COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO BAREMO DEL EXAMEN: El alumno deberá elegir una opción (A o B) y contestar a las 3 cuestiones y los 2 problemas de la opción elegida. En cada cuestión / problema la calificación máxima será de 2 puntos; en cada apartado se indica la calificación máxima que se puede obtener. OPCIÓN A CUESTIÓN 1 Considere los elementos A, B, C, y D de números atómicos A = 2, B = 11, C = 17, D = 34, y responda razonadamente a las siguientes cuestiones: a) Escriba la configuración electrónica de cada uno de estos elementos e indique el grupo y período al que pertenecen. (1 punto) b) Clasifique cada uno de los elementos en las siguientes categorías: metal, no metal o gas noble. (0,5 puntos) c) Ordene los elementos según valor creciente de su primera energía de ionización. (0,5 puntos) PROBLEMA 2 El proceso de fotosíntesis se puede representar por la ecuación química siguiente: H º 3402,8 kJ 6 CO2 (g) 6 H2O (l) C6H12O6 (s) 6 O2 (g) Calcule: a) La entalpía de formación estándar de la glucosa, C6H12O6. (1 punto) b) La energía necesaria para la formación de 500 g de glucosa mediante fotosíntesis. (1 punto) Datos: masas atómicas: H = 1; C = 12; O = 16; Hfo CO2 (g) 393,5 kJ/mol; Hfo H2O(l) 285,8 kJ/mol CUESTIÓN 3 El proceso Deacon suele utilizarse cuando se dispone de HCl como subproducto de otros procesos químicos. Dicho proceso permite obtener gas cloro a partir de cloruro de hidrógeno de acuerdo con el siguiente equilibrio: 4 HCl (g) O2 (g) 2 Cl 2 (g) 2 H 2O (g) H º 114 kJ Se deja que una mezcla de HCl, O2, Cl2 y H2O alcance el equilibrio a cierta temperatura. Explique cuál es el efecto sobre la cantidad de cloro gas en el equilibrio, si se introducen los siguientes cambios: (0,4 puntos cada apartado) a) Adicionar a la mezcla más O2 (g). b) Extraer HCl (g) de la mezcla. c) Aumentar el volumen al doble manteniendo constante la temperatura. Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO d) Adicionar un catalizador a la mezcla de reacción. e) Elevar la temperatura de la mezcla. PROBLEMA 4 Se ha preparado en el laboratorio una disolución 0,025 M de un ácido débil H. Dicha disolución tiene un pH = 2,26. Calcule: a) La constante de acidez, Ka, del ácido débil HA. (1 punto) b) El porcentaje de ácido HA que se ha disociado en estas condiciones. (1 punto) CUESTIÓN 5 Formule o nombre, según corresponda, los siguientes compuestos: (0,2 puntos cada uno) a) óxido de cromo (III) b) nitrato de magnesio c) hidrógeno sulfato de sodio d) ácido benzoico e) Ca(OH)2 f) HgS g) H3PO4 h) CHCl3 i) CH3 CH2 CHO j) C6 H5 CH3 OPCIÓN B CUESTIÓN 1 Considere las siguientes especies químicas N2O, NO2+, NO2–, NO3–, y responda razonadamente a las siguientes cuestiones: a) Represente la estructura de Lewis de cada una de las especies químicas propuestas. (1 punto) b) Prediga la geometría de cada una de estas especies químicas. (1 punto) Datos: números atómicos: N = 7; O = 8 PROBLEMA 2 Se disuelven 0,9132 g de un mineral de hierro en una disolución acuosa de ácido clorhídrico. En la disolución resultante el hierro se encuentra como Fe2+ (ac). Para oxidar todo este Fe2+ a Fe3+ se requieren 28,72 mL de una disolución 0,05 M de dicromato potásico, K2Cr2O7. La reacción redox, no ajustada, que tiene lugar es la siguiente: Fe2 (ac) Cr2O72 (ac) Fe3 (ac) Cr 3 (ac) H2O (l) a) Escriba las semirreacciones de oxidación y de reducción y la ecuación química global. (1 punto) b) Calcule el porcentaje en masa del hierro en la muestra del mineral. (1 punto) Datos: masas atómicas: Fe = 55,85 Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO CUESTIÓN 3 a) Considere los ácidos HNO2, HF, HCN, CH3COOH. Ordénelos de mayor a menor fuerza ácida, justificando la respuesta. (1 punto) b) Indique, justificando la respuesta, si las disoluciones acuosas de las siguientes sales serán ácidas, neutras o básicas: NaNO2, NH4NO3, NaF, KCN. (1 punto) Datos : Ka HNO2 5,1·104 ; Ka NH 4 + 5,5·1010 ; K a HCN 4,8 ·10 10 ; K a CH 3COOH 1,8 ·105 ; K a HF 6,8 ·104 PROBLEMA 4 A 130 ºC el hidrógenocarbonato de sodio, NaHCO3 (s), se descompone parcialmente según el siguiente equilibrio: Kp = 6,25 a 130 ºC 2 NaHCO3 (s) Na 2CO3 (s) CO2 (g) H 2O (g) Se introducen 100 gramos de NaHCO3 (s) en un recipiente cerrado de 2 L de capacidad, en el que previamente se ha hecho el vacío, y se calienta a 130 ºC. Calcule: a) El valor de Kc y la presión total en el interior del recipiente cuando se alcance el equilibrio a 130 ºC. (1,2 puntos) b) La cantidad, en gramos, de NaHCO3 (s) que quedará sin descomponer. (0,8 puntos) Datos: Masas atómicas: H = 1; C = 12; O = 16; Na = 23; R 0,082 atm L/mol K CUESTIÓN 5 Complete las siguientes reacciones y nombre los compuestos orgánicos que intervienen. (0,4 puntos cada una) catalizador a) CH2 CH CH3 H2 catalizador b) CH3 CH2 CO CH2 CH3 H2 H (ac) c) CH3 COO CH2 CH3 +H2O H (ac) d) CH2 CH2 H2O MnO , H (ac) 4 e) CH3 CH2OH Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO Soluciones OPCIÓN B CUESTIÓN 1. a) La configuración electrónica del nitrógeno, N (Z = 7) es 1s22s22p3. Tiene 5 electrones en su capa de valencia. La configuración electrónica del oxígeno, O (Z = 8) es 1s22s22p4. Tiene 6 electrones en su capa de valencia. N2O A la hora de formarse el N2O, hay en total 16 electrones de valencia para formar enlaces. La estructura de Lewis queda con dos posibilidades (estructuras resonantes): ·· ·· ·· ·· : N N O: N N O: 1 1 0 0 1 ·· 1 NO2+ En esta molécula hay 16 electrones de valencia. .. .. Estructura de Lewis: O N O ¨ ¨ NO2– En esta molécula hay 18 electrones de valencia. .. .. .. .. .. .. O N O : : O N O ¨ ¨ ¨ ¨ NO3– En esta molécula hay 24 electrones de valencia. : O : :O: :O: .. | | .. .. .. .. .. : O N O : : O N O O N O : ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ b) Predeciremos la geometría de estas moléculas utilizando la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia. El N2O posee sobre el átomo central 4 pares enlazantes (agrupados en dobles enlaces) y 0 pares solitarios. Es una molécula AB2. Por tanto, la geometría de esta molécula es lineal. NO2+: de la misma manera que el N2O, la geometría es lineal. NO2–: según la teoría RPECV, esta molécula es de tipo AB2E; por tanto, su geometría es angular. NO3–: según la teoría RPECV, esta molécula es de tipo AB3, con lo cual su geometría es triangular plana. Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO PROBLEMA 2. a) Asignamos los números de oxidación de cada elemento en cada una de las especies que participa en la reacción: Fe2 (ac) Cr2 O7 2 6 2 (ac) Fe3 (ac) Cr 3 (ac) H2 O (l) 3 2 3 1 2 En esta reacción se observa lo siguiente: El Cr es el átomo que se reduce, ya que, al pasar de reactivos a productos, su número de oxidación disminuye de +6 a +3. Por tanto, la sustancia que se reduce es el anión dicromato, Cr2O72–, que es por ello la sustancia oxidante (el oxidante). El Fe es el átomo que se oxida, ya que, al pasar de reactivos a productos, su número de oxidación aumenta de +2 a +3. Por tanto, la sustancia que se oxida es el Fe2+, que es, por ese motivo, la sustancia reductora (el reductor). Comenzamos el proceso de ajuste de la reacción iónica por el método del ión-electrón. En primer lugar, escribimos las semirreacciones de reducción y de oxidación: Reducción: Cr2O72 Cr 3 Oxidación: Fe2 Fe3 A continuación, se ajustan los átomos que se oxidan o se reducen: hay que ajustar el Cr en la semirreacción de reducción. Reducción: Cr2O72 2 Cr 3 Oxidación: Fe2 Fe3 Seguidamente, se ajustan los oxígenos utilizando H2O: Reducción: Cr2O72 2 Cr 3 7 H 2O Oxidación: Fe2 Fe3 A continuación, se ajustan los hidrógenos utilizando H+: Reducción: Cr2O72 14 H 2 Cr 3 7 H 2O Oxidación: Fe2 Fe3 Se ajusta la carga eléctrica en ambas semirreacciones utilizando electrones: C arg a total: +12 C arg a total: +6 Reducción: Cr2O7 2 14 H 2 Cr 3 7 H 2O Es necesario sumar 6 e– en el miembro de los reactivos, que es el que tiene la carga más elevada, para conseguir así rebajarla e igualarla con la carga del miembro de los productos. Cr2O72 14 H 6 e 2 Cr 3 7 H2O Carga total: +2 Carga total: +3 Oxidación: Fe2 Fe3 Es necesario sumar 1 e– en el miembro de los productos, que es el que tiene la carga más elevada, para conseguir así rebajarla e igualarla con la carga del miembro de los reactivos. Fe2 Fe3 e Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO A continuación, se ajustan los electrones intercambiados en ambas semirreacciones (deben tener el mismo número): Reducción (sin modificar): Cr2O72 14 H 6 e 2 Cr 3 7 H2O Oxidación (multiplicada por 6): 6 Fe2 6 Fe3 6 e Seguidamente, se suman las dos semirreacciones para obtener la reacción iónica global ajustada: Cr2O72 14 H 6 e 2 Cr 3 7 H 2O 6 Fe 2 6 Fe3 6 e Cr2O72 14 H 6 Fe2 2 Cr 3 7 H2O 6 Fe3 (Los electrones se compensan en ambos miembros y desaparecen.) Así pues, la reacción redox propuesta ajustada queda de la siguiente forma: 6 Fe2 (ac) Cr2O72 (ac) 14 H 6 Fe3 (ac) 2 Cr 3 (ac) 7 H 2O (l) b) Calculamos los moles de dicromato de potasio, K 2 Cr2 O7 consumidos: moles(K2Cr2O7 ) M (K2Cr2O7 ) V (L) 0,05 0,02872 1,436·103 moles Calculamos ahora los moles de hierro que reaccionarían con estos moles de dicromato de potasio, tomando como referencia la estequiometría de la reacción: 1 mol K 2Cr2O7 1,436 ·103 moles K 2Cr2O7 x 6 1,436 ·103 8,616 ·103 moles Fe 2 2 6 moles Fe x Estos moles, en gramos son: gramos Fe2 moles Fe2 M r (Fe2 ) 8,616·103 moles 55,85 g/mol 0,4812 g Por tanto, en los 0,9132 g del mineral de hierro hay 0,4812 g de hierro. Así pues: 0,4812 % Fe en el mineral 100 52,69 % 0,9132 CUESTIÓN 3. a) Todos los ácidos propuestos son débiles. La fuerza ácida será mayor cuanto mayor sea el valor de Ka. Al ser Ka HF Ka HNO2 > Ka CH3COOH Ka HCN , el orden de estos ácidos, de mayor a menor fuerza ácida, es: HF HNO2 > CH 3COOH HCN . b) NaNO2 El NaNO2 es una sal, que en agua se disocia totalmente en sus iones: NaNO2 (s) Na (aq) NO2 (aq) Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO El ión Na+ no presenta comportamiento ácido, pues es conjugado de una base fuerte (NaOH), pero el ión NO2 es una base débil que establece su equilibrio de basicidad reaccionando con el agua: NO2 H2O HNO2 OH Con lo cual el pH de la disolución resultante será básico (mayor que 7). NH4NO3 Este compuesto es una sal. En agua se disocia completamente en sus iones: NH4 NO3 (s) NH4 (aq) NO3 (aq) El anión NO3 no presenta comportamiento ácido-base, ya que es conjugado de un de ácido fuerte (HNO3), con lo cual no tiene posibilidad de reaccionar con el disolvente para formar su conjugado. El catión NH4 es un ácido débil en agua, con lo cual en disolución acuosa establecerá su equilibrio de acidez: NH4 H2O NH3 H3O Por tanto, una disolución acuosa de NH4NO3 tendrá un pH ácido (menor que 7). NaF Esta sustancia es una sal que en agua se disocia totalmente en sus iones: NaF (s) Na (aq) F (aq) El ión Na+ no presenta comportamiento ácido ya que es conjugado de una base fuerte (NaOH). El ión F presenta comportamiento básico. Es una base débil. Su equilibrio de hidrólisis es: F H2O HF OH Con lo cual, el pH de la disolución resultante será básico (mayor que 7). KCN Se trata de una sal que en disolución acuosa se disocia totalmente en sus iones: KCN (s) K (aq) CN (aq) El K+ no presenta comportamiento ácido-base, ya que es el conjugado de una base fuerte (KOH), con lo cual no tiene posibilidad de reaccionar con el agua para formar su especie conjugada. El anión CN es una base débil en agua, con lo cual en disolución acuosa establecerá su equilibrio de basicidad: CN H2O HCN OH Así pues, la disolución tendrá un pH básico (mayor que 7). Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO PROBLEMA 4. a) Calculamos los moles de NaHCO3 que se introducen: 100 g 1,19048 moles 23 1 12 16 3 84 g/mol Establecemos la tabla que relaciona las cantidades de sustancias iniciales y las presentes cuando se alcanza el estado de equilibrio. Como es un equilibrio heterogéneo, planteamos la tabla en moles, no en concentraciones (que no tienen sentido para una especie sólida): ⇄ 2 NaHCO3 (s) Moles iniciales Moles en el equilibrio Na2CO3 (s) + CO (g) + H2O (g) 1,19048 0 0 0 1,19048 – 2x x x x Calculamos el valor de Kc utilizando la relación: K p Kc RT c (g) (c(g) es la diferencia entre los coeficientes estequiométricos de los gases en los productos y en los reactivos.) De donde: Kc Kp RT c (g) 6,25 0,082 130 273 2 0 5,723·103 Planteamos la ecuación de Kc teniendo en cuenta que no debemos incluir los sólidos en la expresión de dicha constante: Kc CO (g)eq H 2O (g) eq Sustituimos el valor obtenido para Kc e introducimos las concentraciones a partir del volumen y de los moles en el equilibrio que indica la tabla. x x x2 x 0,1513 moles 2 2 4 La presión total en el recipiente cuando se alcance el equilibrio será debida a todos los gases presentes al alcanzar dicho estado, es decir, al CO (g) y al H2O (g). 5,723·103 ptot (atm)eq V (L) ntot (g)eq R T (K) ptot (atm)eq ntot (g)eq V (L) R T (K) Sustituyendo valores: xx 0,082 (130 273) x 0,082 (130 273) 5 atm 2 b) En la tabla que hemos planteado en el apartado a) para este equilibrio observamos que los moles de NaHCO3 (s) que se han descompuesto son 2 x 2 0,1513 0,3026 moles. Por tanto, quedan sin descomponer 1,19048 – 0,3026 = 0,88788 moles. ptot (atm)eq Ediciones SM COMUNIDAD VALENCIANA / QUÍMICA / JUNIO 2012 / EXAMEN RESUELTO Pasamos esta cantidad a gramos, tal y como nos pide el apartado: gramos NaHCO3 (s) 0,88788 84 74,58 g moles g/mol Son los gramos de hidrógenocarbonato de sodio que quedan en el equilibrio sin descomponer. catalizador CH3 CH 2 CH3 CUESTIÓN 5. a) CH 2 CH CH3 H 2 propeno propano catalizador CH3 CH 2 CHOH CH 2 CH3 b) CH3 CH 2 CO CH 2 CH3 H 2 3-pentanona 3-pentanol H (ac) CH 3 COOH CH 3 CH 2OH c) CH 3 COO CH 2 CH 3 + H 2O etanoato de etilo (acetato de etilo) ácido etanoico (ácido acético) H (ac) CH3 CH 2OH d) CH 2 CH 2 H 2O eteno (etileno) etanol (alcohol etílico) MnO , H (ac) 4 CH3 CHO e) CH3 CH 2OH etanol (alcohol etílico) Ediciones SM etanal (acetaldehído) etanol (alcohol etílico)