 1s1 Il legame covalente avverrà condividendo un elettrone così da completare gli orbitali spaiati. H | H-N-H

Quali fatti inducono a pensare per il boro (B) ad una ibridazione sp 2 degli orbitali atomici del suo secondo livello? B configurazione elettronica 1s2 2s2 2p1 Lo stato eccitato è [↑ ][↑ ][↑ ][ ] quindi un orbitale s e due orbitali p Quali fatti inducono a pensare per il berillio (Be) ad una ibridazione sp? Fare un esempio di molecola con geometria lineare. Be configurazione elettronica 1s2 2s2 Lo stato eccitato è [↑ ][↑ ] quindi un orbitale s e un orbitale p Esempio geometria lineare H-Be-H Scrivere la configurazione elettronica del fosforo (P) e descrivere la possibilità di formare orbitali ibridi che coinvolgano gli orbitali atomici s, p e d. P 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 Ibridazione spd [↑ ][↑ ][↑ ][↑ ][↑ ][ ][ ][ ][ ] quindi un orbitale di tipo s, tre orbitali di tipo p e un orbitale di tipo d Cosa sono i polinucleari aromatici (PNA)? Descrivere la struttura di alcuni di essi. I polinucleari aromatici sono anelli aromatici condensati, un anello aromatico è un sistema ciclico a struttura planare in cui tutti gli atomi coinvolti condividono tramite i loro orbitali di tipo p un totale di 4n+2 elettroni. Il benzene C6H6 ha una struttura planare e presenta 6 atomi di carbonio posti ai vertici di un esagono, legati a 6 atomi di idrogeno. Definire l’elettronegatività. Illustrare l’andamento dell’elettronegatività all’interno della tavola periodica. L’elettronegatività è la tendenza che ha un atomo di attrarre elettroni. In un legame l’elemento con maggiore elettronegatività attira a sé gli elettroni che quindi saranno più vicini al suo nucleo, questo crea una molecola polare costituendo un dipolo. All’interno della tavola periodica l’elettronegatività diminuisce dall’alto verso il basso e aumenta da sinistra a destra. Cos’è un legame covalente polare? Definire il momento dipolare e l’influenza della struttura geometrica sulla polarità delle molecole. Il legame covalente polare si ha quando due atomi hanno diversa elettronegatività , gli elettroni di legame sono maggiormente attratti dall’atomo più elettronegativo: la molecola è polare ed il legame covalente presenta parziale carattere ionico. Il momento dipolare è una distribuzione non uniforme di una carica elettrica all’interno di un legame. Questo influenza la struttura geometrica delle molecole come ad esempio H2O dove si genera un momento dipolare, le cariche negative sono sbilanciate verso l’atomo d’ossigeno.

Cosa sono i legami idrogeno? Descrivere fra quali molecole si manifestano e come influenzano i punti di ebollizione dei composti. I legami idrogeno hanno un’energia più bassa, si manifesta tra molecole nelle quali l’idrogeno è legato a ossigeno, azoto e idrogeno. Ad esempio l’acido fluoridrico HF, ammoniaca NH3. Nell’acqua H2O, il legame a idrogeno si determina la polarità della molecole, l’atomo di ossigeno attrae fortemente gli elettroni dei due atomi di idrogeno, in questo modo la carica negativa viene a sbilanciarsi verso l’atomo di ossigeno, e dall’altra parte si manifesta una carica positiva. Questo consente attrazione e legami, di debole energia, tra le molecole di acqua. I punti di ebollizione dei composti dell’idrogeno hanno un punto di ebollizione elevato dovuto all’elevata elettronegatività (H2O, HF, NH3), non accade la stessa cosa con gli idruri perché non hanno un’elettronegatività elevata (CH4). Descrivere quali proprietà influenzano la miscibilità dei liquidi Le proprietà che influenzano la miscibilità dei liquidi riguardano le caratteristiche di polarità del liquido stesso. Due liquidi polari sono miscibili (acqua e etanolo), così come due liquidi non polari, un liquido polare (acqua) non è miscibile con un liquido non polare (freon). Qual è il massimo grado d’ingrandimento raggiungibile con un microscopio ottico? E con il microscopio elettronico a scansione (SEM)? Il massimo ingrandimento con un microscopio ottico è di 1000x, mentre con il microscopio elettronico a scansione si raggiunge un ingrandimento delle decine di nanometri (100000x) Per cosa vengono utilizzati generalmente i microscopi metallografici? I microscopi metallografici vengono utilizzati generalmente per ottenere immagini di metalli cristallini, nelle micrografie si vedono i grani cristallini per studiarne le forme. Descrivere il funzionamento su cui si basa il microscopio elettronico a scansione (SEM). Utilizza un fascio di elettroni generato da un filamento di tungsteno, viene accelerato attraverso una differenza di potenziale e va ad urtare il campione che deve essere trattato se è un composto organico. Il microscopio lavora sottovuoto quindi dal materiale organico deve essere eliminata l’acqua, il campione organico deve essere quindi disidratato o congelato. Questo impedisce che le molecole d’acqua evaporino e quindi impediscano il passaggio degli elettroni. Il fascio elettronico viene deflesso effettuando una scansione della superficie che si vuole esaminare. Descrive come si effettua l’analisi di un materiale mediante microsonda a dispersione di energia (EDS). L’analisi di un materiale mediante microsonda a dispersione di energia utilizza i raggi x. Quando un campione viene colpito da un fascio di elettroni con energia elevata, avviene una interazione con il campione il quale emetterà degli elettroni. Gli elettroni secondari sono quelli che costituiscono l’immagine. Vengono emessi anche raggi x, l’analisi di questi raggi contiene informazioni sulla composizione chimica del campione. Perché i raggi x che vengono emessi dagli atomi sono correlati al numero atomico dell’atomo stesso. Gli atomi troppo piccoli non riescono ad essere individuati perché non emettono radiazioni con frequenza che ricade nell’intervallo dei raggi x.

Descrivere le transizioni vibrazionali della molecola della CO2. La molecola di biossido di carbonio, non è una molecola polare, pur avendo atomi elettronegativi non si comporta come un dipolo. La molecola può subire se eccitata, due tipo di transizioni vibrazionali, i legami si possono allungare come delle molle tornando alla posizione originaria, il moto che si chiama streching non porta ad una variazione del momento dipolare, e quindi è una transizione che non viene eccitata. Un’altra vibrazione si chiama bending, i legami possono piegarsi e ritornare nella posizione originale, quando si trovano in posizione piegata dà origine ad un dipolo. Quindi dalla possibilità di eccitare o meno una molecola possiamo ottenere delle informazioni sulla sua struttura. Tra quali livelli avvengono e con quali fotoni si possono eccitare le transizioni rotazionali, vibrazionali ed elettroniche delle molecole? I livelli rotazionali si possono eccitare con fotoni che hanno lunghezze d’onda che cadono nel campo delle microonde, i livelli vibrazionali con fotoni che hanno lunghezze d’onda che cadono nel campo dell’infrarosso e il livelli elettronico con fotoni che hanno lunghezze d’onda che cadono nel campo dell’UV visibile. Perché le molecole polari, come HCl, possono subire transizioni rotazionali? Le molecole dell’acido cloridrico possono subire transizioni rotazionali perché cambia la distribuzione di carica. Fare esempi di molecole che contengono il gruppo carbonilico C=O Le molecole che contengono il gruppo carbonilico C=O sono ad esempio aldeidi e chetoni. Descrive lo spettro di emissione dei metalli alcalini ed alcalino-terrosi. Lo spettro di emissione di radiazioni dei metalli alcalini ed alcalino-terrosi ricade nello spettro delle radiazioni visibili ad occhio nudo. In particolare ogni metallo alcalino e alcalino-terroso se sottoposto a fiamma emette un colore tipico dovuto all’eccitazione elettronica e alle relative emissioni radiative. Descrivere il fenomeno della fluorescenza. Il fenomeno della fluorescenza è dovuto all’emissione di luce da parte di una molecola eccitata ad un livello di energia più elevato dall’assorbimento di un fotone. Descrivere la struttura del cloruro di sodio (NaCl). La struttura del cloruro di sodio NaCl è un reticolo cubico che ha sui vertici del cubo gli ioni cloro, ogni ione cloro è circondato da ioni sodio, sono tutti in posizione regolare. Spiegare il fenomeno di emissione dei raggi X; riportare l’espressione della legge di Bragg e definirne i simboli. Si può risalire dall’immagine di diffrazione alla struttura del solido decodificando i segnali La legge di Bragg è:

n lambda = 2 d sin(theta) theta è l’angolo che il fascio incidente forma col piano cristallino lambda è la lunghezza d’onda della radiazione d è la distanza tra due piani adiacenti n indica l’ordine della diffrazione Descrivere le celle unitarie corrispondenti ad un reticolo cubico semplice, cubico a facce centrate , cubico a corpo centrato ed esagonale compatto. Il reticolo cubico semplice è costituito da 8 atomi, 4 atomi sono posizionati agli angoli superiori e 4 a quelli inferiori. In questa struttura ci sono degli spazi notevoli. Il reticolo cubico a corpo centrato comporta un maggiore occupazione degli spazi, sarà sempre un cubo ma all’interno del cubo stesso è presente un atomo. Il reticolo cubico a facce centrate, indica che oltre agli atomi presente sui vertici del cubo ci sono al centro delle facce degli atomi in numero di 6. Questo comporta un riempimento dello spazio ancora maggiore. Il reticolo esagonale compatto è rappresentato da 6 atomi disposti a esagono con un atomo al centro, tre atomi e poi ancora 7 atomi. Descrivere i diversi tipi di difetti reticolari. Tutti i solidi reali possono contenere dei difetti nelle strutture cristalline, in particolare di tre tipi: - difetti puntiformi: o vacanza: mancanza di un atomo o di uno ione, in una posizione del reticolo stesso; o atomo interstiziale: sono atomi più piccoli di quelli che costituiscono il reticolo cristallino, che vanno a posizionarsi negli interstizi, vuoti lasciati dalla struttura cristallina; o atomo sostituzionale: è un atomo che si sostituisce ad un atomo del reticolo originario. - difetti lineari: o dislocazioni: crescita di un piano reticolare che deforma quello accanto e come risultato portano alla deformazione del reticolo; Descrivere il processo Siemens. Il processo di ottenimento del silicio policristallino è determinato dal trattamento del minerale SiO 2 all’interno di un forno ad arco in presenza di carbonio, che funge da riducente. Il carbonio porta lo stato di ossidazione del silicio da +4 a stato di ossidazione 0 che quello del silicio allo stato elementare, dando origine alla formazione di ossido di carbonio. SiO2 + 2C → Si + 2CO Per purificare il silicio policristallino vengono effettuati una serie di trattamenti definiti nel processo Siemens. Il primo è la dissoluzione, porta alla reazione del silicio (Si) con acido cloridrico (3HCl), il silicio subisce una reazione di dissoluzione e si forma SiHCl 3 più formazione di idrogeno. Il composto è allo stato gassoso quindi è necessario distillarlo. Il secondo è la distillazione, necessario a separare le componenti in modo da farle condensare Il terzo e ultimo processo è la rideposizione, costituita dalla CVD (chimica vapor deposition) cioè una deposizione a mezzo del vapore su delle barre di silicio ultrapuro da 5mm di diametro tenute a

1100°C in una miscela gassosa di triclorosilano-idrogeno. Dopo 200-300h le barre si ingrossano perché il silicio si deposita direttamente dalla fase vapore e si arriva ad avere delle barre di 150200mm di diametro. Il silicio ottenuto è ancora policristallino, costituito da tanti grani cristallini di silicio orientati variamente nello spazio. Non vanno ancora bene per la costruzione di semiconduttori. Descrivere il processo per l’ottenimento del silicio monocristallino. Il silicio monocristallino si può ottenere attraverso due processi. Il primo è il metodo Czochralski, si va a introdurre un germe cristallino (è necessario già avere un monocristallo di silicio) in un fuso di silicio ultrapuro mantenuto a 1412° C, il tutto avviene sotto vuoto. Il germe cristallino viene fatto ruotare e viene estratto lentamente dal fuso, determinate condizioni operative permettono la formazione del reticolo cristallino secondo quello del germe dando luogo al monocristallo. Il secondo metodo è quello di fondere a zone un policristallo introducendogli all’interno un germe monocristallino allora la parte fusa si organizza e forma il monocristallo. Illustrare il 1° principio della termodinamica e definire l’entalpia. Il primo principio della termodinamica, o principio di conservazione dell’energia, dice che l’energia non viene mai distrutta ma si trasforma da una forma all’altra. Delta E = q + w L’entalpia è maggiore di zero nel caso di reazioni endotermiche e minore di zero nel caso di reazioni esotermiche. Spiegare la differenza fra reazioni esotermiche ed endotermiche e fare alcuni esempi. Le reazioni esotermiche emettono calore, se il livello energetico dei reagenti è superiore a quello dei prodotti vuol dire che la reazione avviene emettendo calore. Nelle reazione endotermiche il livello energetico dei reagenti è inferiore a quello dei prodotti, quindi la reazione avviene assorbendo calore. Esempio reazione esotermica: CaO + H2O → Ca(OH)2 Ossido di calcio + acqua dà idrossido di calcio Misurando con una termocoppia la temperatura del prodotto della reazione, questa misurerebbe un innalzamento della temperatura. Molte reazioni sono esotermiche. Esempio reazione endotermica: Ba(OH)2∙8H2O + NH4Cl → BaCl2∙2H2O + NH3 + 8H2O Idrossido di Bario + cloruro di ammonio Misurando con una termocoppia la temperatura del prodotto della reazione, questa misurerebbe un abbassamento della temperatura.

Definire l’entropia e l’energia libera di Gibbs; illustrare il 2° principio della termodinamica ed i criteri di spontaneità di una reazione. L’entropia è una misura del disordine di un sistema, se in una trasformazione c’è un aumento di disordine quella sarà la direzione spontanea. Viene identificata con S. L’energia libera di Gibbs è definita come G = H – T S Nei processi spontanei delta G < 0 Nei processi non spontanei delta G > 0 Nei processi all’equilibrio delta G = 0 Il secondo principio della termodinamica dice che le trasformazioni che hanno luogo spontaneamente portano ad un aumento di entropia. Spiegare attraverso un esempio la teoria dello stato di transizione e come si può accelerare una reazione chimica. La teoria dello stato di transizione è uno stato intermedio non stabile che corrisponde ad un livello di energia superiore a quello dei due reagenti, che potrà tornare indietro allo stato dei due reagenti oppure può procedere alla formazione del nostro prodotto di reazione. Una reazione chimica può essere accelerata aumentando la temperatura, utilizzando delle radiazioni, introducendo un catalizzatore. Cos’è un catalizzatore omogeneo? Spiegare attraverso un esempio come funziona. Un catalizzatore omogeneo si trova nella stessa fase in cui si trova il reagente, può avvenire sia con gli enzimi che con la polimerizzazione radicalica. Cos’è un catalizzatore eterogeneo? Spiegare attraverso un esempio come funziona. Un catalizzatore eterogeneo si trova in una fase diversa dai reagenti, possono essere metalli di transizione, ossidi, ecc. Ad esempio se abbiamo del platino come catalizzatore, e una molecola di etene C2H4, quando la molecola di etene arriva a contatto con la superficie del platino si adsorbe. Gli atomi di platino che si trovano sulla superficie interagiscono con gli atomi di carbonio, si formano dei legami con il carbonio e questo fa in modo che si allenti il legame doppio che finisce per rompersi. Una volta che si è ottenuta questa situazione quando arriverà un atomo di H o un atomo di Cl questo riuscirà a legarsi più facilmente, e poi questo si desorbirà. Illustrare che cosa sono le reazioni di polimerizzazione con particolare riguardo a quelle di addizione. La polimerizzazione per addizione vede coinvolti dei monomeri che contengono dei doppi legami C=C. Ad esempio partendo dall’etene C2H4 se noi mettiamo a contatto due molecole di etene con l’aiuto di un catalizzatore rompiamo i doppi legami e facciamo in modo che si addizionino l’una con l’altra ottenendo così il polietilene (PE). H H H | | | -C-C-C– | | | H H H

Illustrare il processo di polimerizzazione radicalica e fare un esempio di polimero ottenibile mediante questo tipo di reazione. Il processo di polimerizzazione radicalica è un tipo di reazione che può essere innescata ad esempio per ottenere il polietilene. Il catalizzatore che utilizziamo è un perossido (R – O – O – R’) Il perossido è poco stabile, dalla sua rottura rimarrà un elettrone spaiato che sarà particolarmente reattivo, cercherà di formare un legame. Ad esempio nel caso dell’etene, RO andrà ad urtare contro la molecola rompendo il doppio legame di Carbonio, e si andrà a legare con un atomo di carbonio lasciando una valenza libera. Una volta formato il radicale anche questo è particolarmente reattivo, andrà ad urtare contro una molecola di etene e si andrà a rompere nuovamente un legame C=C si formerà un legame semplice e si libererà una nuova valenza. Il processo andrà avanti fintanto che la catena sarà sufficientemente lunga, così come è possibile terminare la catena ad una determinata lunghezza. Illustrare alcuni esempi di materie plastiche. Alcuni esempi di materie plastiche: polietilene, polipropilene, polistirene, polimetilmetacrilato, polivinilcloruro Illustrare il Principio di le Chatelier. Il principio di le Chatelier dice che ogni sistema in equilibrio reagisce ad una perturbazione esterna con uno spostamento dell’equilibrio che si oppone alla perturbazione. Le perturbazioni possono riguardare la concentrazione dei reagenti, la temperatura e la pressione. In una reazione generica in equilibrio: aA + bB ↔ cC + dD Se variamo la concentrazione dei reagenti l’equilibrio si sposterà verso destra, in modo da consumare i reagenti, al contrario se allontaniamo un reagente l’equilibrio si sposterà verso sinistra. Nel caso di variazione di pressione dobbiamo considerare due condizioni: - se le moli dei reagenti sono maggiori delle moli dei prodotti o l’equilibrio si sposta a destra nel caso di aumento di pressione o l’equilibrio si sposta a sinistra nel caso di diminuzione della pressione - se le moli dei reagenti sono minori delle moli dei prodotti o l’equilibrio si sposta a sinistra nel caso di aumento di pressione o l’equilibrio si sposta a destra nel caso di diminuzione della pressione Se le moli dei reagenti sono uguali alle moli dei prodotti, la variazione di pressione non ha alcun effetto. Nel caso di variazione di temperatura dobbiamo distinguere il tipo di reazione: - se la reazione è esotermica, entalpia negativa, l’aumento della temperatura sposta l’equilibrio verso sinistra, la diminuzione verso destra; se la reazione è endotermica, entalpia positiva, l’aumento della temperatura sposta l’equilibrio verso destra, la diminuzione verso sinistra. Che cos’è il pH di una soluzione? Cosa s’intende per acidi e basi? Fare alcuni esempi. Il pH è uguale a –log[H3O+] a 25° C [H3O+]=1.0 * 10-7 pH = 7 nell’acqua pura

Il pH si misura con dei pHmetri oppure si può misurare con degli indicatori, sono dei composti organici che hanno dei colori differenti a seconda dell’acidità o della basicità della soluzione dove vengono introdotti. Definita la neutralità dell’acqua (7) possiamo dire che delle soluzioni che sono acide, cioè che hanno delle concentrazioni di ioni H+ superiori 10-7, avranno un pH che è più basso di 7. Ad esempio una soluzione di acido cloridrico 1M arriverà ad avere pH=0, invece una soluzione di idrossido di sodio 1M avrà un pH=14 quindi una soluzione basica. Alcuni esempi di pH acido sono: succhi gastrici, limoni, arance, pomodori, urina. Alcuni esempi di pH basico sono: sangue, bicarbonato di sodio, acqua di mare, latte di magnesia, ammoniaca per uso domestico. Definire il prodotto di solubilità, Kps, di un sale. L’equilibrio di solubilità si dice che è un equilibrio eterogeneo perché riguarda sostanze che si trovano in fasi diverse. Ad esempio, il solfato di Bario BaSO 4 messo in soluzione acquosa, darà una certa quantità di ioni Bario e di ioni solfato, possiamo considerarlo equilibrio perché non riusciamo a sciogliere in acqua una quantità infinita, ma noi riusciamo per tutti i Sali a sciogliere in acqua una quantità che è inferiore o uguale alla solubilità del sale. Questo equilibrio è regolato da una costante di solubilità, che nel caso del solfato di Bario è 1.1*10-10 è estremamente basso, vuol dire che il prodotto della concentrazione degli ioni Bario e degli ioni Solfato che possono stare contemporaneamente in una soluzione non deve superare questo valore. Illustrare l’equilibrio metallo/soluzione e come tale processo possa essere sfruttato per generare dell’energia elettrica. Quando immergiamo un metallo (M) in una soluzione di suoi ioni, alcuni atomi di metallo tendono a entrare in soluzione sotto forma di ioni, e gli ioni presenti in soluzione tendono a contrastare questa tendenza depositandosi sul metallo. Il metallo cedendo elettroni si carica positivamente e la soluzione negativamente raggiungendo un equilibrio chiamato appunto equilibrio metallo/soluzione: −¿ n+¿+ n e¿ M ( s) ↔ M ¿ Quando una delle tendenze prevale si crea un potenziale elettrodo. Se atomi del metallo entrano in soluzione questo si carica negativamente, se gli ioni abbandonano la soluzione il metallo si carica positivamente. Il potenziale elettrico che viene generato in entrambi i casi con segno diverso, non è utilizzabile singolarmente proprio perché si raggiunge un equilibrio, ma può essere sfruttato per generare energie elettrica. Infatti, se colleghiamo i due metalli (ad esempio Zn e Cu) in modo che gli elettroni siano liberi di fluire da un metallo all’altro si genera energia elettrica. Lo zinco in soluzione si ossida caricandosi negativamente, mentre il rame in soluzione si riduce caricandosi positivamente. L’elettrodo su cui avviene l’ossidazione è detto anodo (polo negativo), quello su cui avviene la riduzione è detto catodo (polo positivo). Affinché il circuito venga chiuso e quindi si generi una f.e.m. è necessario inserire un ponte salino che consenta l’elettroneutralità. Cosa sono l’anodo ed il catodo di una cella elettrochimica?

Una cella elettrochimica è costituita da due elettrodi immersi in un elettrolita, ad esempio NaCl. Ai due elettrodi viene applicata una differenza di potenziale esterna superiore e contraria a quella che si andrebbe a generare in modo spontaneo. In questo modo all’anodo avviene una reazione di ossidazione e al catodo una reazione di riduzione, generando complessivamente una reazione redox. Questa volta però i segni dei poli sono invertiti: anodo (+) e catodo (-). Illustrare i seguenti generatori di corrente: la pila Laclanché alcalina e la pila al litio. La pila Leclanché alcalina, ha il vantaggio di non avere un elettrolita allo stato liquido, è costituita da Zinco, Idrossido di Potassio e grafite con biossido di manganese. Il contenitore della pila è fatto di zinco (funziona da polo negativo), la grafite è al centro (polo positivo) e l’elettrolita è all’interno disperso in un gel. - Zn/KOH/MnO2 (C) + Vediamo le reazioni di trasformazione dell’energia chimica in energia elettrica: (polo negativo) Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e(polo positivo) 2MnO2 + H2O + 2e- → Mn2O3 + 2OHLa f.e.m. erogata da questa pila è di 1,4 Volt. La pila al litio sostituisce lo Zinco con il Litio come polo negativo (reazione ossidazione): Li → Li+ + eal posto del polo positivo abbiamo del biossido di manganese (reazione di riduzione) che reagisce è da origine al sale LiMnO2 MnO2 + Li+ + e- → LiMnO2 L’elettrolita è LiClO4 (Perclorato di Litio) La f.e.m. è pari a 2,8 Volt. La temperatura di funzionamento va da -20° a 70° C Cos’è la f.e.m.? Quali sono le sue unità? La forza elettromotrice (f.e.m.) è la differenza di potenziale che si crea fra due elettrodi, ed è espressione dell’attitudine a far fluire gli elettroni lungo il circuito. La f.e.m. si misura in Volt in questo modo: f.e.m. = E(riduzione) - E(ossidazione) La f.e.m. delle differenti specie si calcola utilizzando l’Elettrodo standard di riferimento, viene utilizzato l’elettrodo standard ad idrogeno a 25° C, si utilizzano degli elettrodi stabili. Effettuando misure con più specie rispetto all’elettrodo standard otteniamo la serie elettrochimica che riporta i potenziali standard di riduzione. Illustrare l’accumulatore al Pb-acido; quali sono le reazioni anodiche e catodiche durante la scarica dell’accumulatore al Pb? Le reazioni sono di questo tipo: quando l’accumulatore eroga corrente succede che del biossido di Piombo che si trova sulla piastra positiva (catodo) dell’accumulatore si riduce formando solfato di Piombo passaggio illustrato di seguito: PbO2 + 3H3O+ + HSO4- + 2e- → PbSO4 + 5H2O

L’elettrolita che si usa nella reazione Piombo/acido è acido solforico, in concentrazione 37% perché in questa percentuale ha la conducibilità più elevata. Al polo negativo (anodo) abbiamo un’ossidazione del Piombo che va sempre a formare del solfato di Piombo, di seguito la reazione: Pb + H2O + HSO4- → PbSO4 + H3O+ + 2eQuindi sia la reazione al polo positivo che al polo negativo producono Solfato di Piombo, la reazione complessiva è la seguente: PbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ PbSO4 + 2H2O Durante la scarica l’elettrolita si diluisce, dalla reazione anodica e catodica viene generato Solfato di Piombo. L’azione è reversibile, questo vuol dire che se applichiamo una ddp tra il polo positivo e negativo possiamo far tornare indietro le reazioni, caricando l’accumulatore. - Che cos’è una soluzione elettrolitica? - Illustrare il meccanismo di conduzione dell’elettricità nelle soluzioni e nei sali fusi. Una soluzione elettrolitica è una sostanza che contiene elettroliti. Gli elettroliti sono sostanze che in soluzione si scindono totalmente o parzialmente in ioni: cationi con carica + e anioni con carica -. Questo fenomeno di dissociazione nelle soluzioni dà origine parzialmente a ioni e parzialmente a molecole non dissociate, in questo caso la conduzione elettrica è buone. Nei sali fusi la reazione dà origine totalmente a ioni rendendo la conduzione elettrica della soluzione elevata. Illustrare il legame metallico attraverso il modello a mare di elettroni e le proprietà dei reticoli metallici. Il solido possiamo rappresentarlo costituito da ioni positivi circondati da elettroni che non sono condivisi in un legame tra due atomi ma che sono liberi di muoversi nel reticolo metallico, sotto l’azione ad esempio di un campo elettrico. Questi elettroni mobili fanno sì che i metalli non solo abbiano una conducibilità elettrica ma anche una conducibilità termica e la caratteristica di essere deformabili. Spiegare il comportamento dei solidi conduttori, isolanti e semiconduttori mediante il modello a bande di energia. Se consideriamo il reticolo monodimensionale di un solido le energie relative agli orbitali molecolari coinvolti nella formazione di queste molecole sempre più grandi, avranno delle energie che vanno via via avvicinandosi fino a formare una banda di energia possibile per gli elettroni che si trovano a fare parte della molecola stessa. Questi elettroni che si troveranno nelle bande di energia avranno una certa mobilità che possiamo immaginare uguale a quella delle sfere da biliardo che si trovano su un tavolo da biliardo. Se nel tavolo ci sono poche sfere queste avranno una mobilità elevata si potranno muovere senza difficoltà. Riportando l’esempio alle bande di energia possiamo dire che gli elettroni si potranno muovere con una mobilità elevata in bande di energia che sono parzialmente riempite. Come nel caso dei solidi che si comportano da conduttore. Ci troveremo quindi bande riempite (bande di valenza) quindi con scarsa mobilità, e bande semi riempite chiamate anche bande di conduzione che sarà quella di energia più elevata e consentirà elevata mobilità.

La situazione opposta a quella del conduttore sarà una situazione in cui gli elettroni si trovano in bande che sono completamente riempite, in questo caso ci troveremo in presenza di materiali isolanti con mobilità nulla. Una situazione intermedia è quella che dà origine ai materiali semiconduttori, questo caso si verifica quando ci sono bande di energia vuote che sono accessibili, la differenza di energia è tale da poter essere superata da un elettrone che venga in qualche modo eccitato. Illustrare le proprietà del silicio come semiconduttore. Che cos’è il drogaggio? Il drogaggio serve ad aumentare la conducibilità dei semiconduttori, viene effettuato normalmente sul silicio. Possiamo aumentare la conducibilità introducendo nel reticolo degli atomi di silicio, degli atomi che si trovino nel sistema periodico o del III gruppo esempio il Boro o Gallio o possiamo introdurre un atomo che si trovi nel V gruppo, ad esempio il fosforo. Esaminiamo il caso del Boro. Il silicio tende a formare quattro legami con altri atomi di silicio stesso, introducendo il Boro questo andrà a sostituire un atomo di silicio, il Boro ha la possibilità di formare solo tre legami quindi è come se creassimo una “buca” positiva in quanto si verificherà la mancanza di un elettrone. Nel caso del Fosforo abbiamo una situazione diversa perché abbiamo un elettrone in quanto l’atomo di Fosforo ha tendenza ha formare cinque legami. Rimane quindi un elettrone spaiato. Il risultato nel caso del Boro è l’aggiunta di un livello energetico permesso tra la banda di valenza e la banda di conduzione sul quale gli elettroni possono accedere più facilmente. Nel caso del Fosforo è come se avessimo degli elettroni che si trovano in uno stato di energia superiore alla banda di valenza (tra la banda di valenza e la banda di conduzione), gli elettroni possono passare così più facilmente nella banda di conduzione. Cosa sono i polimeri conduttori? Illustrare l’esempio del poliacetilene. I polimeri conduttori sono materiali plastici in grado di condurre energia, sono facili da preparare e poco costosi, sono resistenti al degrado e hanno delle proprietà meccaniche interessanti. I polimeri comunemente sono degli isolanti, per renderli conduttori il polimero viene drogato con sostanze elettron-accetrici che ne aumentano il numero di lacune elettroniche. Per drogare i polimeri conduttori basta esporli al vapore dell’agente drogante. Utilizzato per sviluppo dei sensori, in quanto aumenterà la sua conduzione entrando in contatto con l’agente drogante. Ad esempio nel caso del Poliacetilene che ha una modesta conduttività elettrica, per aumentare la conducibilità si può drogarlo con elettron-accettori e metalli alcalini che agiscono da elettrondonatori. La conducibilità cresce rapidamente all’aggiunta del drogante.

Cosa sono i superconduttori? Illustrare il meccanismo della superconduttività. I superconduttori sono particolari materiali che se raffreddati fino a temperature prossime allo zero assoluto riducono drasticamente la propria resistenza al passaggio degli elettroni. Il meccanismo della superconduttività è costituito da coppie di elettroni che passano molto velocemente in un reticolo cristallino, il passaggio del’elettrone distorce, a temperature basse, il reticolo cristallino. Gli ioni del reticolo sono più pensanti e impiegano un po’ di tempo a tornare nelle posizioni originali, questa distorsione favorisce il passaggio di un successivo elettrone.

Che cosa distingue un semiconduttore da un metallo? Spiegare la relazione fra T e conducibilità in questi materiali. Non tanto il valore assoluto della conducibilità quanto piuttosto la dipendenza della conducibilità dalla temperatura. In un metallo si ha la diminuzione della conducibilità con l’aumento della temperatura, perché l’aumento della temperatura aumenta la vibrazione degli ioni del reticolo metallico rispetto alle posizioni di equilibrio e quindi fa si che ci sia un ostacolo al passaggio degli elettroni. Nel caso del semiconduttore un aumento di temperatura comporta l’aumento del numero di elettroni che sono in grado di passare attraverso questo intervallo di energia e quindi di passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione e quindi in questo caso l’effetto è favorevole. [Mancano esercizi 21-23] Dare una definizione di superficie di un materiale. La superficie di un materiale è la zona esterna, che presenta delle caratteristiche chimico fisiche diverse dall’interno del materiale. È una zona interessante perché è la zona con cui il materiale viene a contatto con l’ambiente, la superficie di un materiale è spessa circa 10nm. Casa si intende per plasma? Illustrare le principali differenze fra plasmi termici e plasmi freddi e quali siano le proprietà superficiali dei materiali che possono essere modificate via plasma. Il plasma è il quarto stato della materia, è un gas ionizzato altamente energetico, perche lo stato di plasma contiene sia specie neutre, che specie cariche, cioè ioni ed elettroni. Si possono generare dei plasmi artificiali, che sono: plasmi termici: dove le particelle su citate sono in equilibrio, ed hanno continui urti che liberano energia, e raggiungono altissime temperature. (2000~10000 °C) Oppure plasmi freddi, dove le particelle non sono in equilibrio, dove non si riesce ad arrivare a quelle alte temperature che si hanno nei plasmi termici. (C=C