Soluciones

PROBLEMA 1. (20 PUNTOS)
El azul de bromotimol es un indicador ácido-base. Cuando en la disolución hay un 90.9%, o
más, de la forma molecular no ionizada, la disolución es claramente de color amarillo. En
cambio, es suficiente la presencia de un 80.0% de la forma ionizada para que la disolución sea
claramente de color azul.
a) Determine el intervalo de pH para el viraje del color del indicador.
b) Si se mezclan 20 ml de ácido clorhídrico 0.03 M con 50 ml de hidróxido sódico 0.01 M
y se le añaden unas gotas del indicador azul de bromotimol, indique razonadamente cual
será el color de la disolución.
Dato: La constante de acidez del azul de bromotimol es, a 25ºC, K a =1.0 ⋅ 10-7 .
Solución:
a) El azul de bromotimol es un ácido débil. Sea ABH su forma no ionizada y AB- su base
conjugada. Al disolver azul de bromotimol en agua se produce el siguiente equilibrio químico
de disociación del ácido:
ABH + H2O
amarillo
En el equilibrio se cumple:
Ka =
[ ΑΒ- ] ⎡⎣ Η3 Ο+ ⎤⎦
[ ΑΒΗ ]
AB- + H3O+
azul
de donde:
+
⎣⎡ H 3 O ⎦⎤ =
[ ABH ] K a
[ AB- ]
Cuando en la disolución hay un 90.9% de forma molecular, ABH, naturalmente habrá
un 9.1% de forma ionizada, AB-, y la disolución presentará un color amarillo. La concentración
de hidrogeniones en esta situación será:
⎡⎣ H 3 O + ⎤⎦ =
90.9
⋅ 1.0 ⋅ 10-7 = 9.99 ⋅ 10-7 mol.L-1
9.1
y el pH: pH = -log ⎡⎣ H 3 O + ⎤⎦ = -log ( 9.99 ⋅ 10-7 ) = 6.0 ⇒ pH = 6.0
Por el contrario, cuando en la disolución hay un 80.0% de forma ionizada del indicador,
AB-, habrá un 20.0% de forma no ionizada, ABH, predominando el color azul en la disolución.
La concentración de hidrogeniones será:
⎡⎣ H 3 O + ⎤⎦ =
y, el valor del pH:
20.0
⋅ 1.0 ⋅ 10-7 = 2.5 ⋅ 10-8 mol.L-1
80.0
pH = -log ⎡⎣ H 3 O + ⎤⎦ = -log ( 2.5 ⋅ 10-8 ) = 7.6
⇒ pH = 7.6
El indicador azul de bromotimol cambia de color en el intervalo de pH comprendido entre
los valores 6.0 y 7.6
6.0 ≤ pH ≤ 7.6
b) Esto se corresponde con una reacción de neutralización de un ácido fuerte (HCl) con una
base fuerte (NaOH), por lo que si la disolución presenta color, en las condiciones de mezcla del
enunciado, será debido a la especie que se encuentra en exceso en el medio, de acuerdo con el
equilibrio escrito en el apartado a). Así pues, el número de moles de HCl y de NaOH que se
mezclan será:
moles de HCl = 20mL x 0.03M = 0.6mM
moles de NaOH = 50mL x 0.01M = 0.5mM
por lo que teniendo en cuenta que la reacción es 1:1, habrá 0.1mM de HCl en exceso; por
consiguiente hay un exceso de medio ácido y la disolución presentará un color azul.
PROBLEMA 2. (20 PUNTOS)
Al quemar completamente 2.16 g de una cetona saturada se obtiene 2.7 litros en condiciones
normales de CO2.
a) Calcule el peso molecular de la cetona.
b) Indique cual es su fórmula desarrollada y nombrela.
c) Justifique si tiene isómeros y en caso afirmativo, formúlelos y nombrelos.
Solución:
a) La fórmula emprírica de una cetona saturada es CnH2nO. Al quemar un compuesto
carbonílico se produce siempre CO2 y H2O, de acuerdo con la reacción:
CnH2nO + O2
n CO2 + n H2O
Por lo que, 1 mol de CnH2nO produce n moles de CO2.
Teniendo en cuenta que 1 mol de gas en condiciones normales ocupa 22.4L, entonces el
volúmen de CO2 producido será de n·22.4L. Considerando, además la masa molecular de la
cetona:
CnH2nO = 12·n + 2·n +16 = 14·n +16 g/mol
Tenemos:
(14·n +16)g producen n·22.4L de CO2
2.16g producen 2.7L de CO2
por lo que:
14 ⋅ n + 16 n ⋅ 22.4
=
2.16
2.7
37.8·n + 43.2 = 48.38·n
43.2 = 10.58·n
⇒
(14·n +16)·2.7 = (n·22.4)·2.16
⇒ 43.2 = 48.38·n – 37.8·n
⇒
n=
43.2
= 4.08
10.58
⇒ n=4
masa molecular de la cetona = 14 n +16 = 72
b) Es la butanona, de fórmula:
CH3
CH2
CO
CH3
c) No tiene isómeros de cadena, ni de posición ni ópticos, pero sí tiene 2 isómeros de función
que son:
CH3
CH2
CH2
CHO
CH3
CH
CHO
butanal
CH3
metil-propanal
Ambos tienen de fórmula empírica C4H8O.
PROBLEMA 3. (20 PUNTOS)
La Comunidad Autónoma de Galicia acoge en su territorio algunas de las centrales térmicas en
las que se produce energía eléctrica a partir de la combustión de combustibles fósiles. El
contenido en azufre de estos combustibles es la causa de que en la combustión se produzca
dióxido de azufre, que es uno de los gases contaminantes de la atmósfera. En la atmósfera el
dióxido de azufre puede combinarse con el oxígeno para formar el trióxido de azufre. Por otra
parte el trióxido de azufre se combina con agua para dar lugar a la formación de ácido sulfúrico.
a) Escriba y ajuste las reacciones de formación de dióxido de azufre a partir de azufre
elemental, del trióxido de azufre a partir del dióxido y del ácido sulfúrico a partir del
trióxido de azufre.
b) Si en la central térmica se quema un combustible con un contenido del 1.25 % de
azufre, determine la masa de ácido sulfúrico que se produce por cada tonelada de
combustible quemado, teniendo en cuenta que el rendimiento de la reacción de
formación del dióxido de azufre es del 90% y el de la formación del trióxido de azufre
es del 30%.
Solución:
a) Las reacciones químicas ajustadas son:
S(s) + O2(g)
SO2(g)
(I)
SO2(g) + 1/2O2(g)
SO3(g)
(II)
SO3(g) + H2O(aq)
H2SO4(aq)
(III)
b) Sabiendo que la muestra contiene un 1.25% de S, podemos conocer la cantidad de S que
hay en 1000Kg de muestra (1 tonelada son 1000Kg):
1.25
masa S =
⋅ 1000 = 12.5Kg
100
Considerando el peso atómico del S (32g/mol), el número de moles de S que hay en 12.5Kg
será:
12.5 ⋅ 103
= 390.62
n (S) =
32
Partiendo de estos moles de S y teniendo en cuenta las reacciones (I), (II) y (III) sabemos que:
- el rendimiento de formación de SO2 según la reacción (I) es del 90% ⇒ el número de
moles de SO2 formados serán:
n ( SO 2 ) = 0.90 ⋅ 390.62 = 351.56
- el rendimiento de formación de SO3 según la reacción (II) es del 30% ⇒ el número de
moles de SO3 formados serán:
n ( SO3 ) = 0.30 ⋅ 351.62 = 105.49
- si todo el SO3 se transforma en H2SO4, de acuerdo con la reacción (III) se habrán
formado tantos moles de H2SO4 como de SO3 había por cada tonelada de combustible
quemado:
n ( SO3 ) = n ( H 2 SO 4 ) = 105.49
Teniendo en cuenta que la masa molecular del H2SO4 es 98g/mol podemos conocer la masa
de H2SO4 que se produce por cada tonelada de combustible quemado:
masa H 2 SO 4 = 105.49 ⋅ 98 = 10338.02 g = 10.34Kg
⇒
masa H 2 SO 4 = 10.34Kg
PROBLEMA 4. (20 PUNTOS)
Se montan en serie tres cubas electrolíticas. La primera contiene una solución de nitrato de
AgNO3; la segunda, una solución de CuSO4; y la tercera, una solución de AuCl3. Al cabo de un
cierto tiempo de circular una corriente continua, se han depositado 5.40 g de Ag en el cátodo de
la primera cuba electrolítica.
a) Calcule el número de átomos de Cu depositados en el cátodo de la segunda cuba
electrolítica.
b) Calcule la masa de Au depositada en el cátodo de la tercera cuba.
c) Dibuje un esquema del montaje.
d) En la nutrición parenteral, que se administra en algunos enfermos por vía intravenosa,
se necesita suministrar oligoelementos del tipo del ion Cu2+. Sabiendo que el pH de la
sangre es de 7.4, y siendo conscientes de que hay que evitar la precipitación del Cu2+ en
forma de Cu(OH)2 en la sangre. ¿Cuál debe ser la concentración máxima de Cu2+ libre
en la sangre?. Dato: K ps =2.2 ⋅ 10-20 .
Solución:
Planteamiento general: Las ecuaciones correspondientes a las semirreacciones de reducción que
se producen en las cubas electrolíticas son:
Cátodo 1ª cuba:
Ag+(aq) + 1e-
Ag(s)
(I)
Cátodo 2ª cuba:
Cu2+(aq) + 2e-
Cu(s)
(II)
Cátodo 3ª cuba: Au3+(aq) + 3e-
Au(s)
(III)
Si las tres cubas electrolíticas están montadas en serie, la cantidad de electricidad que
pasa por cada una de ellas ha de ser la misma. Según las ecuaciones (I), (II), y (III), por cada
mol de electrones que pasa a través de las cubas se deposita 1 mol de Ag en el cátodo de la
primera cuba, 1/2 mol de Cu en el cátodo de la segunda cuba y 1/3 de mol de Au en el cátodo de
la tercera cuba. Por tanto:
a) Cálculo del número de átomos de Cu que se han depositado en el cátodo de la segunda
cuba, N(Cu):
1
mol Cu
1 mol Ag 2
6.022 ⋅ 1023 átomos Cu
(
)
N Cu =5.40g Ag ×
×
×
= 1.51 ⋅ 1022 átomos Cu
107.9g Ag 1 mol Ag
1 mol Cu
1.51 ⋅ 1022 átomos de Cu
b) Tal y como se ha razonado en el procedimiento general, por cada mol de Ag
depositado en el cátodo de la primera cuba, se depositan 1/3 de mol de Au. Por lo tanto
la masa de Au depositada en el cátodo de la tercera cuba, m(Au), será:
1
mol Au
1 mol Ag 3
197.0g Au
m(Au) = 5.40g Ag ×
×
×
= 3.29 g de Au
107.9g Ag 1 mol Ag 1 mol Au
3.29g de Au
c) El montaje del dispositivo electrolítico es:
d) El equilibrio de solubilidad correspondiente al Cu(OH)2 es:
Cu2+(aq) + 2OH-(aq)
Cu(OH)2 (s)
por lo que la constante de solubilidad para este equilibrio será:
K ps = [ Cu 2+ ][ OH - ]
2
(I)
La concentración de OH- se puede conocer a través del pH de la sangre ya que:
14= pH + pOH
y el pOH es:
⇒
pOH = -log [ OH - ]
pOH = 14 - pH
⇒
⇒ pOH = 14-7.4 = 6.6
[ OH - ] =10- pOH
⇒
[ OH - ] =10-6.6 =2.51 ⋅ 10-7
Teniendo en cuenta el valor de K ps =2.2 ⋅ 10-20 y, la concentración de OH- calculada,
sustituyendo en la ecuación (I) podemos conocer la concentración máxima de Cu2+ libre en la
sangre:
−20
[ Cu 2+ ] = 2.2 ⋅ 10 2 = 3.49 ⋅ 10-7 M
( 2.51 ⋅ 10-7 )
[Cu2+] = 3.49·10-7M
CUESTION 1. (10 PUNTOS)
El isocianato de metilo (H3CNCO) es un compuesto químico utilizado como materia prima en la
síntesis de algunos pesticidas. En 1984, un escape de este producto al medio ambiente,
producido en una industria química que lo almacenaba, fue el responsable de la muerte de miles
de personas en la localidad de Bopal, en la India.
a) Dibuje la estructura de Lewis de la molécula de esta sustancia. Indique: tipo de
hibridación de los átomos de C, N, y O; el número de enlaces de tipo σ y de tipo π; el
orden de enlace de los enlaces: H-C, N-C y C-O; y los ángulos que forman los átomos:
CNC y NCO.
b) Ordene las siguientes moléculas en orden creciente de momento dipolar: H2O, CBr4,
H2S, HF, CO2. (Datos: Electronegatividad de Pauling. H=2.20, O=3.44, Br=2.96,
C=2.55, S=2.58, F=3.98).
c) Prediga, razonadamente, el ángulo de enlace HNH en las siguientes especies: NH4+,
NH3, NH2-. ¿Cuál es la estructura molecular en cada caso?.
Solución:
a) La Estructura de Lewis del isocianato de metilo es:
N C O
H
C
H
H
El número y tipo de enlace:
π
σ
H
σ C
H
σ
π
N
C
σ
O
σ
H
Tipo de
Enlace
Número
σ
6
π
2
σ
Los órdenes de enlace:
Enlace
Orden de Enlace
H-C
1
C-N
H3C-N
1
N=C
2
C=O
2
Y los ángulos de enlace:
Átomos que definen el ángulo Valor del ángulo / º
CNC
109
NCO
180
b) El momento dipolar de una molécula es una función de la polarización de los enlaces
químicos que la forman. La polarización de un enlace químico depende de la diferencia de
electronegatividad de los átomos enlazados. Cuanto mayor sea esta diferencia, tanto mayor será
el momento dipolar asociado a dicho enlace. Puede ocurrir que en una molécula determinada, a
pesar de que posea enlaces polarizados, debido a la simetría molecular, el momento dipolar
resultante sea nulo tal es el caso del CO2 y el CBr4. Por lo tanto atendiendo a este criterio el
orden de las moléculas dadas, ordenadas en orden creciente de sus momentos dipolares será:
CO2 = CBr4 < H2S < H2O < HF
c) Los valores del ángulo HNH son:
H
N
+
H
H
H
109º
-
N
N
<109º
>109º
CUESTION 2. (5 PUNTOS)
Los potenciales de reducción de las semirreacciones Cu2+/Cu y Al3+/Al valen +0.34 y -1.66 V
respectivamente. Razone:
a) Identifique la especie más reductora y la más oxidante.
b) Qué sucede si se mezclan disoluciones de AlCl3 y CuCl2.
c) Qué sucede cuando una cuchara de cobre se introduce en una disolución de Al3+.
d) Qué sucede cuando una cuchara de aluminio se introduce en una disolución de Cu2+.
Solución:
a) Las semirreacciones de reducción que nos indican en el enunciado son:
Cu2+ + 2e-
Cu
Eº=+0.34V
Al3+ + 3e-
Al
Eº= -1.66V
El Al es la especie más reductora, porque tiene su potencial de oxidación más positivo y
la especie más oxidante es el Cu2+.
La ecuación de oxidación-reducción que resulta a partir de estas 2 semirreacciones es:
2x(Al
3x( Cu2+ + 2e2Al + 3Cu2+
Al3+ + 3e-)
Eº= +1.66V
Cu )
Eº= +0.34V
2Al3+ + 3Cu
Eº= +2.00V
Este planteamiento es correcto dado que el potencial redox resultante es positivo, lo que
significa un AGº<0 (proceso espontáneo; si el potencial fuese negativo, la reacción favorable
sería escrita a la inversa).
b) De acuerdo con la reacción anterior no pasa nada, porque el aluminio ya está oxidado y el
cobre también, y ninguna especie actuará como reductora.
c) No ocurriría nada. La reacción global sería la contraria a la escrita en el apartado a), no sería
espontánea.
d) Sí habría reacción, el Al se oxidaría y se depositaría Cu. La reacción global se
correspondería con la escrita en el apartado a).
CUESTION 3. (5 PUNTOS)
Comente la figura adjunta (funciones orgánicas, isomerías, etc...)
Solución:
En la figura adjunta aparecen dos estructuras que se corresponden con la misma fórmula
química, pero que presentan diferente disposición espacial, por lo que se trata de dos isómeros
del mismo compuesto químico, el ácido 2-hidroxi-propanoico, más conocido como ácido
láctico.
El ácido láctico se caracteriza por poseer un grupo hidroxi (-OH) y un grupo carboxilo
(-COOH) unidos a un mismo átomo de carbono, además unidos a este carbono también hay un
átomo de hidrógeno (H) y un grupo metilo (-CH3) por lo que se trata de un carbono quiral (los
cuatro sustituyentes son distintos).
OH
O
H
OH
H3C
Los dos isómeros que se presentan en la figura son imágenes especulares (no
superponibles), es decir, enantiómeros. Esto hace que ambos posean idénticas propiedades
físicas; sin embargo, cada uno de ellos presenta un comportamiento diferente ante un haz de luz
polarizada, presentan diferente actividad óptica. Así pues: si desvían la luz hacia la derecha (en
el sentido de las manecillas del reloj) entonces se dice que es D (dextrógiro) ó +, en cambio si se
desvía la luz hacia la izquierda se dice que es L (levógiro) ó -.
Además, los enantiómeros tienen las mismas propiedades químicas, excepto frente a
reactivos ópticamente activos.
La distinta distribución espacial de los grupos en un enantiómero se puede especificar
utilizando la configuración R y S:
1º- se da un orden de prioridad a los 4 sustituyentes del carbono (a > masa atómica >
prioridad).
2º- se sigue la trayectoria desde el de mayor prioridad al de menor, de tal forma que si la
trayectoria sigue el sentido de las manecillas del reloj, entonces ese isómero se especifica
por la letra R en caso contrario S.
Es importante tener presente que una mezcla racémica (está formada por partes iguales
de ambos enantiómeros) es ópticamente inactiva.
SUPUESTO PRACTICO DE LABORATORIO. (20 PUNTOS)
Una industria alimentaria, que procesa aceites vegetales con destino al consumo humano, nos
propone que le diseñemos un método para determinar el grado de acidez de los aceites que
utiliza. Si se desea expresar el grado de acidez como la molaridad de ácido en el aceite, se pide
que diseñe un procedimiento de valoración ácido-base indicando los reactivos, los
indicadores, el material de laboratorio, el montaje de los aparatos de laboratorio, y el
procedimiento.
Solución:
• Reactivos:
- Hidróxido sódico
- Indicador ácido-base: fenolftaleína (solución alcohólica).
- Agua destilada.
- Etanol absoluto.
• Materiales:
- Balanza analítica.
- Pesasustancias.
- Matraz aforado de 500 ml.
- Pipetas Pasteur.
- Pipetas graduadas.
- Bureta.
- Soporte bureta.
- Matraces Erlenmeyer.
• Procedimiento:
Preparar una disolución de hidróxido sódico cuya concentración molar sea parecida a la
molaridad del ácido en el aceite.
Colocar dicha disolución en la bureta situada en su correspondiente soporte.
Colocar 10 ml del aceite en un matraz Erlenmeyer y añadir 25 ml de etanol absoluto
para permitir la mezcla de la disolución valoradora (NaOH acuoso) y el aceite durante la
valoración. Añadir una gota de la disolución alcohólica de fenolftaleína.
Añadir, gota a gota, la disolución de NaOH al matraz Erlenmeyer, agitando
continuamente, hasta que se produzca el viraje del color de la fenolftaleína a un tono rosa, lo
que indic que se ha alcanzado el punto de equivalencia.
• Cálculos:
Como el ácido oleico es un ácido monocarboxílico, en este caso la molaridad se calcula
haciendo uso de esta ecuación:
M ácido =
M base Vbase
Vácido