bloque vi - Gobierno de Canarias

BLOQUE II
1.- Dados los elementos Na (Z=11), K (Z=19), Mg (Z=12) y Ca (Z=20), indicar,
razonando la respuesta, cuál de ellos es el que necesitará más energía para que se
ionice perdiendo un electrón.
Solución.
Si tenemos en cuenta que los dos primeros elementos son dos elementos del
mismo grupo (elementos alcalinos) tendremos que el Na tiene menor tamaño que el K
ya que está por encima y por lo tanto se requerirá mayor energía para arrancarle un
electrón e ionizarlo. De igual forma los otros dos son también elementos del mismo
grupo (elementos alcalino-térreos) y como el Mg es el menor presentará una mayor
energía de ionización. Para distinguir entre el Na y el Mg hemos de tener en cuenta
que el Mg están en el mismo periodo y como en un periodo la energía de ionización
aumenta de izquierda a derecha, la mayor energía de ionización la presentará el Mg.
2.- Calcular la energía que se desprende en el proceso que se describe en la
siguiente ecuación:
K (g) + Br (g) → K+ Br – (g)
sabiendo que la primera energía de ionización del potasio es 419 kJ/mol y que la
afinidad electrónica del bromo es de 324 kJ/mol.
Solución.
Como se puede deducir se trata de un proceso de ionización de dos elementos
en estado gaseoso para dar lugar a los correspondiente iones. Así tendremos:
1.- Ionización del K para dar lugar al ión K + (g), para lo cual hay que comunicarles
una energía que conocemos la energía de ionización tendremos que;
K (g) → K+ + 1 ePI1 = + 419 kJ/mol
2.- Adición de un electrón al Br para dar lugar al ión bromuro Br -, proceso en el cual
se desprende una energía que es la afinidad electrónica:
Br + 1 e- → BrAE = - 324 kJ/mol
+
3.- Los dos iones formados K y Br se atraen para formar el par iónico K +Br-.
Sumando las dos ecuaciones se obtiene:
K (g) + Br (g) → K+ (g) + Br- ∆Hreacción = 419 – 324 = + 95 kJ/mol
BLOQUE III
1.- Escribir la estructura de Lewis del XeF 4. De acuerdo con la Teoría de la
Repulsión de los Pares de Electrones de la Capa de Valencia (TRPECV) predecir
cuál será la geometría de dicho compuesto. ¿Será polar o apolar?.
Solución.
Teniendo en cuenta los electrones de la capa de valencia, la estructura de Lewis
para el compuesto es:
F
F
Xe
F
F
De acuerdo con la TRPECV tenemos que el átomo central tiene 4 enlaces covalentes y
dos pares de electrones no enlazantes (pares solitarios) en consecuencia presenta una
geometría cuadrada plana, en la cual los dipolos que formar los enlaces Xe – F se
anulan entre si y los que forman los pares solitarios también se anulan entre sí,
F
F
Xe
por lo cual la molécula será APOLAR.
F
F
2.- Ordenar según sus puntos de ebullición crecientes e indicando las fuerzas
intermoleculares que actúan, la siguientes sustancias: Kr, CH3Cl, N2 y H2O.
Datos. Masas atómicas: Kr (83,80), C(12), Cl (35,5); N (14), H(1) y O (16).
Solución.
Las sustancias Kr y N2 son apolares ya que se trata de un gas noble y de una
molécula covalente con dos átomos del mismo elemento enlazados. Por lo tanto entre
ellos solo actúan las débiles fuerzas de dispersión de London y como la masa molecular
del Kr es mayor que la del N2 el punto de ebullición del Kr es mayor que el del N2.
El cloroformo, CH3Cl es también un compuesto covalente, pero a diferencia de
los anteriores es polar al igual que el H2O,y en ambos intervienen además de las fuerza
de dispersión del London la interacciones dipolo-dipolo, pero el punto de ebullición del
agua es mucho mayor ya que es capaz de formar enlaces por puente de hidrógeno, con
los cual nos queda que el orden pedido es:
N2 < Kr < CH3Cl < H2O
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BLOQUE IV
1.- Las entropías estándar del agua gas y del agua líquida son respectivamente,
188,64 y 69,87 J/mol.K. Indicar como variará la espontaneidad de un sistema agua
líquida-agua vapor a las temperaturas de 0ºC, 27 ºC, 100 ºC y 127 ºC. Suponer que
los valores de la entalpía no varían al variar la temperatura.
H2O (l) → H2O (g)
∆H = 44 kJ/mol
Solución.
Haciendo uso de la expresión que nos relaciona la entalpía con la entropía y la
energía libre para cada una de las temperaturas indicadas tendremos que:
∆G = ∆H – T x ∆S
Temperatura K
273
300
373
400
∆G (kJ/mol)
11,576
8,69
- 0,301
- 3,508
Proceso
No espontáneo
No espontáneo
Espontáneo
Espontáneo
2.- Calcular:
a) La cantidad de calor intercambiada a presión y volumen constante en la
combustión completa de 25 g de pentano líquido puro a 25 ºC, sabiendo que el
agua formada queda en estado gaseoso.
b) Si el 50% de ese calor se invierte en calentar agua a 27 ºC, ¿qué cantidad de
agua pasara a vapor de agua a 100 ºC?.
Datos: ∆Hof (C5H12) = - 41,39 kCal/mol; ∆Hof (H2O, g) = - 57,8 kCal/mol; ∆Hof
(CO2) = - 94,05 kCal/mol. Calor específico agua (Ce) = 1 cal/g.ºC. Calor latente de
vaporización del agua Leb = 540 Cal/g. R = 1,987 Cal/mol.K.
Masas atómicas: C = 12; H = 1.
Solución.
a) Combustión del pentano líquido:
C5H 12 (l) + 8 O2 (g)  5 CO2 (g) + 6 H2O (g)
Aplicamos la Ley de Hess para calcular la entalpía de combustión de ese proceso:
ΔHR° = ∑ni ΔHf° (Productos) - ∑nj ΔHf° (Reactivos)
ΔHR°= [5×ΔHf° (CO2) + 6×ΔHf° (H2O)] - [ΔHf° (C3H12)]
ΔHR°= [5×(-94,05) + 6×(-57,80)] - [(-41,39)] = -775,66 Kcal/mol
A continuación se calcula la energía interna (calor intercambiado a volumen
constante) por su relación con la entalpía:
ΔHR° = ΔUR° + Δn×R×T
ΔUR° = ΔHR° - Δn×R×T = (-775660) – (3×1,987×298)
ΔUR° = -777436 Cal/mol = -777,44 kCal/mol
Moles que reaccionan: n (C5H12 ) = 25 g / 72 g/mol = 0,347 moles
Para calcular la cantidad de calor intercambiada a presión constante (ΔHR = Qp) y a
volumen constante (ΔUR = Qv) por los 25 g de pentano (0,347 moles) tendremos que:
Calor a presión constante: Qp = n×ΔHR° = 0,347×(-775,66) = -269,15 kCal
Calor a volumen constante: Qv = n×ΔUR° = 0,347×(-777,44) = -269,77 kCal
b)
es:
Calor utilizado para calentar el agua: 50 % del calor de quemar 25 g de C5H12
Q =0,5×(-Qp)=0,5×269,15=134,575 Kcal = 134.575 Calorias
Se utiliza en calentar agua en estado líquido desde 27°C hasta 100°C y en evaporarla a
100°C, luego el calor invertido es:
Q (agua) = Q (calentar) + Q (cambio estado) = m×c×ΔT + m×Leb
De donde tendríamos que:
BLOQUE V
1.- Cuando se hace reaccionar el 2-Metilbut-2-eno (2-Metil-2-buteno) con el HBr se
obtiene un compuesto que presenta un carbono quiral. Se pide:
a) Indicar de que tipo de reacción se trata, la fórmula de dicho compuesto y nombrarlo.
b) En el compuesto obtenido indicar que especies se formarán si el enlace carbonobromo sufre:
c) Una ruptura homolítica.
d) Un ruptura heterolítica.
Solución.
a) Se trata de una reacción de adición al doble enlace para formar un haluro de alquilo:
H3C
C
CH CH3
+
Br
H3C *C CH2 CH3
HBr
CH3
CH3
2-Bromo-2-Metilbutano
b) Cuando se produce una ruptura homolítica de un enlace el par de electrones de enlace se
comparte entre los dos fragmentos que se obtienen formándose radicales libres.
Br
H3C
C
CH2 CH3
CH3
H3C
C
CH2 CH3
+
Br
CH3
Cuando se produce una ruptura heterolítica el par de electrones del enlace que se rompe se
va con uno de los fragmentos que se originan dando lugar a la formación de dos especies
ionicas.
Br
H3C
C CH2 CH3
H3C
CH3
C
CH2 CH3
+
Br
+
Br
CH3
Br
H 3C
C
CH2 CH3
CH3
H 3C
C CH2 CH3
CH3
2.- En un recipiente de 0,15 litros se introducen 323 mg de un hidrocarburo a la
temperatura de 25 ºC y 1,25 atm de presión. Se procede a la combustión de dicho
hidrocarburo y se obtienen 1,01 g de dióxido de carbono y 414 mg de agua como
productos de dicho proceso. Determinar de qué hidrocarburo se trata y nombrarlo.
Solución.
El primer paso sería obtener la fórmula empírica del hidrocarburo a partir de las especies
que se forman en la combustión. A partir del CO2 obtenemos la cantidad de carbono:
Nº de moles de C = 1,01 g de CO2 x 1 mol CO2 x 1 mol C = 2,3.10-2 moles C
44 g CO2
1 mol CO2
Y a partir del agua obtenemos los moles de Hidrógeno:
1 mol H2O
2 mol H = 4,6.10-2 moles H
Nº de moles de H = 0,414 g de H2O x
x
18 g H2O
1 mol H2O
Por lo tanto la fórmula empírica del hidrocarburo es CH2. A partir de los datos de las
condiciones dadas y haciendo uso de la ecuación de los gases ideales (P.V = n.R.T)
calculamos la masa molecular del compuesto que resulta ser 42,10 g/mol.
La fórmula molecular del compuesto sería (CH 2) x n = 42,10, es decir (12 x 1 + 2 x 1) x n
= 42,10, de donde n = 3, luego la fórmula molecular del compuesto es C 3H6, y esta fórmula
solo puede corresponder al propeno (1-propeno).
BLOQUE VI
1.- Se ha medido la velocidad en la reacción: A + 2B → C a 25 ºC, para lo que se
han diseñado cuatro experimentos, obteniéndose como resultados la siguiente tabla
de valores:
Experimento
[A0] (mol·l–1)
1
2
3
4
0,1
0,2
0,1
0,1
[B0] (mol·l–1)
0,1
0,1
0,3
0,6
v0 (mol·l–1·s–1)
5,5 10-6
2,2 10-5
1,65 10-5
3,3 10-5
Determina los órdenes de reacción parciales y total, la constante de velocidad y la
velocidad cuando las concentraciones de A y B sean ambas 5,0 10–2 M.
Solución:
Comparando el experimento 1 y el 2 vemos que al duplicar [A] manteniendo
constante [B], se cuadruplica “v” lo que lleva a deducir que la reacción es de
segundo orden con respecto a A.
Comparando el experimento 1 y el 3 vemos que al triplicar [B] manteniendo
constante [A], se triplica “v” lo que lleva a deducir que la reacción es de primer
orden con respecto a B.
La ecuación de velocidad será: v = k [A] 2·[B], es decir, su orden de reacción total
será “3”.
v
5,5 · 10-6 mol·l–1·s–1
k = ––––––
=
––––––––––––––––––––
= 5,5 · 10-3 mol–2·l2·s–1
2
–1 2
–1
[A] ·[B] (0,1 mol·l ) ·0,1 mol·l
v = k · [A]2·[B] = 5,5 · 10-3 mol–2·l2·s–1·(0,05 mol·l–1)2·0,05 mol·l–1
v = 6,875 ·10–6 mol·l–1·s–1
2.- Dadas las siguientes proposiciones indicar, justificando la respuesta, cuáles son
verdaderas y cuáles son falsas. Cuando se añade un catalizador a un sistema: a) la
variación de entalpía de la reacción se hace más negativa, es decir, la reacción se
hace más exotérmica y por lo tanto más rápida; b) la variación de energía estándar
de Gibbs se hace más negativa y en consecuencia aumenta su velocidad; c) se
modifica el estado de equilibrio; d) se modifica el mecanismo de la reacción y por
ello aumenta la velocidad de la misma.
Solución:
a)
FALSO, pues la entalpía de la reacción es función de estado y sólo depende
del estado inicial y final del sistema, en donde no aparece el catalizador.
b)
FALSO, pues la energía libre de Gibbs también es función de estado y no
varía por la presencia de catalizadores. Varía la velocidad porque varía la energía de
activación.
c)
FALSO. Los catalizadores no influyen en el equilibrio, pues las constantes del
mismo sólo dependen de las concentraciones o presiones parciales de reactivos y
productos y de los coeficientes estequiométricos de las ecuación global ajustada.
d)
VERDADERO, pues el catalizador cambia el mecanismo por el que
transcurra la reacción, y por tanto Ea, con lo que cambia también la constante de
velocidad, y por tanto la velocidad de la reacción.
BLOQUE VII
1.-Justifique si las siguientes afirmaciones son ciertas o falsas:
a) Un valor negativo de una constante de equilibrio significa que la reacción
inversa es espontánea.
b) Para una reacción exotérmica, se produce un desplazamiento hacia la formación
de productos al aumentar la temperatura.
c) A una reacción a temperatura constante con igual número de moles gaseosos de
reactivos y productos, no se produce desplazamiento del equilibrio si se modifica la
presión.
d) Para una reacción a temperatura constante donde únicamente son gases los
productos, el valor de la constante de equilibrio disminuye cuando disminuimos el
volumen del recipiente.
Solución:
2.- A 400ºC y 10 atm, el amoniaco contenido en un recipiente se encuentra
disociado en sus elementos en un 80 %. Calcule: el valor de la presión en el
recipiente si la disociación fuese del 50 %, sin variar el volumen ni la temperatura.
Datos: R = 0,082 atm·l·mol-1·K-1
Solución:
Equilibrio:
nnic(mol)
nquil(mol)
2 NH3(g)
n0
n0 (1–α)
0,2 n0
ℑ
3 H2(g)
+
0
n0· 3α/2
1,2 n0
ntotal = n0 (1–α) + n0· 3α/2 + n0·α/2 = n0 (1+α) = 1,8 n0
(1,2/1,8)3·(0,4/1,8)
KP = –––––––––––––––
· (10 atm)2 = 533,3 atm2
(0,2/1,8)2
N2(g)
0
n0·α/2
0,4 n0
nquil(mol)
n0 (1–α)
0,5 n0
n0· 3α/2
0,75 n0
n0·α/2
0,25 n0
(0,75/1,5)3·(0,25/1,5)
533,3 atm2 = –––––––––––––––––
· ptotal2 = 0,1875 ptotal2
(0,5/1,5)2
De donde: ptotal = 53,34atm
BLOQUE VIII
1.-Considerando los valores de Ka de los ácidos HCN, C6H5COOH, HClO2 y HF,
conteste razonadamente a las siguientes preguntas:
a) ¿Cuál es el orden de mayor a menor acidez en agua?
b) A igual concentración, ¿cuál de ellos presenta una disolución acuosa con menor
pH?
c) Utilizando el equilibrio de ionización en disolución acuosa ¿cuáles son sus bases
conjugadas?
d) Ordene las bases conjugadas de mayor a menor basicidad.
Datos.- Ka (aproximado): HCN = 10-10,C6H5COOH = 10-5, HClO2 =10-2, HF= 10-4
Solución:
2.-Una disolución acuosa de ácido acético 0,01 M está ionizada en un 4,2 %.
Calcula:
a) Su constante de ionización.
b) ¿Qué concentración de ácido clorhídrico hay que preparar para tener un pH
igual al de la disolución problema?
BLOQUE IX
1.- El aluminio se obtiene por electrólisis de su óxido, Al 2O3, fundido. El cátodo es
un electrodo de aluminio y el ánodo un electrodo de carbón (grafito), que se
consume durante el proceso. Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:
Reacción anódica: C (s) + 2 O2- → CO2 (g) + 4 e-.
Reacción catódica: Al3+ + 3 e- → Al (s).
a) ¿Qué cantidad de electricidad es necesaria para obtener 10 Kg de aluminio?
b) ¿Cuánto pesa el grafito consumido para obtener los 10 Kg de aluminio?
DATOS: (Al) = 27 u; (C) = 12 u; 1 F = 96500 C mol–1.
2.-Una muestra de 20 g de latón (aleación de cinc y cobre) se trata con ácido
clorhídrico, desprendiéndose 2,8 litros de hidrógeno gas medidos a 1 atm y 25 ºC.
a) Formule y ajuste la reacción o reacciones que tienen lugar.
b) Calcule la composición de la aleación, expresándola como % en peso.
Datos: R = 0,082 atm·l·K–1·mol–1; E0(Zn2+/Zn) = –0,76 V; E0(Cu2+/Cu) = +0,34 V;
E0(H+/H2) = 0,00 V; (Cu) = 63,54 u; (Zn) = 65,38 u
Solución:
a) Ánodo (oxidación): Zn(s) – 2 e– → Zn2+(ac);
Cátodo (reducción): 2 H+(ac) + 2 e– → H2(g)
Reac. Global: Zn + 2 HCl → H2(g) + ZnCl2;
El Cu no se oxida con H+ pues tiene un potencial de reducción positivo.
Tampoco se puede reducir con el H2 desprendido en la reacción anterior,
puesto que ya está en estado reducido.
b)
p·V
1 atm · 2,8 L
n = –––– = –––––––––––––––––––––––
= 0,115 mol de H2
R · T 0,082 atm·l·K–1·mol–1 · 298 K
65,38 g
1 mol
7,49 g
––––––– = –––––––– ⇒ m(Zn) = 7,49 g; % (peso) = –––––– · 100 = 37,46 % de Zn
m(Zn)
0,115 mol
20 g
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