2010_septiembre_especifica

EXAMEN P.A.U. CASTILLA-LEÓN.
PRUEBA ESPECÍFICA.
SEPTIEMBRE 2010.
OPCIÓN A
1.- Un compuesto químico tiene la siguiente composición centesimal: 24,74 % de K,
34,76 % de Mn y 40,50 % de O.
a) Deduce la formula empírica y nombre del compuesto.
b) Determina el estado de oxidación formal de cada elemento.
Solución:
a) La composición centesimal indica que de 100 g de compuesto, 24,74 g son de K, 34,76 g
son de Mn y 40,50 g son de O, por lo que determinando los moles de cada uno de los
elementos en 100 g obtenemos:
M(K) = 24,74 g K .
1 mol K
40 g K
M(Mn) = 34,76 g Mn .
M(O) =
1 mol O
16 g O
= 0,619 moles de K.
1 mol Mn
55 g Mn
= 0,632 moles de Mn.
= 2,531 moles de O.
Como los moles de cada elemento son proporcionales a lo subíndices de los átomos en la
fórmula empírica del compuesto, dividiendo estos por el menor de ellos tenemos los
subíndices de los elementos en el compuesto:
0,619
K  0,619 = 1;
Por lo que la fórmula del mismo es:
0,632
Mn  0,619 ≅ 1;
KMnO4
2,531
O  0,619 ≅ 4
permanganato de potasio.
b) La capa de electrones de valencia del O es: 2s2 2p4. Por lo tanto se ionizará a O2-,
ganando dos electrones, para completar el octeto de Lewis y adquirir configuración de gas
noble. Luego su estado de oxidación es -2.
El potasio por ser elemento alcalino (grupo 1 del sistema periódico) tiene en su capa de
valencia un solo electrón, 4s1, por lo que lo perderá para ionizarse a K+ y presentar en la
capa externa el octeto completo. Así su número de oxidación es + 1.
Como la molécula ha de ser neutra, la suma de los estados de oxidación de todos los
elementos en la fórmula molecular, KMnO4, tiene que ser cero, y podemos calcular el
estado de oxidación del manganeso: 4 (-2)O + 1 (+ 1)K = - 7. Luego el Mn tiene estado de
oxidación +7.
2.- Calcula el pH de:
a) 20 mL de una disolución de ácido acético, CH3COOH, de concentración
0,01 M.
b) 5 mL de una disolución de NaOH de concentración 0,05 M.
c) La mezcla de las dos disoluciones suponiendo que los volúmenes son
aditivos.
Datos: Ka (CH3COOH) = 1,8 · 10–5.
Solución:
3.- Una disolución de cloruro de hierro (II), FeCl2, reacciona con 50 mL de una
disolución de dicromato de potasio, K2Cr2O7, de concentración 0,1 M. El catión Fe2+
se oxida a Fe3+ mientras que el anión dicromato, Cr2O72–, en medio ácido, se reduce
a Cr3+.
a) Escribe ajustadas las semirreacciones de oxidación y reducción, la reacción
iónica global y la reacción molecular.
b) Calcula la masa de FeCl2 que ha reaccionado.
Solución:
M (FeCl2) = 126,8 g/mol.
a) Las semirreacciones iónicas de oxidación y reducción, ya ajustadas, son:
Semirreacción de oxidación: Fe2+ → Fe3+ + 1 e–.
Semirreacción de reducción: Cr2O72– + 14 H+ + 6 e– → 2 Cr3+ + 7 H2O.
Multiplicando por 6 la semirreacción de oxidación para igualar los electrones ganados y
cedidos, y sumando ambas semirreacciones para eliminar dichos electrones, se obtiene la
ecuación iónica ajustada:
reacción iónica:
6 Fe2+ → 6 Fe3+ + 6 e–
Cr2O72– + 14 H+ + 6 e– → 2 Cr3+ + 7 H2O Sumando tenemos la
6 Fe2+ + Cr2O72– + 14 H+ → 6 Fe3+ + 2 Cr3+ + 7 H2O.
Sustituyendo las especies iónicas por los compuestos moleculares de los que provienen y
teniendo en cuenta que los 14 H+ proceden del medio ácido, por ejemplo 14 HCl ó 7
H2SO4, y completando en el segundo miembro con la sal que falta, KCl ó K2SO4, se
obtiene la ecuación molecular ajustada:
K2Cr2O7 + 6 FeCl2 + 14 HCl → 2 CrCl3 + 6 FeCl3 + 2 KCl + 7 H2O
ó
K2Cr2O7 + 6 FeCl2 + 7 H2SO4 → 4 FeCl3 + Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O
b) La estequiometría de la reacción indica que por cada mol de dicromato de potasio
reaccionan 6 moles de cloruro de hierro (II), por lo que determinando los moles de
dicromato consumidos, pueden obtenerse los moles de cloruro de hierro (II) gastados, y de
ellos su masa.
0,050 L disolución .
0,1 moles K2 Cr2 O7
1 L disolución
6 mol FeCl2
. 1 mol K
2 Cr2 O7
.
126,8 g FeCl2
1 mol FeCl2
= 3,8 g FeCl2 .
4.- Responde a las cuestiones siguientes:
a) Escribe las fórmulas de los siguientes compuestos orgánicos: dimetiléter;
ciclohexanol; acetato de metilo; propilamina.
b) Explica por qué la molécula de eteno, C2H4, es plana con ángulos de enlace,
de aproximadamente 120 º, mientras que la molécula de acetileno, C2H2, es
lineal. ¿En cuál de las dos moléculas anteriores la distancia entre los átomos
de carbono debe ser menor?
5.- Responde razonadamente a las siguientes cuestiones:
a) Define el concepto de energía de ionización de un elemento.
b) Justifica por qué la primera energía de ionización de un elemento disminuye
al bajar en un grupo de la tabla periódica.
c) Ordena de mayor a menor la energía de ionización de los elementos cloro,
argón y potasio.
Solución:
a) Energía de ionización es la energía que hay que suministrar a un átomo neutro, gaseoso
y en su estado electrónico fundamental, para arrancarle un electrón de su capa de valencia y
transformarlo en un catión, también gaseoso y en su estado electrónico fundamental.
b) Al bajar en un grupo de la tabla periódica, aunque se incrementa la carga nuclear, el
electrón más externo se va situando en un nivel energético cada vez más alejado del núcleo,
por lo que, al ser la fuerza atractiva núcleo-electrón cada vez menor, se necesitará aplicar
menos cantidad de energía, lo que pone de manifiesto que la energía de ionización
disminuye.
c) En el potasio, el último electrón se encuentra más alejado del núcleo que en los otros
dos elementos, por lo que su energía de ionización es la de menor valor.
El cloro y el argón son dos elementos que se encuentran en el mismo período y en los
grupos 17 y 18, es decir, el cloro tiene su capa de valencia casi llena y el argón llena, lo que
indica que en el argón, el último electrón se encuentra con un gran apantallamiento mucho
mayor que en el cloro, por lo que se necesita aplicar más cantidad de energía para arrancar
el último electrón al argón que al cloro.
Luego, el orden de mayor a menor valor de la energía de ionización de los elementos
propuestos es:
E.I. (Ar) > E.I. (Cl) > E.I. (K)
OPCIÓN B
1.- El mármol está constituido por CaCO3 y cuando reacciona con ácido clorhídrico,
HCl, se produce cloruro de calcio, CaCl2, dióxido de carbono, CO2 y agua, H2O.
a) Calcula la cantidad de mármol necesaria para producir 10 L de CO2 a 10 ºC y
700 mmHg de presión, si la pureza del mismo es del 80 % en CaCO3.
b) Suponiendo que las impurezas del mármol son inertes al ácido clorhídrico,
calcula el volumen de ácido de densidad 1,1 g · cm–3 y 20,39 % en masa que
se necesitará para que reaccione el carbonato de calcio calculado en el
apartado anterior.
Solución:
a) La ecuación ajustada correspondiente a la reacción propuesta es:
CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O,
en la que su estequiometría indica que
un mol de carbonato reacciona con 2 moles de ácido clorhídrico para producir un mol de
cada uno de los compuestos que forman el producto de reacción. Luego, el número de
moles de CaCO3 será el mismo que el de CO2 desprendidos en las condiciones expuestas y
podemos determinar así la cantidad de mármol impuro que se necesita utilizar. En efecto
cambiando las unidades al S.I., aplicando la ecuación de estado de los gases ideales y
despejando el número de moles obtenemos:
𝑝. 𝑉
𝑝 .𝑉 = 𝑛 .𝑅 .𝑇 ⇒ 𝑛 = 𝑅.
𝑇
=
700
𝑎𝑡𝑚 . 10 𝐿
760
𝑎𝑡𝑚 𝐿
0,082
. 283 𝐾
𝑚𝑜𝑙 𝐾
= 0,397 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 de CO2 que serán los
mismos que necesitaremos de CaCO3.
Como la pureza del mármol es del 80 % en masa y M (CaCO3) = 100 g/mol necesitaremos:
100 g CaCO
0,397 moles CaCO3 = 1 mol CaCO 3 .
3
100 g mármol
80 g CaCO3
= 49,625 g de mármol.
b) Calculamos primero la concentración del ácido: en 1 L del concentrado comercial de
HCl
habrá:
1 L concentrado.
103 mL concentrado 1,1 g concentrado
1 L concentrado
20,39 g HCl
1 mol HCl
. 1 mL concentrado . 100 g concentrado . 36,5 g HCl = 6,145
moles de HCl.
Sabiendo que [HCl] = 6,145 M y teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción,
podemos obtener ya el volumen del ácido que necesitaremos:
2 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙
1 𝐿 𝑑𝑒 á𝑐𝑖𝑑𝑜
0,397 moles CaCO3 . 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑎𝐶𝑂 . 6,145 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐻𝐶𝑙 = 0,1292 𝐿 𝑑𝑒 á𝑐𝑖𝑑𝑜.
3
2.- El producto de solubilidad del hidróxido de plomo (II), Pb(OH)2, es 2,5 · 10–13.
Calcula:
a) La solubilidad del hidróxido de plomo (II) expresada en g · L–1.
b) El pH de la disolución saturada.
3.- Se preparan 250 mL de disolución 1 M de ácido nítrico, HNO3, a partir de un
ácido nítrico comercial del 67 % en masa y densidad 1,40 g · mL–1.
a) Calcula la molaridad del ácido comercial y el volumen del mismo que se
necesita para preparar los 250 mL de disolución de HNO3 1 M.
b) Describe como se procede para preparar la disolución de ácido nítrico y
describe y dibuja el material a utilizar.
4.- Responde razonadamente a las siguientes cuestiones:
a) Escribe la configuración electrónica, completa y ordenada, de los siguientes
átomos o iones: Al, Na+ y O2–.
b) Deduce cuáles de las especies anteriores son isoelectrónicas.
c) Indica cuál de ellas tiene electrones desapareados y qué valores pueden
tener los números cuánticos del electrón más externo.
Solución:
a) Las configuraciones electrónicas de las especies propuestas, atendiendo al principio de
construcción y teniendo en cuenta la regla de Madelung, son:
Al: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1;
Na+: 1s2 2s2 2p6;
O2–: 1s2 2s2 2p6.
b) Dos especies son isoelectrónicas cuando poseen el mismo número de electrones en su
corteza.
De las configuraciones electrónicas anteriores se deduce que las especies Na + y O2– son
isoelectrónicas.
c) La especie con un electrón desapareado es el Al, con un solo electrón en el orbital 3s1.
Los números cuánticos que puede tener el electrón desapareado son: n = 3; l = 0; m l = 0;
s = ± 1/2.
5.- En función del tipo de enlace explica por qué:
a) El agua, H2O, es líquida en condiciones normales y el H2S es un gas.
b) El NaCl es sólido y el Cl2 es un gas.
c) El KCl es soluble en agua y el gas metano, CH4, es insoluble.
Solución:
a) El agua es líquida debido a que, al estar las moléculas polarizadas, por presentar los
hidrógenos enlaces al oxígeno, un átomo muy electronegativo y de pequeño radio; entre
ellas se produce un puente de hidrógeno, una atracción electrostática dipolo - dipolo, que
provoca valores anormalmente elevados de su punto de ebullición. Por el contrario, las
moléculas de H2S, covalentes y apolares, se unen por fuerzas mucho más débiles, lo que se
traduce en que su punto de ebullición sea mucho más bajo y, por ello, sea un gas a
temperaturas cotidianas.
b) El NaCl se encuentra formado por iones Na+ y Cl–, que al unirse por enlace iónico,
atracción electrostática entre los iones positivos y negativos, produce un sólido cristalino.
El cloro, por el contrario, es un gas debido a que sus moléculas, formadas por enlaces
covalentes, son apolares por su simetría y se separan unas de las otras.
c) Las moléculas de agua están fuertemente polarizadas, lo que confiere al agua la
característica de disolvente polar. El KCl es un sólido cristalino, soluble en agua, por
romperse la red iónica al interaccionar los iones superficiales de la red con los dipolos del
agua. Por el contrario, las moléculas de CH4 son apolares por su simetría y al no sufrir
interacciones electrostáticas con el agua, es un compuesto insoluble en dicho disolvente.