PAU Química Jun 2007

PAAU (LOXSE)
Xuño 2007
Código: 31
QUÍMICA
CALIFICACIÓN: CUESTIONES =2 PUNTOS CADA UNA; PROBLEMAS: 2 PUNTOS CADA UNO; PRÁCTICA: 2 PUNTOS
CUESTIONES (Responda SOLAMENTE a DOS de las siguientes cuestiones)
1.
Escriba las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo (indicando el tipo de proceso que
ocurre) y calcule la fuerza electromotriz de la siguiente pila: Cd(s)|Cd2+(aq, l M)||Ag+(aq, l M)|Ag(s).
Datos: Eº (Cd2+/Cd)= -0,40V; Eº (Ag+/Ag)= +0,80V.
2.
Considere la familia de los elementos alcalinos. (a) ¿Cuál es la configuración electrónica más externa
común para estos elementos? (b) ¿Cómo varía el radio atómico en el grupo y por qué? Justifique las
respuestas.
3.
(a) Al comparar dos moléculas muy similares: CO2 y H2O se observa que en la primera el momento
dipolar es cero, mientras que en la segunda no lo es. Justifíquelo de forma razonada. (b) Explique
brevemente por qué muchas reacciones endotérmicas transcurren espontáneamente a altas temperaturas.
PROBLEMAS (Responda SOLAMENTE a DOS de los siguientes problemas)
1.
A la temperatura de 35 ºC disponemos, en un recipiente de 310 cm3 de capacidad, de una mezcla
gaseosa que contiene 1,660 g de N2O4 en equilibrio con 0,385 g de NO2. (a) Calcule la Kc de la reacción
de disociación del tetróxido de dinitrógeno a la temperatura de 35 ºC. (b) A 150 ºC, el valor numérico de
Kc es de 3,20. ¿Cuál debe ser el volumen del recipiente para que estén en equilibrio 1 mol de tetróxido y
dos moles de dióxido de nitrógeno?.
Dato: R=0,082 atm·L/K·mol
2.
(a) Calcule el calor de formación del acetileno (C2H2 (g)) a partir de los calores de formación del H2O (l)
y del CO2 (g) y del calor de combustión del C2H2 (g) (b) ¿Qué volumen de dióxido de carbono medido a
30 ºC y presión atmosférica (1 atm) se generará en la combustión de 200 g de acetileno?.
Datos: R=0,082 atm·L/K·mol
Datos: ΔHf0 (H2O)(l)) = -285,8 kJ/mol; ΔHf0 (CO2(g)) = -393,31 kJ/mol; ΔHc0 (C2H2(g)) = -1300 kJ/mol
3.
El cloruro de plata es una sal poco soluble y su constante de producto de solubilidad vale 1,8·10-10.
(a) Escriba la ecuación química del equilibrio de solubilidad de esta sal y deduzca la expresión para la
constante del producto de solubilidad (b) Determine la máxima cantidad de esta sal, expresada en
gramos, que puede disolverse por litro de disolución.
PRÁCTICAS (Responda SOLAMENTE a UNA de las siguientes prácticas)
1.
Nombre el material de laboratorio que se muestra en la figura, indicando brevemente para qué se utiliza
en el laboratorio.
2.
Explique cómo determinaría en el laboratorio la concentración de una disolución de ácido clorhídrico
utilizando una disolución de hidróxido de sodio 0,01M. Indique el material, procedimiento y
planteamiento de los cálculos.
Soluciones
CUESTIONES
1. Escriba las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo (indicando el tipo de proceso
que ocurre) y calcule la fuerza electromotriz de la siguiente pila:
Cd(s)|Cd2+(aq, l M)||Ag+(aq, l M)|Ag(s).
Datos: Eº (Cd2+/Cd)= -0,40V; Eº (Ag+/Ag)= +0,80V.
Rta.: ánodo (oxidación): Cd → Cd 2+ + 2 e ; cátodo (reducción): Ag+ + e → Ag ; E0 = 1,20 V
▲
►
2. Considere la familia de los elementos alcalinos.
(a) ¿Cuál es la configuración electrónica más externa común para estos elementos?
(b) ¿Cómo varía el radio atómico en el grupo y por qué? Justifique las respuestas.
Rta.: a) n s1 (n: período) b) aumenta hacia abajo porque el radio de los orbitales aumenta con el número
cuántico principal que corresponde al período. ◄ ▲ ►
3. (a) Al comparar dos moléculas muy similares: CO2 y H2O se observa que en la primera el momento
dipolar es cero, mientras que en la segunda no lo es. Justifíquelo de forma razonada. ◄ ▲ ►
Solución:
: :
La electronegatividad mide la tendencia que tiene un átomo a atraer hacia sí el par de electrones del enlace y
la resistencia a dejarlos marchar. El elemento más electronegativo es el flúor y después el oxígeno.
Como el oxígeno es mucho más electronegativo que el carbono y que el hidrógeno, tanto el enlace C+δ → O–δ
como el H+δ → O–δ serán polares. La diferencia está en la forma de las moléculas.
La molécula de CO2 es lineal. La T.R.P.E.C.V. lo explica porque el átomo central de carbono sólo está unido
a dos átomos de oxígeno y no tiene pares electrónicos no enlazantes, como se ve en el diagrama electrónpunto de Lewis: :Ö::C::Ö: La repulsión entre los electrones de los enlaces explica una disposición lineal con
ángulo de 180º. Como el momento dipolar se puede representar por un vector, la resultante de los vectores
dipolares O–δ ← C+δ → O–δ de igual valor y sentidos opuestos es nula. La molécula de CO2 es apolar.
La molécula de H2O es angular con un ángulo de 105º. La T.R.P.E.C.V. lo explica porque el átomo central
de oxígeno está unido a dos átomos de hidrógeno y tiene dos pares electrónicos no enlazantes, como se ve en
el diagrama electrón-punto de Lewis: H:O:H
La repulsión entre los electrones de los enlaces y los de los pares no enlazantes explica una disposición casi
tetraédrica entre los pares de electrones con un ángulo H–O–H algo menor de 109,5º. Como el momento
+δ
O
-δ
H
molécula de H2O es polar.
no es nula. La
µ
dipolar se puede representar por un vector, la resultante de los vectores dipolares H
+δ
3. (b) Explique brevemente por qué muchas reacciones endotérmicas transcurren espontáneamente
a altas temperaturas.
◄ ▲ ►
Solución:
El criterio de espontaneidad de una reacción química viene dado por el signo de la entalpía libre o energía libre
de Gibbs ∆G:
∆G = ∆H – T∆S
donde ∆H es la variación de entalpía del proceso y ∆S la variación de entropía.
Un proceso es espontáneo si ∆G < 0.
Si la reacción es endotérmica,
∆H > 0
por lo que si la temperatura es muy baja, el segundo término apenas influye y
∆G > 0
que indica que el proceso no será espontáneo.
Pero si la variación de entropía del proceso es positiva, y la temperatura lo suficientemente alta para que
T∆S > ∆H
sería
∆G < 0
y el proceso sería espontáneo.
PROBLEMAS
1. A la temperatura de 35 0C disponemos, en un recipiente de 310 cm3 de capacidad, de una mezcla
gaseosa que contiene 1,660 g de N2O4 en equilibrio con 0,385 g de NO2.
a) Calcule la Kc de la reacción de disociación del tetróxido de dinitrógeno a la temperatura de 35 ºC.
b) A 150 ºC, el valor numérico de Kc es de 3,20. ¿Cuál debe ser el volumen del recipiente para que
estén en equilibrio 1 mol de tetróxido y dos moles de dióxido de nitrógeno?
Dato: R = 0,082 atm·L/K·mol
Rta.: a) KC = 0,0125; b) V = 1,25 dm3
◄ ▲ ►
Datos
Cifras significativas: 3
volumen
V = 310 cm3 = 0,310 L
temperatura apartado a)
T = 35 0C = 308 K
masa en el equilibrio N2O4 a 35 0C
me(N2O4) = 1,660 g N2O4
masa en el equilibrio NO2 a 35 C
me(NO2) = 0,385 g NO2
0
constante del equilibrio KC a 150 0C
K'C = 3,20
cantidad en el equilibrio N2O4 a 150 C
ne(N2O4) = 1,00 mol N2O4
cantidad en el equilibrio NO2 a 150 0C
ne(NO2) = 2,00 mol NO2
0
Incógnitas
constante del equilibrio KC a 35 0C
KC
volumen del recipiente
V
Otros símbolos
cantidad de una sustancia X
n(X)
Ecuaciones
cantidad (número de moles)
n=m/M
concentración de la sustancia X
[X] = n(X) / V
constante del equilibrio: a A + b B ⇄ c C + d D
K C=
[C]ce [ D]de
a
b
[ A]e [ B]e
Solución:
La ecuación química es:
N2O4 (g) ⇄ 2 NO2 (g)
La expresión de la constante de equilibrio:
[ NO 2 ]2e
K C=
[ N2 O 4 ]e
Las concentraciones de las especies en el equilibrio son:
[ NO2 ]e=
[ N 2 O 4 ]e=
0,385g NO2 1 mol NO 2
=0,0270 mol/ dm3
3 46,0 g NO
0,310dm
2
1,660 g N2 O 4 1 mol N 2 O4
3
=0,0582 mol/ dm
3
0,310 dm 92,0 g N2 O 4
y el valor de la constante de equilibrio a 35 0C es
K C=
[ NO 2 ]2e 0,0272
=
=0,0125
[ N2 O 4 ]e 0,0582
b) Al variar la temperatura, varía la constante de equilibrio. Volviendo a escribir la expresión de la constante a la
temperatura de 150 0C
2
 
 
2,00
[ NO ]
V
4,00
K ' C=3,20=
=
=
[ N 2 O4 ]e
V
1,00
V
2
2 e
de donde:
V = 4,00 / 3,20 = 1,25 dm3
2. (a) Calcule el calor de formación del acetileno (C2H2 (g)) a partir de los calores de formación del
H2O (l) y del CO2 (g) y del calor de combustión del C2H2 (g)
(b) ¿Qué volumen de dióxido de carbono medido a 30 ºC y presión atmosférica (1 atm) se generará
en la combustión de 200 g de acetileno?.
Datos: R=0,082 atm·L/K·mol
Datos: ΔHf0 (H2O)(l)) = -285,8 kJ/mol; ΔHf0 (CO2(g)) = -393,31kJ/mol; ΔHc0 (C2H2(g)) = -1300 kJ/mol.
Rta.: a) ΔHf0 (C2H2) = 228 kJ/mol C2H2 ; b) V = 382 L CO2
◄ ▲ ►
Datos
Cifras significativas: 4
C2H2 (g) + 5/2 O2 (g) → 2 CO2 (g) + H2O (l)
ΔHc0 (C2H2) = –1 300 kJ/mol
C (graf.) + O2 (g) → CO2 (g)
ΔHf0 (CO2) = –393,3 kJ/mol
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l)
ΔHf0 (H2O(l)) = –285,8 kJ/mol
masa de acetileno
m = 200 g C2H2
presión a la que se mide el volumen de CO2
P = 1 atm
temperatura a la que se mide el volumen de CO2
T = 30 0C = 303 K
Incógnitas
calor molar de formación del acetileno
ΔHc0 (C2H2)
Datos
Cifras significativas: 4
volumen de CO2 a 30 C y 1 atm generado al quemar 200 g de acetileno
0
V
Otros símbolos
cantidad de sustancia (número de moles)
n
Ecuaciones
ley de Hess
ΔH0 = ΔH0PRODUC – ΔH0REACTIV
Solución:
a) Ecuación de combustión del acetileno:
C2H2 (g) + 5/2 O2 (g) → 2 CO2 (g) + H2O (g)
ΔHc0 = –1 300 kJ/mol
Ecuaciones de formación:
2 C (graf.) + H2 (g) → C2H2 (g) ∆Hf0(C2H2)
C (graf.) + O2 (g) → CO2 (g)
∆Hf0 (CO2) = –393,31 kJ/mol
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l)
∆Hf0 (H2O) = –285,8 kJ/mol
Por la ley de Hess,
∆Hc0 (C2H2) = 2 ∆Hf0(CO2) + ∆Hf0(H2O) – (∆Hf0(C2H2) + 5/2 ∆Hf0(O2) )
–1 300 kJ = (2 [mol CO2] (–393,3 [kJ/mol CO2] – 285,8 [kJ])) – (∆Hf0(C2H2))
∆Hf0(C2H2) = 228 kJ/mol C2H2
b) De la estequiometría de la reacción:
n CO2 =200 g C2 H 2
1 mol C2 H 2 2 mol CO2
=15,4 mol CO2
26,0 g C2 H2 1 mol C 2 H2
Suponiendo comportamiento ideal para el CO2:
P·V=n·R·T
V=
−1
−1
n · R·T 15,4 mol CO 2 · 0,082atm ·L · K · mol 27330K
=
=382 L CO2
P
1 atm
3. El cloruro de plata es una sal poco soluble y su constante de producto de solubilidad vale
1,8·10-10.
a) Escriba la ecuación química del equilibrio de solubilidad de esta sal y deduzca la expresión para
la constante del producto de solubilidad
b) Determine la máxima cantidad de esta sal, expresada en gramos, que puede disolverse por litro
de disolución.
Rta.: b) m = 1,92 ×10-3 g AgCl / L D
◄ ▲ ►
Datos
Cifras significativas: 2
producto de solubilidad del AgCl
Ks = 1,8×10-10
Incógnitas
máxima masa de AgCl, que puede disolverse por litro de disolución.
s'
Otros símbolos
concentración (moles/L) en de AgCl en agua
s
Ecuaciones
producto de solubilidad del equilibrio: BbAa (s) ⇄ b Ba+ (aq) + a Ab- (aq)
Ks = [Ab-]a [Ba+]b
Solución:
a) El equilibrio de solubilidad es
AgCl (s) ⇄ Ag+ (aq) + Cl– (aq)
AgCl
⇄
[ ]eq mol/L
Ag+
Cl–
s
s
La constante de equilibrio Ks es:
Ks = [Ag+] [Cl–] = s · s = s2
b) Como la solubilidad s es la concentración de la disolución saturada, o lo que es lo mismo, la máxima
cantidad de sal, que puede disolverse por litro de disolución
s= 1,8×10
−10
−5
=1,3×10 mol AgCl / L D
Pasando los moles a gramos
−5
s' =1,3×10 mol AgCl / L D
143 g AgCl
−3
=1,92×10 g AgCl /L D
1 mol AgCl
PRÁCTICAS
1. Nombre el material de laboratorio que se muestra en la figura, indicando brevemente para qué se
utiliza en el laboratorio. ◄ ▲ ►
Solución:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Matraz erlenmeyer: contener líquidos o disoluciones, p. ej. en las valoraciones ácido-base.
Balón de fondo redondo: destilación.
Pipeta: medida de volúmenes de líquidos o disoluciones, p. ej. en las valoraciones ácido-base.
Bureta: medida de volúmenes de líquidos o disoluciones, p. ej. en las valoraciones ácido-base.
Probeta: medida de volúmenes de líquidos o disoluciones, p. ej. en la práctica de dilución.
Embudo: soportar un filtro, p. ej. en la filtración.
Vidrio de reloj: pesada de sólidos, , p. ej. en la práctica de medida del calor de disolución.
Vaso de precipitados: contener líquidos o disoluciones. (No se usa para medir), P.ej. en la práctica de
precipitación.
9. Nuez con pinza: para sujetar objetos, p. ej. buretas en las valoraciones.
10. Tubo de ensayo: contener pequeños volúmenes de líquidos o disoluciones y hacer pruebas, p. ej.
disolución de precipitados.
2. Explique cómo determinaría en el laboratorio la concentración de una disolución de ácido
clorhídrico utilizando una disolución de hidróxido de sodio 0,01M. Indique el material, procedimiento
y planteamiento de los cálculos.
◄ ▲
Solución:
Se llena una bureta de 25 cm3 con la disolución de HCl por encima del cero y se abre la llave hasta que la
disolución alcance el cero.
Se miden con otra pipeta 10,00 cm3 de disolución de NaOH 0,01 mol/dm3. Se pasan a un matraz erlenmeyer
y se le añaden dos gotas de disolución de fenolftaleína. La disolución debe tomar una color rosa.
Se coloca el erlenmeyer sobre un papel blanco que resalte el color rosa de la disolución y se coloca debajo de
la bureta que contiene el HCl. Se abre la llave dejando caer el HCl en el erlenmeyer en chorros y se agita
hasta que el color rosa desaparezca. Se anota el valor del volumen de HCl gastado.
Se tira el contenido del erlenmeyer y se lava. Se vuelven a medir con la pipeta 10,00 cm3 del NaOH y se
vierten en el erlenmeyer, añadiéndole dos gotas de fenolftaleína. Se vuelve a llenar la bureta con HCl diluido
y se pone a cero.
Se coloca el erlenmeyer bajo la bureta y se abre la llave hasta un cm3 menos que el volumen gastado la
primera vez. Se agita el erlenmeyer y se deja gotear el clorhídrico, removiendo continuamente, hasta que el
color rosa desaparezca. Se anota este valor como V1.
Se repite el proceso otras dos veces tomando volúmenes V2 y V3. Si los tres valores son lo suficientemente
próximos (±0,2 cm3) se halla el valor medio. Si no, se desprecia el más alejado y se toma la media de los
otros dos. Vm.
La concentración del HCl se calcula por estequiometría. Al reaccionar el clorhídrico con el hidróxido de
sodio, mol a mol, la cantidad de clorhídrico que reacciona es la misma que la del hidróxido de sodio
HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl(aq) + H2O
[HCl ]=
n HCl
n
V [ NaOH ] V m · 0,01000
= NaOH = m
=
=V m mol HCl /dm 3 D
3
V D HCl V D HCl
V D HCl
0,01000dm
donde Vm es el volumen medio gastado de clorhídrico en dm3.
Cuestiones y problemas de las Pruebas de Acceso a la Universidad (P.A.U.) en Galicia.
Respuestas y composición de Alfonso J. Barbadillo Marán, [email protected], I.E.S. Elviña, La Coruña