Chimica per il liceo/legami intermolecolari/Esercizi

Forze Intermolecolari

Esercizio 1

In termini di proprietà macroscopiche, in che modo i liquidi e i solidi differiscono? In che modo sono simili?

Esercizio 2

In termini di teoria cinetica molecolare, in che modo i liquidi sono simili ai solidi? In che modo i liquidi differiscono dai solidi?

Esercizio 3

In termini di teoria cinetica molecolare, in che modo i liquidi sono simili ai gas? In che modo i liquidi differiscono dai gas?

Esercizio 4

Spiega perché i liquidi assumono la forma del contenitore in cui sono versati, mentre i solidi sono rigidi e mantengono la loro forma.

Esercizio 5

Qual è l'evidenza che tutti gli atomi e le molecole neutri esercitano forze attrattive tra loro?

Esercizio 6

Usa la simulazione "PhET Stati della Materia" per rispondere alle seguenti domande: (a) Seleziona la scheda "Solido, Liquido, Gas". Esplora selezionando diverse sostanze, riscaldando e raffreddando i sistemi e cambiando lo stato. Quali somiglianze noti tra le quattro sostanze in ogni fase (solido, liquido, gas)? Quali differenze noti? (b) Per ogni sostanza, seleziona ciascuno stato e registra le temperature indicate. Come si correlano le temperature con le forze intermolecolari? (c) Seleziona la scheda "Potenziale di Interazione" e usa gli atomi di neon preimpostati. Sposta l'atomo di Ne a destra e osserva come cambia l'energia potenziale. Seleziona il pulsante "Forza Totale" e ripeti il movimento dell'atomo. Quando la forza totale su ciascun atomo è attrattiva e significativa? Infine, seleziona "Forze Componenti" e sposta l'atomo di Ne. Quando si bilanciano le forze attrattive (van der Waals) e repulsive (sovrapposizione elettronica)? Spiega come ciò si relaziona al grafico energia potenziale vs distanza tra gli atomi.

Esercizio 7

Definisci i seguenti termini e fornisci un esempio per ciascuno: (a) Forze di dispersione (b) Attrazione dipolo-dipolo (c) Legame a idrogeno

Esercizio 8

Le forze intermolecolari in una sostanza sono identiche, sia che si trovi in stato solido, liquido o gassoso. Perché allora una sostanza cambia fase da gas a liquido o a solido?

Esercizio 9

Perché i punti di ebollizione dei gas nobili aumentano nell'ordine He < Ne < Ar < Kr < Xe?

Esercizio 10

Neon e HF hanno masse molecolari simili: (a) Spiega perché i punti di ebollizione di Neon e HF differiscono. (b) Confronta le variazioni nei punti di ebollizione di Ne, Ar, Kr, e Xe con quelle di HF, HCl, HBr, e HI. Spiega la differenza tra le variazioni in relazione all'aumento della massa atomica o molecolare.

Esercizio 11

Ordina ciascuno dei seguenti insiemi di composti in ordine di temperatura di ebollizione crescente: (a) HCl, H₂O, SiH₄ (b) F₂, Cl₂, Br₂ (c) CH₄, C₂H₆, C₃H₈ (d) O₂, NO, N₂

Esercizio 12

La massa molecolare del butanolo, C₄H₉OH, è 74.14; quella del glicole etilenico, CH₂(OH)CH₂OH, è 62.08. Tuttavia, i punti di ebollizione sono rispettivamente 117.2 °C e 174 °C. Spiega la ragione di questa differenza.

Esercizio 13

Sulla base delle attrazioni intermolecolari, spiega le differenze nei punti di ebollizione tra n-butano (−1 °C) e cloroetano (12 °C), che hanno masse molari simili.

Esercizio 14

Basandoti sui momenti dipolari e/o sul legame a idrogeno, spiega in modo qualitativo le differenze nei punti di ebollizione tra acetone (56.2 °C) e 1-propanolo (97.4 °C), che hanno masse molari simili.

Esercizio 15

Il punto di fusione di H₂O(s) è 0 °C. Ti aspetteresti che il punto di fusione di H₂S(s) sia −85 °C, 0 °C o 185 °C? Spiega la tua risposta.

Esercizio 16

Silano (SiH₄), fosfina (PH₃) e solfuro di idrogeno (H₂S) fondono rispettivamente a −185 °C, −133 °C e −85 °C. Cosa suggerisce questo riguardo al carattere polare e alle attrazioni intermolecolari di questi composti?

Esercizio 17

Spiega perché un legame a idrogeno tra due molecole di acqua è più debole rispetto a un legame a idrogeno tra due molecole di fluoruro di idrogeno.

Esercizio 18

In alcune condizioni, le molecole di acido acetico, CH₃COOH, formano "dimeri", coppie di molecole tenute insieme da forti attrazioni intermolecolari:

Disegna un dimero di acido acetico, mostrando come due molecole di CH₃COOH sono tenute insieme e indica il tipo di forza intermolecolare responsabile.

Esercizio 19

Le proteine sono catene di amminoacidi che possono assumere diverse disposizioni, una delle quali è l'elica. Quale tipo di forza intermolecolare è responsabile per mantenere il filamento della proteina in questa forma? Sull'immagine della proteina, mostra le posizioni delle forze intermolecolari che tengono insieme la proteina.

Esercizio 20

La densità dell'NH₃ liquido è 0.64 g/mL; la densità dell'NH₃ gassoso a condizioni standard (STP) è 0.0007 g/mL. Spiega la differenza tra le densità di queste due fasi.

Esercizio 21

Identifica le forze intermolecolari presenti nei seguenti solidi: (a) CH₃CH₂OH (b) CH₃CH₂CH₃ (c) CH₃CH₂Cl .

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Risposte dispari

Risposta 1

I liquidi e i solidi sono simili in quanto sono costituiti da atomi, ioni o molecole. Sono incomprimibili e hanno densità simili, entrambe molto maggiori di quelle dei gas. Si differenziano in quanto i liquidi non hanno una forma fissa, mentre i solidi sono rigidi.

Risposta 3

Sono simili in quanto gli atomi o le molecole sono liberi di muoversi da una posizione all'altra. Si differenziano in quanto le particelle di un liquido sono confinate alla forma del recipiente in cui si trovano, mentre un gas si espande senza limiti per riempire lo spazio in cui è contenuto.

Risposta 5

Tutti gli atomi e le molecole si condensano in un liquido o solido in cui le forze attrattive superano l'energia cinetica delle molecole, a una temperatura sufficientemente bassa.

Risposta 7

(a) Le forze di dispersione si verificano quando un atomo sviluppa un momento dipolare temporaneo a causa della distribuzione asimmetrica degli elettroni attorno al nucleo. Questa struttura è più comune in atomi di grandi dimensioni come l'argon o il radon. Un secondo atomo può quindi essere distorto dall'apparizione del dipolo nel primo atomo, generando dipoli temporanei che si attraggono reciprocamente (es. $\mathrm{A}\mathrm{r}$).

(b) L'attrazione dipolo-dipolo è una forza che deriva dall'attrazione elettrostatica tra l'estremità positiva di una molecola polare e l'estremità negativa di un'altra molecola polare (es. le molecole di ICl si attraggono tramite interazione dipolo-dipolo). (c) I legami a idrogeno si formano quando un atomo di idrogeno è legato a uno degli atomi più elettronegativi, come fluoro, ossigeno o azoto. L'attrazione elettrostatica tra l'idrogeno parzialmente positivo di una molecola e l'atomo parzialmente negativo di un'altra molecola dà luogo a un'interazione dipolo-dipolo forte chiamata legame a idrogeno (es. $\mathrm{H}\mathrm{F}-\mathrm{H}\mathrm{F}$).

Risposta 9

Le forze di London aumentano tipicamente con l'aumentare del numero di elettroni.

Risposta 11

(a) $\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4$ < $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ < $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

(b) $\mathrm{F}{\phantom{A}}_2$ < $\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$ < $\mathrm{B}\mathrm{r}{\phantom{A}}_2$

(c) $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_4$ < $\mathrm{C}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_6$ < $\mathrm{C}{\phantom{A}}_3\mathrm{H}{\phantom{A}}_8$

(d) $\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$ < $\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$ < $\mathrm{N}\mathrm{O}$

Risposta 13

Le interazioni dipolo-dipolo relativamente deboli dei legami C-H nel n-butano sono responsabili del suo stato liquido. Tuttavia, il cloroetano possiede interazioni dipolari molto più forti a causa del legame Cl-C, rendendo le interazioni più intense e aumentando il punto di ebollizione.

Risposta 15

−85 °C. L'acqua ha legami a idrogeno più forti, quindi fonde a una temperatura più alta.

Risposta 17

Il legame a idrogeno tra due molecole di fluoro idrogenato è più forte di quello tra due molecole d'acqua, poiché l'elettronegatività del fluoro è maggiore di quella dell'ossigeno. Di conseguenza, la carica parzialmente negativa sul fluoro è maggiore rispetto a quella sull'ossigeno. Il legame a idrogeno tra l'idrogeno parzialmente positivo e il fluoro parzialmente negativo sarà quindi più forte rispetto a quello formato tra idrogeno e ossigeno.

Risposta 19

Il legame a idrogeno è la principale forza intermolecolare che tiene insieme i filamenti proteici. Il legame a idrogeno avviene tra il gruppo $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ e il gruppo $\mathrm{C}=\mathrm{O}$.

Risposta 21

(a) Legame a idrogeno, attrazione dipolo-dipolo e forze di dispersione. (b) Forze di dispersione. (c) Attrazione dipolo-dipolo e forze di dispersione.

Risposte pari (da controllare)

Risposta 2

In termini di teoria cinetica molecolare, i liquidi sono simili ai solidi perché le loro particelle sono vicine tra loro e interagiscono tramite forze attrattive. Tuttavia, differiscono in quanto le particelle nei liquidi possono muoversi liberamente e scivolare l'una sull'altra, mentre nei solidi sono fissate in posizioni specifiche, formando un reticolo rigido.

Risposta 4

I liquidi assumono la forma del contenitore poiché le particelle non sono fissate e possono muoversi liberamente; le forze intermolecolari sono abbastanza forti da mantenerle vicine ma non così forti da bloccarle in una struttura rigida. Nei solidi, invece, le particelle sono tenute ferme da legami rigidi che impediscono qualsiasi movimento significativo, consentendo loro di mantenere una forma propria.

Risposta 6

(a) Le sostanze in ogni fase (solido, liquido, gas) condividono proprietà simili, come densità e disposizione delle particelle, ma differiscono nella libertà di movimento e nelle interazioni intermolecolari. (b) Le temperature di transizione di fase sono direttamente correlate alla forza delle interazioni intermolecolari: forze più forti richiedono temperature più elevate per la transizione. (c) Nel grafico energia potenziale vs distanza, la forza totale diventa attrattiva e significativa quando gli atomi si trovano a distanze intermedie. Le forze attrattive e repulsive si bilanciano quando si raggiunge il punto di energia minima, riflettendo lo stato di equilibrio.

Risposta 8

Le sostanze cambiano fase da gas a liquido o solido perché le interazioni intermolecolari diventano predominanti quando l'energia termica diminuisce. Ad alte temperature, le molecole hanno energia cinetica sufficiente per superare le forze intermolecolari, ma a basse temperature queste forze prevalgono, determinando una maggiore coesione tra le molecole.

Risposta 10

(a) I punti di ebollizione di Neon e HF differiscono a causa della presenza di legami a idrogeno in HF, che richiedono molta più energia per essere spezzati rispetto alle forze di dispersione nel Neon. (b) Nei gas nobili (Ne, Ar, Kr, Xe), i punti di ebollizione aumentano con la massa atomica a causa delle forze di dispersione più forti. In HF, HCl, HBr e HI, invece, le variazioni nei punti di ebollizione sono influenzate principalmente dai legami a idrogeno e dall'elettronegatività, che hanno un ruolo maggiore rispetto alla massa molecolare.

Risposta 12

Il punto di ebollizione del glicole etilenico è maggiore rispetto a quello del butanolo perché il glicole etilenico ha due gruppi -OH, che consentono la formazione di un maggior numero di legami a idrogeno, aumentando significativamente le interazioni intermolecolari.

Risposta 14

Le differenze nei punti di ebollizione tra acetone e 1-propanolo sono dovute alla presenza di legami a idrogeno nell'1-propanolo, che richiedono più energia per essere spezzati rispetto alle interazioni dipolo-dipolo presenti nell'acetone.

Risposta 16

I punti di fusione di SiH₄, PH₃ e H₂S suggeriscono che le attrazioni intermolecolari e il carattere polare aumentano nella sequenza indicata. H₂S, con il suo carattere polare più marcato, ha forze dipolo-dipolo più forti rispetto alle interazioni più deboli in SiH₄.

Risposta 18

Un dimero di acido acetico è formato da due molecole di CH₃COOH unite tramite legami a idrogeno tra il gruppo carbossilico di una molecola e quello dell'altra. Questi legami sono responsabili della forte coesione tra le molecole nel dimero.

Risposta 20

La differenza di densità tra NH₃ liquido e NH₃ gassoso è dovuta alla maggiore vicinanza delle molecole nello stato liquido, dove le forze intermolecolari sono predominanti, rispetto allo stato gassoso, in cui le molecole sono molto più distanti e le interazioni intermolecolari sono trascurabili.