UNIVERSIDADES PÚBLICAS DE LA COMUNIDAD DE MADRID PRUEBA DE ACCESO A ESTUDIOS UNIVERSITARIOS (LOGSE) Curso 2006-2007 MATERIA: QUÍMICA INSTRUCCIONES GENERALES Y VALORACIÓN La prueba consta de dos partes. En la primera parte se propone un conjunto de cinco cuestiones de las que el alumno resolverá únicamente tres. La segunda parte consiste en dos opciones de problemas, A y B. Cada una de ellas consta de dos problemas; el alumno podrá optar por una de las opciones y resolver los dos problemas planteados en ella, sin que pueda elegir un problema de cada opción. Cada cuestión o problema puntuará sobre un máximo de dos puntos. No se contestará ninguna pregunta en este impreso. TIEMPO: una hora y treinta minutos PRIMERA PARTE Cuestión 1. Dados los siguientes elementos: F, P, Cl y Na. a) Indique su posición (periodo y grupo) en el sistema periódico. b) Determine sus números atómicos y escriba sus configuraciones electrónicas. c) Ordene razonadamente los elementos de menor a mayor radio atómico. d) Ordene razonadamente los elementos en función de su primera energía de ionización. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Cuestión 2. En una reacción química del tipo 3A(g) → A3(g) disminuye el desorden del sistema. El diagrama entálpico del proceso se representa en el siguiente esquema: a) ¿Qué signo tiene la variación de entropía de la reacción? b) Indique razonadamente si el proceso indicado puede ser espontáneo a temperaturas altas o bajas. c) ¿Qué signo debería tener ∆H de la reacción para que ésta no fuera espontánea a ninguna temperatura? Puntuación máxima por apartado: 0,5 apartado a); 0,75 apartados b) y c). Química. 2º Bachillerato Cuestión 3. La velocidad de la reacción A + 2B → C en fase gaseosa solo depende de la temperatura y de la concentración de A, de tal manera que si se duplica la concentración de A la velocidad de reacción también se duplica. a) Justifique para qué reactivo cambia más deprisa la concentración. b) Indique los órdenes parciales respecto de A y B y escriba la ecuación cinética. c) Indique las unidades de la velocidad de reacción y de la constante cinética. d) Justifique cómo afecta a la velocidad de reacción una disminución de volumen a temperatura constante. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Cuestión 4. En una disolución en medio ácido, el ion MnO4- oxida al H2O2, obteniéndose Mn2+, O2 y H2O. a) Nombre todos los reactivos y productos de la reacción, indicando los estados de oxidación del oxígeno y del manganeso en cada uno de ellos. b) Escriba y ajuste las semirreacciones de oxidación y reducción en medio ácido. c) Ajuste la reacción global. d) Justifique, en función de los potenciales dados, si la reacción es espontánea o no en condiciones estándar. Datos: Eº (MnO4- / Mn2+) = 1,51V; Eº (O2/H2O2)= 0,70V Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Cuestión 5. Dadas las fórmulas siguientes: CH3OH, CH3CH2COOH, CH3COOCH3 y CH3CONH2 a) Diga cuál es el nombre del grupo funcional presente en cada una de las moléculas. b) Nombre todos los compuestos. c) Escriba la reacción que tiene lugar entre CH3OH y CH3CH2COOH. d) ¿Qué sustancias orgánicas (estén o no entre las cuatro anteriores) pueden reaccionar para producir CH3COOCH3? Indique el tipo de reacción que tiene lugar. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Química. 2º Bachillerato SEGUNDA PARTE OPCIÓN A Problema 1. El pH de un zumo de limón es 3,4. Suponiendo que el ácido del limón se comporta como un ácido monoprótico (HA) con constante de acidez Ka = 7,4·10–4, calcule: a) La concentración de HA en ese zumo de limón. b) El volumen de una disolución de hidróxido sódico 0,005 M necesaria para neutralizar 100 ml del zumo de limón. Puntuación máxima por apartado: 1,0 punto. Problema 2. La electrólisis de una disolución acuosa de sulfato de cobre (II) se efectúa según la reacción iónica neta siguiente: 2Cu2+ (ac) + 2H2O (l) → 2Cu (s) + O2 (g) + 4H+ (ac) Calcule: a) La cantidad (en gramos) que se necesita consumir de sulfato de cobre (II) para obtener 4,1 moles de O2. b) ¿Cuántos litros de O2 se han producido en el apartado anterior a 25 ºC y 1 atm de presión? c) ¿Cuánto tiempo es necesario (en minutos) para que se depositen 2,9 g de cobre con una intensidad de corriente de 1,8 A? Datos: R = 0,082 atm·L·mol─1·K─1 ; Faraday = 96485 C·mol─1Masas atómicas: Cu=63,5; S=32; O=16 Puntuación máxima por apartado: a) y c) 0,75 puntos; b) 0,5 puntos. OPCIÓN B Problema 1. A temperatura elevada, un mol de etano se mezcla con un mol de vapor de ácido nítrico que reaccionan para formar nitroetano (CH3CH2NO2) gas y vapor de agua. A esa temperatura, la constante de equilibrio de dicha reacción es Kc = 0,050. a) Formule la reacción que tiene lugar. b) Calcule la masa de nitroetano que se forma. c) Calcule la entalpía molar estándar de la reacción. Química. 2º Bachillerato d) Determine el calor que se desprende o absorbe hasta alcanzar el equilibrio. Datos: Masas atómicas: H = 1, C = 12, N = 14, O = 16. ─1 ∆H of (kJ·mol ) Etano (g) Ác. nítrico (g) Nitroetano (g) Agua (g) –124,6 –164,5 –236,2 –285,8 Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Problema 2. Una muestra impura de óxido de hierro (III) (sólido) reacciona con un ácido clorhídrico comercial de densidad 1,19 g·cm-3, que contiene el 35% en peso del ácido puro. a) Escriba y ajuste la reacción que se produce, si se obtiene cloruro de hierro (III) y agua. b) Calcule la pureza del óxido de hierro (III) si 5 gramos de este compuesto reaccionan exactamente con 10 cm3 del ácido. c) ¿Qué masa de cloruro de hierro (III) se obtendrá? Datos. Masas atómicas: Fe = 55,8; O = 16; H = 1; Cl = 35,5. Puntuación máxima por apartado: a) y c) 0,5 puntos; b) 1,0 punto. SOLUCIONES: PRIMERA PARTE Cuestión 1. a) Para el flúor (F): Pertenece al periodo 2 y al grupo 17. El fósforo (P): Pertenece al periodo 3 y al grupo 15. El cloro (Cl): Pertenece al periodo 3 y al grupo 17. El sodio (Na): Pertenece al periodo 3 y al grupo 1. b) El flúor (F) tiene de nº atómico (Z=9) y su configuración electrónica es :1s22s22p5 El fósforo (P) tiene de nº atómico (Z=15) y su configuración electrónica es: 1s22s22p63s23p3. Química. 2º Bachillerato El cloro Cl) tiene de nº atómico (Z=17) y su configuración electrónica es: 1s22s22p63s23p5. El sodio (Na) tiene de nº atómico (Z=11) y su configuración electrónica es: 1s22s22p63s1. c) En cuanto al radio atómico sabemos que disminuye en un periodo al desplazarnos hacia la derecha en el S.P. y aumenta al descender dentro de un grupo, por tanto, en nuestro caso: F < Cl < P < Na. d) La primera energía de ionización aumenta en un mismo periodo al desplazarnos hacia la derecha y disminuye en un grupo al desplazarnos hacia abajo, es decir varía de forma inversa al radio atómico, por tanto, en nuestro caso tendremos: Na<P<Cl<F. Cuestión 2. a) Como podemos ver en el diagrama, la entalpía de los productos es menor que la entalpía de los reactivos, por tanto, se trata de un proceso exotérmico, ∆H<0. b) Para saber si el proceso es espontáneo deberemos determinar el signo de ∆G (energía libre de Gibbs), siendo ∆G = ∆H - T∆S. Como en la reacción aumenta el orden, entonces la variación de entropía será: ∆S<0 y como ∆H<0 por tanto para que ∆G<0 la temperatura tiene que ser baja de forma que se cumpla: ∆H > T ·∆S . c) Para que la reacción no sea espontánea ∆G>0 y como ∆G = ∆H - T∆S, y además el segundo término de esa expresión es positivo lo que conlleva que ∆H>0, es decir que el proceso sea endotérmico. Química. 2º Bachillerato Cuestión 3. a) Si nos fijamos en la reacción vemos que por cada mol consumido de A se consumen 2 moles de B , por tanto el reactivo que cambia más deprisa será B. b) La expresión de la velocidad de esta reacción será: v = k [ A ] [B] , como nos α β dice que sólo depende de [A] por tanto β=0 y si la concentración de [A] se duplica la velocidad también se duplica, entonces α=1. Es decir, el orden de la reacción respecto de A será de orden 1 y respecto de B de orden 0. c) La expresión de la velocidad de reacción será: v = k [ A] , por tanto las mol L unidades de la constante k será: [ k ] = velocidad que siempre es la misma [v ] = [ A] seg mol L = 1 = seg−1 y para la seg mol L =mol·L-1·s−1 . seg d) Si nos fijamos en la expresión de v vemos que esta es proporcional a la concentración de A, al disminuir el volumen la concentración de A aumenta, lo que hace que la velocidad aumente en la misma proporción. Cuestión 4. a) Escribamos la reacción iónica (sin ajustar) para poder nombrar cada uno de los cada una de las sustancias presentes. MnO4- + H2O2 + H+ (medio ácido) → Mn2+ + O2 + H2O. Sus nombres son: MnO4- : Ion permanganato H2O2: peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) H+ : protón Mn2+ : catión manganoso O2: oxigeno molecular y H2O: agua. Química. 2º Bachillerato Los números de oxidación son: Manganeso: en el ion MnO4- será de +7 y el del catión Mn2+ será de +2. Oxigeno: en el ion MnO4- será de -2; en el H2O2 será de -1; en el O2 será 0; y en el agua será de -2. b) Semirreacción de reducción: MnO4-+8 H+ +5 e- →Mn2+ + 4 H2O Semirreacción de oxidación: H2O2 → O2 + 2H+ + 2ePodría el H2O2 pasado a agua pero como nos dice que se oxida esta suposición no ocurrirá ya que en ese caso el nº de oxidación hubiese disminuido de -1 a -2 y no se habría oxidado sino reducido. c) La reacción global será: (MnO4-+8 H+ +5 e- →Mn2+ + 4 H2O) ·2 (H2O2 → O2 + 2H+ + 2e-) ·5 ------------------------------------------------------------------------------------------2 MnO4-+ 5 H2O2 + 6 H+ → 2 Mn2+ + 5 O2 + 8 H2O d) Para deteminar la espontaneidad de la reacción tendremos que calcular la fem de la pila que se puede formar con los pares redox del proceso, ya que ∆Gº = -n·F·Eº, por tanto si Eº>0 entonces ∆Gº<0 y la reacción será espontánea. MnO4-+8 H+ +5 e- → Mn2+ + 4 H2O H2O2 → O2 + 2H+ + 2e- Eº= 1,51 V Eº = -0,70 V ----------------------------------------------------------------Eº = 0,81 V por tanto ∆Gº<0 y la reacción será espontánea. Cuestión 5. a) CH3OH, CH3CH2COOH, CH3COOCH3 y CH3CONH2 los grupos funcionales respectivos son: grupo hidroxilo -OH; grupo carboxilo –COOH; grupo –COOgrupo ester; grupo amida –CONH2. Química. 2º Bachillerato b) CH3OH metanol; CH3CH2COOH ácido propanoico; CH3COOCH3 etanoato de metilo; CH3CONH2 etanamida. c) La reacción será: CH3CH2COOH + CH3OH→ CH3CH2COOCH3 + H2O El nombre de esta reacción es esterificación, ácido + alcohol → ester + agua d) El compuesto pedido se puede obtener con la reacción anterior: CH3COOH + CH3OH→CH3COOCH3 + H2O Los compuestos pedidos serán: CH3COOH: Ácido etanoico (Ácido acético). CH3OH: metanol. SEGUNDA PARTE OPCIÓN A Problema 1 a)Expresemos la ecuación del equilibrio del ácido monoprótico HA. HA + H 2 O ⇔ A − + H 3 O + Concentración inicial C 0 0 Concentración final x x C-x x = [H3O+]=10-pH =10-3,4 =3,98·10-4 moles/L. Utilizando la expresión de la constante de acidez: [A ][· H O ] = − Ka = + 3 [HA] x· x ; C−x (3,98·10 ) −4 2 7,4·10 − 4 = C − 3,98·10 − 4 Operando sale: C = 6,12·10-4 moles/L. b) La reacción de neutralización será: HA + Na OH →A Na + H2 O y por tanto podremos decir, al ser la proporción mol a mol: VÁcido·MÁcido = Vbase· Mbase Química. 2º Bachillerato 0,1·6,12·10-4 = Vbase·0,005 ; Vbase= 1,224·10-3L= 12,24 ml. Problema 2 La reacción es: 2Cu2+ (ac) + 2H2O (l) →2Cu (s) + O2 (g) + 4H+ (ac) Utilizando factores de conversión: a) 4,1 moles de O 2 · 2molesdeCuSO4 159.5 gCuSO4 · = 1307,9 g de Cu SO4 1molO2 1molCuSO4 Teniendo en cuenta la ecuación de estado de los gases: PNV = n·R·T , b) el volumen de esos 4,1 moles de O2 será: V = n· R·T 4,1·0,082·298 = = 100,19 L P 1 El proceso de reducción de Cu2+ a Cu metálico que tendrá lugar en el c) cátodo será: Cu2+ + 2e- →Cu m= t= M atómica I ·t · n º deelectrones 96485 ; si despejamos el tiempo n·m( g )·96485 2·2,9·96485 = = 4896 seg = 81,6 min M a ·I 63,5·1,8 OPCIÓN B Problema 1. a) La reacción que tiene lugar ajustada CH 3CH 3 ( g ) + HNO3 ( g ) → CH 3 CH 2 NO2 ( g ) + H 2 O ( g ) b) CH 3CH 3 ( g ) + HNO3 ( g ) → CH 3CH 2 NO2 ( g ) + H 2 O ( g ) Moles iniciales 1 mol 1mol 0 0 Moles equilibrio 1-x 1-x x x Las concentraciones en el equilibrio serán: [CH3CH3]= 1− x 1− x x x ;[HNO3]= ; [CH3CH2NO2]= ; [H2O]= V V V V Química. 2º Bachillerato será: Usando la expresión de la constante de equilibrio: x 2 [CH 3 CH 2 NO 2 ][· H 2 O] = (V ) Kc = [CH 3CH 3 ][· HNO3 ] (1 − x ) 2 = x2 x =( 1− x 1− x )2 = 0,050 V Resolviendo esta ecuación y teniendo en cuenta que la solución negativa no tiene significado físico: x 0,224 = 0,050 = 0,224; x = 0,224 − 0,224 x ⇒ 1,224 x = 0,224 ⇒ x = = 0,183moles 1− x 1,224 Por tanto la masa de nitroetano será: 75 g 0,183moles· = 13,725 g 1mol c) Para el calculo de la entalpía de reacción, y teniendo en cuenta que nos dan como datos las entalpías de formación estándar. ∆H º R = ∑ n p ·∆H º f ( productos ) − ∑ nr ·∆H º f ( reactivos ) =- 236,2 − 285,8 − (−124,6 − 164,5) = −232,9kJ / mol d) Teniendo en cuenta la entalpía de reacción y que para alcanzar el equilibrio han reaccionado 0,183 moles de cada uno de los reactivos, tendremos que se desprenderán (proceso exotérmico): 0,183moles·( −232,9) kJ = −42,62kJ mol Problema 2. a) Fe2 O3 ( s ) + 6 HCl (ac) → 2 FeCl3 ( s) + 3H 2 O (l ) . b) Calculemos la molaridad de la disolución de ácido clorhídrico: 1,19 gdisolución 1000cm 3 35 gHCl 1molHCl moles · · · = 11,41 3 1L 100 gdisolución 36,5 gHCl L cm Por tanto el nº de moles de HCl contenidos en 10cm3 será: 11,41 moles ·0,01L = 0,1141moles L Química. 2º Bachillerato Calculemos el nº de gramos de Fe2O3 que se necesitan para obtener los moles anteriores: 0,1141molesHCl 1molFe2 O3 159,6 g · = 3gFe 2 O3 6molesHCl 1molFe2 O3 Y como partíamos de 5 g de Fe2O3 (no puros), la riqueza de este óxido será: 5 gnopuros 100nopuros = ⇒ x = 60% 3 gpuros x c) 0,1141molesHCl Química. 2º Bachillerato 2molFeCl3 162,3 g · = 6,17 gFeCl3 6molesHCl 1molFeCl 3