1415-solucions PROBLEMES UNITAT 1 DLONS I DET ESTRUCT

Departament de Ciència i Tecnologia
QUÍMICA
UNITAT 1.
2n Batxillerat
SOLUCIONS ALS PROBLEMES
DEL MÓN MACROSCÒPIC AL MICROSCÒPIC.
SÒLIDS, LÍQUIDS, GASOS I DISSOLUCIONS.
DETERMINACIÓ ESTRUCTURAL.
Dissolucions
1. a) MC10H8 = 0,5575 mol/l
b) C10H8 + 12 O2
10 CO2 + 4 H2O
C7H8 + 9 O2
7 CO2 + 4 H2O
c) V O2 = 873,6 l
2. a) 20 ml de NaOH 1,2 M.
b) Es prenen 20 ml de NaOH 1,2 M amb una pipeta aforada. Es posen
en un matràs aforat de 500 ml i s’hi afegeix aigua destil·lada fins a
enrasar. Després es remou per homogeneïtzar la dissolució.
c) És una substància corrosiva.
3. a) M HNO3 = 12,47 M
b) VHNO3 conc = 8,02 ml
c) Dipositem uns ml d’aigua destil·lada en un matràs aforat de 500 ml.
Mesurem 8 ml d’àcid nítric concentrat amb una pipeta graduada i els
introduïm al matràs aforat de 500 ml. És convenient afegir l’àcid
concentrat sobre una certa quantitat d’aigua per evitar que l’escalfament
provocat per la dilució projecti gotes de l’àcid a l’exterior. A continuació,
afegim aigua destil·lada al matràs fins la línia d’enràs. Ens podem ajudar
d’una pipeta Pasteur o un goter. Tapem i agitem per homogeneïtzar.
Material: matràs aforat de 500 ml, pipeta graduada de 10 ml, flascó
rentador, aigua destil·lada, pipeta Pasteur o goter.
4. Concentració = 0,3 M
5. Volum KCl = 25 ml de dissolució de KCl.
Volum etanol = 14,6 ml etanol
6. CuSO4·5 H2O
Cu2+ (aq) + SO42- (aq) + 5 H2O
a) m = 24,95 g CuSO4 · 5 H2O
Procediment: Pesaria 25 g de CuSO4·5 H2O i ho dissoldria en 500 ml
d’aigua (volum total inferior a 1 l) en un vas de precipitats fins obtenir
una dissolució homogènia. Abocaria aquesta dissolució en un matràs d’1
l de capacitat amb ajut d’un embut i enrassaria amb aigua fins la línia
d’enràs. Taparia i agitaria la dissolució per homogeneïtzar.
Material: matràs aforat d’1 l, vas de precipitats de 600 ml, flascó
rentador, aigua destil·lada, pipeta Pasteur o goter, embut.
Departament de Ciència i Tecnologia
b) 25 ml de la dissolució 0,1 M de Cu2+.
Mesuraria 25 ml de la dissolució de Cu2+ 0,1 M mitjançant una pipeta
aforada. Abocaria aquests mil·lilitres en un matràs aforat de 100 ml i
afegiria aigua destil·lada fins la línia d’enràs amb l’ajut d’un embut. Ens
podem ajudar d’un goter o pipeta Pasteur. Taparia i agitaria per
homogeneïtzar.
Material: pipeta aforada de 25 ml, matràs aforat de 100 ml, embut, aigua
destil·lada, pipeta Pasteur o goter.
7. Conc. Hg = 2 mg/109 mg · 106 = 0,002 ppm
La concentració de mercuri del riu (0,002 ppm) és inferior a la permesa
(0,05 ppm) i per tant compleix la normativa mediambiental.
8. H4SiO4
Concentració molar = 3,12·10-5.
Teoria cinèticomolecular dels gasos
9. No perquè l’energia cinètica segons l’equació següent
Ec = 3/2 RT
l’energia cinètica de les molècules de gas només depèn de la temperatura i no
de la fórmula molecular del gas considerat.
10. Les molècules de dos gasos amb masses diferents no presentaran la
mateixa velocitat mitjana, encara que es trobin a la mateixa temperatura
absoluta.
En el cas concret del CO2 i del N2.
Pel CO2 : 3 K T = MCO2 · VCO22
Pel N2 :
3·K·T = MN2 · VN22
Combinant aquestes dues equacions obtenim:
VCO2 = √(MN2/MCO2) · VN2
11. Atenció la massa molecular s’ha de posar en unitats del SI: kg/mol.
V He = 1304,7 m/s
12. 1000ºC (1273 K) i 20 ºC (298K)
V1273K = 2,08 V298K
Notem que, mentre que la temperatura absoluta es fa unes quatres
vegades més gran , la velocitat molecular únicament es fa unes dues vegades
més gran.
Departament de Ciència i Tecnologia
13. VH2 = 3,98 VO2
VO2 = 4,82·102 m/s (Aquest valor correspon a 1735 Km/h)
14.
Calculem la densitat de l’amoníac, a 1 bar i 273 K, suposant que es comporti
com un gas ideal:
Departament de Ciència i Tecnologia
15. Gas ideal: pV = nRT
T = 0oC = 273 K
P = 1,00 · 105 Pa
n = 1 mol
R = 8,31 J · K-1 · mol-1
V = (1 · 8,31 · 273) / (1,00 · 105)
V = 0,02269 m3 = 22,69 dm3
V = 22,69 litres
La teoria cinèticomolecular considera el gas ideal format per partícules
puntuals, és a dir sense volum propi, en constant moviment, que xoquen entre
si elàsticament i que no s’exerceixen forces d’interacció. Els gasos reals
s’acosten més a aquest comportament quan estan sotmesos a pressions
relativament baixes i temperatures altes perquè en aquestes condicions, el
volum de les partícules pot ser negligible davant el volum total, les forces
Departament de Ciència i Tecnologia
d’interacció són menors perquè les partícules estan més separades i les
partícules es mouen a més velocitat.
b) El volum molar de l’hidrogen (22,72 l) és molt semblant al volum d’un gas
ideal (22,69 l), mentre que el volum molar de l’amoníac (22,38 l) és força
menor. Això es justifica perquè en les condicions de pressió i temperatures
fixades (0oC i 1,00·105 Pa) les forces intermoleculars en l’amoníac gasós són
molt més fortes que en l’hidrogen gasós, el que provoca una desviació més
gran del comportament ideal.
16.
La relació entre les velocitats de difusió dels gasos O2 i CO és de 0,935.
Departament de Ciència i Tecnologia
Diagrames de fases
17. Passarà a l’estat gasós. Sublimarà.
No perquè es troba per sota del punt triple.
18. En la condensació passem d’estat gasós a estat líquid; és a dir, passem
d’un estat absolutament desordenat i molt energètic a un altre relativament
ordenat i molt menys energètic.
En la solidificació passem d’un estat líquid una mica ordenat i de certa
energia a un altre estat més ordenat i menys energètic.
Per tant la condensació allibera molta més energia.
19. Un bufador industrial consumeix molt butà en poca estona. La bombona
perd ràpidament butà liquat i a molta pressió. Quan el butà passa en grans
quantitats a estat gasós, necessita molta calor latent de vaporització que
pren de les parets de la bombona i de la mateixa massa líquida, la qual
baixa de temperatura i es glaça per fora.
20. No és possible que l’aigua es mantingui en estat líquid a una pressió de
2,5 mmHg, ja que perquè estigui en estat líquid ha d’estar a una pressió
Departament de Ciència i Tecnologia
superior a 4,58 mmHg. Per sota d’aquesta pressió és absolutament
impossible trobar aigua líquida, sempre sublima.
A 6 mmHg és possible trobar aigua líquida en un estret marge de
temperatures proper als 0 ºC.
21. Perquè l’aigua romangui en estat líquid a una temperatura inferior a 0 ºC
ha d’estar sotmesa a una pressió alta.
22. El butà de l’interior de les bombones està sotmès a una alta pressió i en
aquestes condicions el butà és líquid. En sortir de la bombona, el butà està
a pressió atmosfèrica, molt més baixa, i en aquestes condicions el butà és
gasós.
23. A) -78 ºC.
b) 5,11 atm.
c) 5,11 atm i -56,4 ºC.
e) Augmenta.
f) Necessitarem una pressió mínima de 5,11 atm.
g) -56,6 ºC.
(Veure fig 1.12 llibre pg 24)
Determinació estructural
24.
a) Hem de descartar, d’entrada, el compost Y (àcid pentanoic) ja que la seva
fórmula molecular és C5H10O2, i té un oxigen més que el compost orgànic que
analitzem.
Per decidir si el compost desconegut és el compost X o el Z cal comprovar si es
tracta d’una cetona (compost X) o d’un alcohol amb un doble enllaç carboni carboni (compost Z). En l’espectre infraroig (IR) del compost desconegut,
s’observa un pic al voltant de 1710 cm-1 i no s’observa cap pic al voltant de
1610 cm-1; això, segons la taula d’absorcions de diversos grups funcionals a
l’infraroig, ens permet deduir que el compost desconegut té un grup carbonil
(C=O) i no té cap doble enllaç entre carbonis (C=C).
També podem observar en l’espectre infraroig un pic al voltant de 2900 cm -1
que correspondria als enllaços C-H amb el carboni unit a enllaços C-C. Per
tant, el compost desconegut és el compost X, la 3-pentanona.
b) L'espectroscòpia d'infraroig es basa en fer interaccionar una molècula amb
radiació electromagnètica de la zona de l’infraroig, per a determinar quines
radiacions concretes és capaç d’absorbir. Amb aquesta tècnica s’obté un
espectre d’infraroig (espectre IR) on es representa l’absorbància (o
Departament de Ciència i Tecnologia
transmitància) per a cada radiació infraroja, mesurada habitualment pel seu
nombre d’ona (o a vegades per la seva longitud d’ona o freqüència).
Quan una molècula absorbeix radiació infraroja es produeixen canvis d’energia
vibracional degut a les deformacions dels enllaços per tensió i flexió. L’energia
d’aquest tipus de radiació és capaç de provocar un salt des del nivell
fonamental d’energia vibracional a un nivell excitat. L'espectre IR obtingut per
una molècula es caracteritza per una sèrie de pics, de diferents alçades, que
corresponen a les diferents transicions vibracionals dels enllaços de la
molècula.
25. El desplaçament químic està relacionat amb la freqüència de la radiació
absorbida per un nucli (H, protó), en comparar-la amb la d’un patró (TMS,
tetrametilsilà), quan la molècula està exposada a un camp magnètic extern i
s’ha irradiat amb radiació electromagnètica de radiofreqüències.
b) En la molècula 1,1,1-tricloroetà, Cl3C-CH3, només hi ha un tipus de protons
(grup CH3), el que implica un únic pic a l’espectre de RMN.
En la molècula 1,1,2-tricloroetà, Cl2CH-CH2Cl, tenim dos tipus de protons: els
del grup CH2 i els del grup CH. En l’espectre s’observarien dos pics, amb una
relació d’àrees de 2 a 1.
26. a) Processos bàsics en espectrometria de masses:
− La mostra s’ha de volatilitzar i portar a pressions molt baixes.
− El compost (M) es trenca en diferents fragments que tenen càrrega,
normalment positiva i de valor unitat. Pot quedar compost sense
trencar-se i carregat positivament (M+, ió molecular).
− Els ions són accelerats en presència d’un camp elèctric.
− Els diferents fragments carregats son separats segons el valor de la
relació massa / càrrega que tenen.
− Es detecta la quantitat de cadascun dels diferents fragments.
b) La massa molecular de la butanona és 72. L’ió de quocient massa / càrrega
72 pot correspondre a la butanona ionitzada: CH3CH2COCH3+ (ió molecular).
El pic de quocient massa/càrrega 43 pot correspondre al fragment CH 3CO+, ja
que el seu pes (dos carbonis, tres hidrògens i un oxigen) és de 43.
Si enlloc de la butanona tinguéssim la propanona, CH3COCH3, no es veuria el
pic de 72, perquè la propanona te menys massa molecular. Sí que es podria
veure el pic de 43, ja que la propanona també pot fragmentar-se i donar l’ió
CH3CO+, igual que feia la butanona.
27. En el eix d’ordenades es representa la transmitància o l’absorbància [0,2
p]
En el eix d’abscisses es representa el nombre d’ona (o qualsevol altre
paràmetre que caracteritzi la radiació, com la longitud d’ona, la freqüència o
l’energia). [0,2 p]
Quan una molècula absorbeix radiació infraroja es produeixen canvis
d’energia vibracional degut a les deformacions dels enllaços per tensió i
flexió. L’energia d’aquest tipus de radiació és capaç de provocar un salt des
del nivell fonamental d’energia vibracional a un nivell excitat. L'espectre IR
obtingut per una molècula es caracteritza per una sèrie de pics, de diferents
Departament de Ciència i Tecnologia
alçades, que corresponen a les diferents transicions vibracionals dels enllaços
de la molècula. [0,6 p]
b) El He no donarà cap pic perquè no té cap enllaç i, per tant, no hi ha
possibilitat de cap vibració. [0,4 p]
Donaran més pics les substàncies que tinguin major nombre de enllaços
diferents. [0,3 p]
El CH4 té un sol tipus d’enllaç, C-H.
El CH3(CH2)5CH2OH té els enllaços C-H, C-C, C-O i O-H.
El NH2CH2COOH té els enllaços anteriors i, a més, C=O, C-N i N-H.
Per tant, hi haurà més pics en la substància: NH2CH2COOH. [0,3 p]
28. Per diferenciar-los utilitzarem l’absorció característica de l’enllaç doble C=C
que apareix entre 1610 i 1680 cm-1. Aquesta absorció només apareixerà en
l’’espectre de l’hexè i no en el ciclohexà.
29.
Compostos Espectres IR
Propanona
C-H
C=O
2-propanol
O-H
C-H
Departament de Ciència i Tecnologia
Propà
C-H
Enllaç
Compostos on es troba
C-H
C=C
C=O
C–O
O–H
Alcans, alquens.
Alquens
Aldehids, cetones,àcids, èsters
Alcohols, èters, èsters
Sense enllaç d’hidrogen
Amb enllaç d’hidrogen (alcohols, fenols)
Amb enllaç d’hidrogen (àcids carboxílics)
amines
N-H
Absorció nombre
d’ona (cm-1)
2.840 a 3.095
1.610 a 1.680
1.680 a 1.750
1.000 a 1.300
3.580 a 3.670
3.230 a 3.550
2.500 a 3.000
3.100 3.400
Departament de Ciència i Tecnologia
30.
Eix abscisses d’un espectre de masses: relació massa / càrrega (m / z). [0,4
p]
31. a) Quan una molècula absorbeix radiació infraroja es produeixen canvis
d’energia vibracional degut a les deformacions dels enllaços per tensió i
flexió. L’energia d’aquest tipus de radiació és capaç de provocar un salt des
del nivell fonamental d’energia vibracional a un nivell excitat. L'espectre
IR obtingut per una molècula es caracteritza per una sèrie de pics, de
diferents alçades, que corresponen a les diferents transicions vibracionals
dels enllaços de la molècula.
Es tracta del 2-propanol ja que s’observa una absorció cap a 3400 cm -1
característica dels grups O-H. No es pot tractar de l’àcid propanoic perquè
aquest conté un grup carbonil (C=O) que hauria de generar un pic pronunciat
entre 1690 i 1760 cm-1, que clarament no apareix a l’espectre.
b)  = 1,11·10-5 m
 = 2,7 · 10-13 Hz
E = 1,79 · 10-20 J