PAU Química Jun 2005

PAAU (LOXSE)
XUÑO 2005
Código:
31
QUÍMICA
CALIFICACIÓN: CUESTIÓN 1=2,5 P.; CUESTIÓN 2=2,5 P.; PROBLEMA 3=3 P. Y CUESTIÓN 4=2 P.
OPCIÓN 1
1.1.
Dados los átomos e iones siguientes: ión cloruro, ión sodio y neón:
(a) Escribir la configuración electrónica de los mismos.
(b) Justificar cuál de ellos tendrá un radio mayor.
(c) Razonar a cuál de ellos será más fácil arrancarle un electrón.
1.2.
Se pone en un vaso con agua cierta cantidad de una sal poco soluble, de fórmula general AB3, y no se
disuelve completamente. El producto de solubilidad de la sal es Ks.
(a) Deduzca la expresión que relaciona la concentración de A3+ con el producto de solubilidad de la
sal.
(b) A continuación se introduce en el vaso una cantidad de una sal soluble CB2 ¿Qué variación
produce en la solubilidad de la sal AB3?
1.3.
La reacción de ácido clorhídrico con dióxido de manganeso genera cloruro de manganeso(II), cloro y
agua.
(a) Escriba la reacción molecular redox ajustada.
(b) ¿Qué volumen de cloro, medido a 0,92 atm y 30 ºC, se obtiene al reaccionar 150 mL de ácido
clorhídrico del 35% y densidad 1,17 g/mL, con la cantidad necesaria de dióxido de manganeso?
1.4.
Indique los procedimientos que ha utilizado en el laboratorio para medir el pH de las disoluciones,
señalando las características de cada uno. Cite algún ejemplo del empleo de indicadores explicando
el por qué de su cambio de color.
OPCIÓN 2
2.1.
Explique, utilizando orbitales híbridos y razonando las respuestas, el tipo de enlace y geometría de
las siguientes moléculas:
(a) Etino o acetileno
(b) Amoníaco
(c) Dióxido de azufre.
2.2.
(a) Formule y nombre un isómero de función del 1-butanol y otro de la 2-pentanona.
(b) ¿Cuál de los siguientes compuestos es ópticamente activo? Razónelo.
CH3–CH2–CHCl–CH2–CH3
CH3–CHBr–CHCl–COOH
2.3.
El COCl2 gaseoso se disocia a una temperatura de 1000 K, según la siguiente reacción:
COCl2 (g)  CO (g) + Cl2 (g)
Cuando la presión de equilibrio es de 1 atm el porcentaje de disociación de COCl2 es del 49,2%.
Calcular: (a) El valor de Kp (b) El porcentaje de disociación de COCl2 cuando la presión de equilibrio
sea 5 atm a 1000 K.
2.4.
Indique, con un ejemplo, cómo determinaría en el laboratorio el calor de neutralización de un ácido
fuerte con una base fuerte, haciendo referencia al principio, material, procedimiento y cálculos.
Soluciones
OPCIÓN 1
1.1.- Dados los átomos e iones siguientes: ión cloruro, ión sodio y neón:
a) Escribir la configuración electrónica de los mismos.
b) Justificar cuál de ellos tendrá un radio mayor.
c) Razonar a cuál de ellos será más fácil arrancarle un electrón.
Examen
Rta.:
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
a) Cl– : [Ar] : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Na+ : [Ne] : 1s2 2s2 2p6
b) Cl– : más niveles de energía y carga negativa.
c) Cl– : mayor tamaño y queda neutro, mientras los otros son menores y quedan con carga +
1.2.- Se pone en un vaso con agua cierta cantidad de una sal poco soluble, de fórmula general AB3, y
no se disuelve completamente. El producto de solubilidad de la sal es Ks.
a) Deduzca la expresión que relaciona la concentración de A3+ con el producto de solubilidad de la
sal.
b) A continuación se introduce en el vaso una cantidad de una sal soluble CB2 ¿Qué variación
produce en la solubilidad de la sal AB3?
Examen
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
Solución:
a) Se llama s a la solubilidad (concentración de la disolución saturada).
La ecuación del equilibrio puede escribirse:
AB3 (s) ⇄ 3 B– (aq) + A3+ (aq)
s →
3s+s
La constante de equilibrio o producto de solubilidad es:
Ks = [A3+][B–]3 = s (3 s)3 = 27 s4 = 27 [A3+]4
b) La solubilidad de la sal AB3 será menor que antes por efecto del ión común.
La sal CB2 soluble se disociará totalmente:
CB2 (s) → C2+ (aq) + 2 B– (aq)
lo que produce un aumento en la concentración del ión B– en la disolución.
Esto provocará un desplazamiento del equilibrio
AB3 (s) ⇄ 3 B– (aq) + A3+ (aq)
hacia la formación de la sal sólida, ya que en la expresión del producto de solubilidad,
Ks = [A3+][B–]3
un aumento en la concentración del ión B– tendrá que ser compensada con una disminución en la
concentración del ión A3+ para mantener constante el valor del producto de solubilidad, que es una constante
de equilibrio que sólo cambia con la temperatura.
Es decir, la sal estará menos disociada y la solubilidad será menor.
(Si hubiese que realizar el cálculo, sería conveniente usar la situación equivalente de intentar disolver la sal
AB3 (s) en una disolución que contiene una cantidad n de CB2 en el volumen V de disolución de la disolución
original.
La concentración c de CB2 será:
c = [CB2] = n / V
Al ser CB2 un sal soluble, estará totalmente disociada:
CB2 (s) → C2+ (aq) + 2 B– (aq)
c → c
+ 2c
Como hay una concentración del ión B (efecto del ión común), la solubilidad de la sal AB3 será menor.
–
AB3 ⇄ 3 B–
[ ]0
[ ]d
sb
[ ]eq
A3+
2c
0
3 sb
sb
3 sb + 2 c
sb
Ks = [A3+][B–]3 = sb (3 sb + 2 c)3
La solución de esta ecuación se haría por métodos de aproximación)
1.3.- La reacción de ácido clorhídrico con dióxido de manganeso genera cloruro de manganeso(II),
cloro y agua.
a) Escriba la reacción molecular redox ajustada.
b) ¿Qué volumen de cloro, medido a 0,92 atm y 30 ºC, se obtiene al reaccionar 150 mL de ácido
clorhídrico del 35% y densidad 1,17 g/mL, con la cantidad necesaria de dióxido de manganeso?
Rta.: a) 4 HCl + MnO2 → MnCl2 + Cl2 + 2 H2O
Examen
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
b) 11,4 dm3 Cl2
2.2
2.3
2.4
Datos
D (HCl) :
Cl2 (gas):
Cifras significativas: 3
riqueza
r = 35,0%
densidad
ρ = 1,17 g/mL
volumen
VD = 150 mL
temperatura
T = 30 0C = 303 K
presión
P = 0,920 atm
constante de los gases ideales
R = 0,0820 atm·L·moI-1·K-1
Incógnitas
Volumen de Cl2 que se forma en las condiciones indicadas
V
Otros símbolos
cantidad de sustancia (número de moles)
n
Ecuaciones
de estado de los gases ideales
PV=nRT
Solución:
a) Las semirreacciones iónicas son:
Oxidación:
2 Cl–
→ Cl2 + 2 e–
+
–
Reducción:
MnO2 + 4 H + 2 e
→ Mn2+ + 2 H2O
–
+
Reacción iónica global.
2 Cl + MnO2 + 4 H
→ Cl2 + Mn2+ + 2 H2O
Para convertirla en la reacción molecular le sumamos la siguiente reacción iónica:
2 Cl–
→ 2 Cl–
4 HCl + MnO2
b) La cantidad de ácido clorhídrico que se consume es:
→ MnCl2 + Cl2 + 2 H2O
n HCl=150 mL D·
1,17 g D 35,0 g HCl 1 mol HCl
=1,68 mol HCl
1 mL D
100 g D 36,5 g HCl
que produce de cloro
n Cl2 =1,68 mol HCl
1 mol Cl 2
=0,421 mol Cl 2
4 mol HCl
Suponiendo comportamiento ideal para el cloro
V Cl2 =
−1
−1
n R T 0,421 mol Cl 2 ·0,0820 atm·L·mol · K ·303 K
=
=11,4 L Cl 2
P
0,920 atm
1.4.- Indique los procedimientos que ha utilizado en el laboratorio para medir el pH de las
disoluciones, señalando las características de cada uno. Cite algún ejemplo del empleo de
indicadores explicando el por qué de su cambio de color.
Examen
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
Solución:
Con indicadores ácido-base como la fenolftaleína o el tornasol o el anaranjado de metilo, que adoptan
distinto color según el pH. Por ejemplo la fenolftaleína es incolora a pH < 8 pero toma un color rosa intenso
si el pH > 10
Con papel indicador universal, que va de un color rojo intenso a pH =1 hasta color azul oscuro para pH > 11.
Con un pHmetro, que consta de una sonda que se introduce en la disolución conectada a un indicador con una
pantalla digital en la que aparece el valor del pH. El pH se calibra previamente en disoluciones reguladoras de
pH constante 4 y 7.
Un indicador es una especie ácida o base débil en la que la forma ionizada tiene distinto color que la forma
neutra.
Suponiendo un indicador ácido, el equilibrio será:
InH ⇄ In– + H+
incoloro rosa
En un medio ácido, con altas concentraciones de iones H+, el equilibrio se desplaza hacia la forma molecular
incolora, pero en medio básico el equilibrio se desplaza hacia la forma coloreada disociada.
Se suele notar diferencia de color cuando la concentración de una de las formas es unas 10 veces mayor que
la otra, por lo que el cambio de color no es brusco sino que ocurre en un intervalo de viraje que suele ser de 2
unidades de pH.
OPCIÓN 2
2.1.- Explique, utilizando orbitales híbridos y razonando las respuestas, el tipo de enlace y geometría
de las siguientes moléculas:
a) Etino o acetileno.
b) Amoníaco.
c) Dióxido de azufre.
Examen
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
Solución:
a) La teoría de repulsión de los electrones de valencia dice que los pares de enlace σ y los pares no enlazantes
se disponen alrededor de un átomo de forma que la repulsión entre ellos sea mínima.
HC ≡ CH
C
2
2s 2px1 2py1
NH3
N
SO2
S
2s2 2px1 2py1 2pz1
3s2 3px2 3py1 3pz1
2s1 2px1 2py1 2pz1
2s2 2px1 2py1 2pz1
H C C H
H
H N H
O S O
2
2
0
2
lineal
180º
sp
lineal
3
0
1
4
tetraédrica
107º
sp3
piramidal achatada
2
1
1
3
triangular
<120º
sp2
angular plana
molécula
átomo central
conf. electr. fundamental
conf. electr. excitada
diagrama de Lewis
σ
π
pares
no enlazantes
que se repelen
disposición de los pares
ángulo de enlace
hibridación
forma de la molécula
H C C H
H
N
H
O
H
S
O
2.2.- a) Formule y nombre un isómero de función del 1-butanol y otro de la 2-pentanona.
b) ¿Cuál de los siguientes compuestos es ópticamente activo? Razónelo.
CH3–CH2–CHCl–CH2–CH3
CH3–CHBr–CHCl–COOH
Examen
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
Rta.: a) CH3–CH2–O–CH2–CH3 dietiléter
CH3–CH2–CH2–CH2–CHO pentanal
b) ácido 3-bromo-2-clorobutanoico: tiene algún carbono (2 y 3) asimétrico ⇒ 4 isómeros ópticos
2.3.- El COCl2 gaseoso se disocia a una temperatura de 1000 K, según la siguiente reacción:
COCl2 (g)  CO (g) + Cl2 (g)
Cuando la presión de equilibrio es de 1 atm el porcentaje de disociación de COCl2 es del 49,2%.
Calcular:
a) El valor de Kp
b) El porcentaje de disociación de COCl2 cuando la presión de equilibrio sea 5 atm a 1000 K
Rta.: a) Kp = 0,32
Examen
b) 25%
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
Datos
Cifras significativas: 3
temperatura
T = 1000 K
presión total en el equilibrio inicial
P = 1,00 atm
grado de disociación
α = 49,2% = 0,492
presión total en el equilibrio final
P' = 5,00 atm
constante de los gases ideales
R = 0,082 atm·L·K-1·mol-1
Incógnitas
constante de equilibrio
KP
porcentaje de disociación a 5 atm
α'
Otros símbolos
cantidad de la sustancia X en el equilibrio
ne(X)
Otros símbolos
concentración de la sustancia X
[X]
Ecuaciones
fracción molar de una sustancia i
x = ni / ∑ni = ni / nT
ley de Dalton de las presiones parciales
Pi = xi PT
grado de disociación
α = nd / n0
constante del equilibrio: a A + b B ⇄ c C + d D
K P=
PCc · P dD
P aA · P bB
Solución:
a) Se llama n0 a la cantidad inicial de COCl2 . La cantidad de COCl2 disociada será:
ndis (COCl2) = α n0
Por la estequiometría de la reacción,
⇄
COCl2
n0 mol
n0
nr mol
α n0
→
ne mol (1 – α) n0
CO
Cl2
0
0
α n0
α n0
α n0
α n0
La cantidad de gas que hay en el equilibrio es:
neT = (1 – α) n0 + α n0 + α n0 = (1 + α) n0
Las fracciones molares y las presiones parciales de cada gas en el equilibrio son:
COCl2
xe
Pe atm
⇄
CO
Cl2
1−
1

1

1
1−
·P
1 T

·P
1 T

·P
1 T
La constante de equilibrio en función de las presiones es


· PT ·
· PT
2
2
P CO· P  Cl2  1
1


K P=
=
=
· P T=
2 · PT
P COCl2 
1−
1 1−
1−
· PT
1
Sustituyendo los valores
K P=
2
0,4922
·
P
=
·1,00=0,319 (para presiones expresadas en atm)
T
1−2
1−0,4922
(Si la presión inicial sólo tiene una cifra significativa, P = 1 atm, la constante valdrá KP = 0,3)
b) Cuando la presión sea de P ' = 5,00 atm, la cantidad de gas en la nueva situación de equilibrio será menor (el
equilibrio se habrá desplazado hacia la formación de COCl2). La cantidad n'dis de COCl2 disociada en estas
condiciones será menor y el nuevo grado de disociación α' = n'dis / n0 también.
De la expresión obtenida en el apartado anterior y con el mismo valor para la constante de equilibrio, ya que la
temperatura no cambia:
0,319=
' 2
2 ·5,00
1− '
0,0639 (1 – α' 2) = α' 2
 '=

0,0639
=0,245=24,5%
1,0639
que es inferior al valor inicial, tal como se esperaba.
2.4.- Indique, con un ejemplo, cómo determinaría en el laboratorio el calor de neutralización de un
ácido fuerte con una base fuerte, haciendo referencia al principio, material, procedimiento y
cálculos.
Examen
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
Solución:
Principio:
Conservación de la energía
Al ser el calorímetro un sistema aislado, el proceso es adiabático, y
Q (cedido en la neutralización) + QD (ganado por la disolución) + QC (ganado por el calorímetro) = 0
Material:
Calorímetro de 250 cm3
Probeta de 100 cm3
Termómetro
Agitador
Reactivos:
HCl 1,0 M
NaOH 1,0 M
Procedimiento:
En una probeta de 100 cm3, se miden 100 cm3 de disolución de HCl 1,0 M y se vierten en un calorímetro. Se
mide la temperatura con un termómetro. t1 =16,8 0C.
Se lava la probeta y se miden 100 cm3 de disolución de NaOH 1,0 M. Se mide su temperatura que debería ser
la misma que la de la disolución de HCl ya que están ambas a la temperatura del laboratorio.
Se echa la disolución de hidróxido de sodio en el calorímetro y se agita con una varilla, comprobando la
temperatura. Se anota el valor máximo. t2 = 23,3 0C
Se vacía el calorímetro y se lava.
Cálculos:
Haciendo las aproximaciones:
Los calores específicos de todas las disoluciones es el mismo que el del agua. c = 4,18 J·g–1·(0C)–1
Las densidades de las disoluciones son iguales a la del agua. d = 1,0 g/cm3
El calor QC ganado por el calorímetro es despreciable. QC = 0
La masa de cada disolución se calcula:
m(disolución) = V(disolución) · ρ = 200 cm3 · 1,0 g/cm3 = 200 g
El calor QD ganado por la disolución es:
QD = m(disolución) · ce (disolución) Δt = (200) g · 4,18 J·g–1·(0C)–1 (23,3 – 16,8) 0C = 5,4×103 J
Q (cedido en la neutralización) + QD (ganado por la disolución) + QC (ganado por el calorímetro) = 0
Q (cedido en la neutralización) = –5,4×103 J
En la reacción:
HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H2O (l)
que se puede escribir en forma iónica:
H+ (aq) + OH– (aq) → H2O (l)
reacciona:
n(HCl) = 0,100 dm3 · 1,0 mol HCl / dm3 = 0,10 mol HCl
con
n(NaOH) = 0,100 dm3 · 1,0 mol HCl / dm3 = 0,10 mol NaOH
Por lo que la entalpía de reacción es:
 H 0n =
−5,4×103 [J ]
=−54 kJ / mol
0,10 [mol ]
(El resultado es aproximado al tabulado de –57,9 kJ/mol, debido a las aproximaciones realizadas)
Cuestiones y problemas de las Pruebas de Acceso a la Universidad (P.A.U.) en Galicia.
Respuestas y composición de Alfonso J. Barbadillo Marán, alfbar@bigfoot.com, I.E.S. Elviña, La Coruña