QUÍMICA Modelo 2004 PRIMERA PARTE

QUÍMICA Modelo 2004
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 elementos A, B Y C, de números atómicos 6, 11 Y 17 respectivamente, indique:
a. La configuración electrónica de cada uno de ellos.
Solución.
A (Z = 6): 1s2; 2s2 p2. Carbono
B (Z = 11): 1s2; 2s2 p6; 3s1. Sodio
C (Z = 17): 1s2; 2s2 p6; 3s2 p5. Cloro
b. Su situación en la tabla periódica (grupo y período).
Solución.
Z (Elemento)
Grupo
Periodo
C (Z = 6):
Na (Z = 11)
Cl (Z = 17)
14 ó IV B ó Carbonoideos
1 ó I A ó Alcalinos
17 ó VII B ó Halógenos
2
3
c. El orden decreciente de electronegatividad.
Solución.
Electronegatividad. Tendencia de atraer hacia si el par de electrones compartido en un enlace
covalente. En la tabla periódica aumenta de izquierda a derecha y de abajo a arriba, excluyendo a lo gases
nobles por no formar enlaces. El elemento más electronegativo es el fluor y el menos el cesio.
Orden decreciente de electronegatividad:
Cl (Z = 17) > C (Z = 6) > Na (Z = 11)
d.
Las fórmulas de los compuestos formados por C con cada uno de los otros dos, A y B, Y el tipo
de enlace que presentan al unirse.
Solución.
• AC4 (CCl4). Enlace covalente con hibridación sp3 en el átomo de carbono.
• BC (NaCl). Enlace iónico.
Cuestión 2.- La reacción A + B → C es un proceso elemental, responda razonadamente a las siguientes
cuestiones:
a) ¿Cuáles son las unidades de la velocidad de reacción?
Solución.
[v] = Concentración mol ⋅ l −1 ⋅ s −1
Tiempo
b) Escriba la expresión de velocidad en función de las concentraciones.
Solución.
Suponiendo que es un proceso elemental, la ecuación integrada de velocidad es:
v = K⋅ A ⋅ B
c) Indique la molecularidad y los ordenes parciales de reacción.
Solución.
La molecularidad es el número de moléculas que deben chocar para que se produzca un choque
efectivo. En este caso y teniendo en cuenta que es un proceso elemental es 2, porque son el número de
moléculas que reaccionan.
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El orden parcial respecto de un reactivo es el coeficiente al que esta elevada la concentración de
este en la ecuación integrada de velocidad. Respecto de A es 1 y respecto de B también es 1. Al ser un
proceso elemental los ordenes parciales coinciden con los coeficientes estequiométricos (ecuación de
velocidad).
d) ¿Se modifica la velocidad de reacción si las concentraciones iniciales de A y B se mantienen
constantes pero cambia la temperatura del experimento?
Solución.
La temperatura influye en la velocidad de reacción a través de la constante según pone de
manifiesto la ecuación de Arrhenius.
K = K oe
−
Ea
RT
La velocidad es exponencialmente directa a la velocidad. Si la T aumenta, la velocidad de
reacción también aumenta.
Cuestión 3.- Para la reacción de síntesis del amoníaco, N2{g) + 3H2{g) ↔ 2NH3{g), se conocen los
valores, a temperatura ambiente, de las siguientes magnitudes: ∆H or (valor negativo), ∆G or (valor
negativo), Kp (valor muy alto) y Ea (valor muy alto). Conteste a las siguientes preguntas, indicando cuál
o cuáles de dichas magnitudes están directamente relacionadas con los conceptos que se enumeran a
continuación:
Puntuación máxima por apartado:0,5 puntos.
a) Intercambio de calor ¿cuál es el sentido del intercambio de calor para esta reacción?
Solución.
Relacionado con la entalpía de la reacción. Sí ∆H oR < 0 reacción exotérmica, se desprende
calor.
b) Espontaneidad ¿En que sentido es espontánea la reacción?
Solución.
Relacionado con la energía libre de Gibas. Sí ∆G oR < 0 , reacción espontánea en el sentido de
formación de NH3.
c) Velocidad de reacción. ¿Es rápida o lenta la reacción?
Solución.
Relacionado con la energía de activación del proceso. Sí Ea es muy elevada, el proceso será
lento, sería conveniente el uso de catalizadores para disminuir la energía de activación y aumentar la
velocidad de reacción.
d) Efecto de la presión. ¿Qué efecto tiene para esta reacción un aumento de presión?
Solución.
Relacionada con la constante del equilibrio a través del cociente de reacción y por tanto de la
estequiometria. Si aumenta la presión el cociente de reacción disminuye y por tanto el sistema se desplaza
hacia la derecha para restablecer el valor de la constante de equilibrio..
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Cuestión 4.- Complete y ajuste, en medio ácido, las semireacciones de oxidación y de reducción así como
la reacción global. Indique si son espontáneas las reacciones globales en función de los potenciales
normales redox.
Datos: E o Cr2 O 7−2 / Cr 3+ = 1,33V; E o S S 2− = 0,14V;
E
o
(
(MnO
−
4
/ Mn
2+
)
( )
) = 1,51V; E (Sn / Sn ) = 0,15V
o
4+
2+
Puntuación máxima por apartado:1,0 puntos.
a) Cr2 O 72− + S 2 − + H + ↔ Cr 3+ + ...
Reacción Molecular. Los 14 protones necesarios pare el proceso red-ox, se obtienen con 7 moléculas de
ácido sulfhídrico (H2S), de las cuales tres se comportan como reductor oxidándose hasta azufre elemental
y las otras 4 se mantienen como sulfuros para formar sales en el segundo miembro.
K 2 Cr2 O 7 + 7 H 2 S → Cr2 S 3 + 3S + 7 H 2 O + K 2 S
La espontaneidad de las reacciones red-ox se estudia en función del potencial mediante la
expresión:
∆G = −n·F·E
Siendo n y F valores siempre positivos, el signo de la energía libre depende del signo del
potencial.
Sí E > 0 ⇒ ∆G < 0. Reacción ESPONTÁNEA
Sí E<> 0 ⇒ ∆G > 0. Reacción NO−ESPONTÁNEA
(
)
(
)
E º = E oRe d Cr2 O 7−2 / Cr 3+ − E oOx S S 2 − = 1,33 − 0,14 = 1'19 v >0⇒ ESPONTÁNEA
b) KMnO 4 + HCl + SnCl 2 ↔ SnCl 4 + ...
Reacción molecular:
2KMnO 4 + 5SnCl 2 + 16HCl → 2MnCl 2 + 5SnCl 4 + 8H 2 O + 2KCl
Por se el potencial positivo, el proceso es ESPONTÁNEO.
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Cuestión 5.- Para cada una de las reacciones químicas que se escriben a continuación, formule los
productos, nombre reactivos y productos e indique de que tipo de reacción se trata.
Puntuación máxima por apartado:0,5 puntos.
Solución.
a) CH3−CH=CH−CH3 + HCl → CH3−CH2−CHCl−CH3
2-buteno
2-clorobutano
b) CH3−CH=CH2 + H2→ CH3−CH2−CH3
propeno
propano
Adición electrofílica
Adición electrofílica
c) CH3−CH2−CH2−CH2−0H + H2S04 + calor → CH3−CH2−CH=CH2
1-butanol (butanol)
1-buteno (buteno)
Eliminación
d) CH3−CH2−CH−CH2−Cl + NaOH → CH3−CH2−CH−CH2−OH + CH3−CH2−C=CH2
↓
↓
↓
CH3
CH3
CH3
1-cloro-2metilbutano
2-metil-butanol
2-metil-buteno
Mayoritario
Minoritario
Sustitución
Eliminación
nucleofílica
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SEGUNDA PARTE
OPCIÓN A
Problema 1 .- El ciclohexano se puede obtener por hidrogenación catalítica del benceno. Teniendo en
cuenta la estequiometría de la reacción, calcule:
a) Las variaciones de entalpía y energía libre de Gibbs de reacción para dicho proceso.
b) El calor desprendido si se emplean 10 L de hidrógeno, medidos a 1 atm y 298 K, para
hidrogenar benceno.
Datos: R = 0,082 atm ·L·mol-1· K-1
Compuesto
AH or kj·mol −1
AG or kj·mol −1
Benceno
+49
+124
Ciclohexano
+27
−156
(
)
(
)
Puntuación máxima por apartado: 1,0 punto.
a. Solución.
C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12
Por se H(entalpía) y G(energía libre) funciones de estado, sus variaciones solo dependen de las
condiciones iniciales y finales, por lo que se pueden calcular aplicando la Ley de Hess.
∆H 0R =
ν i ∆H ofi (Pr oductos) − ν i ∆H ofi (Re activos)
∆H 0R
=
∆H of
(
∑
)
C 6 H 12 − ∆H of
(
)
∑
(
) = −156 − 49 = −205 kJ ⋅ mol −1
C 6 H 6 + 3 ∆H of H 2
1424
3
0
Estado Natural
Proceso EXOTÉRMICO
∆G 0R =
∑ ν ∆G
i
o
fi
(Pr oductos) −
∑ ν ∆G
i
o
fi
(Re activos)
∆G 0R = ∆G of (C 6 H 12 ) − ∆G of (C 6 H 6 ) + 3 ∆G of (H 2 ) = 27 − 124 = −97 kJ ⋅ mol −1
1424
3
0
Estado Natural
Proceso ESPONTÁNEO
b. Solución.
C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H12 + 205 kJ
La relación estequiométrica entre el hidrógeno y el calor es:
Q
205
205
205 P ⋅ V 205
1 ⋅10
=
⇒Q=
n (H 2 ) =
⋅
=
⋅
= 27'96 kJ
H2
3
3
3 R ⋅T
3 0'082 ⋅ 298
Se desprenden 27’97 kJ
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Problema 2.- Se dispone de una disolución acuosa que en el equilibrio tiene 0,2 M de ácido fórmico
(ácido metanoico), cuya concentración en protones es 10−3 M.
a) Calcule qué concentración de ión formiato tiene dicha disolución.
b) Calcule la constante de basicidad del ión formiato o metanoato. ¿Es una base débil o fuerte?
c) ¿Cuántos mililitros de ácido clorhídrico 0,1 M habría que tomar para preparar 100 mL de una
disolución del mismo pH que la disolución 0,2 M de ácido fórmico.
Dato: Ka ácido fórmico = 2.10-3
Puntuación máxima por apartado: a) 0,75 puntos; b) 0,75 puntos y c) 0,5 puntos.
a. Solución.
La concentración de ión formiato se obtiene a partir de la expresión de la constante de acidez,
conocidas las concentraciones en el equilibrio de ácido fórmico y de protones.
Ka =
HCOO − H 3 O +
HCOOH
: 2 × 10 −3 =
HCOOH ⋅10 −3
0'2
HCOOH = 0'4 mol
l
b. Solución.
Teniendo en cuenta que el producto de la constante de acidez de un ácido por la constante de
basicidad de su base conjugada es Kw, se calcula la Kb.
K
10 −14
Ka ⋅ Kb = Kw
Kb = w =
= 5 × 10 −12
−3
Ka
2 × 10
La fortaleza de un ácido o una base se puede relacionar con la constante de acidez o basicidad
respectivamente. A mayor constante, mayor fortaleza.
Como Kb es muy baja el ión formiato es una base débil.
c. Solución.
Teniendo en cuenta que el ácido clorhídrico es fuerte y por tanto la concentración de protones es
igual a la concentración inicial del ácido, la concentración de los 100 mL deberá ser de 10−3 M.
Para preparar una disolución de 100 mL de ácido 10−3 M a partir de otra de concentración 0’2 M,
habrá que tener en cuenta que el número de moles de ácido en la disolución concentrada debe de ser igual
al número de moles de ácido en la disolución diluidad.
M
10 −3
Vcc ⋅ M cc = Vdil ⋅ M dil
Vcc = Vdil ⋅ dil = 100 × 10 −3 ⋅
= 10 −3 L = 1 mL
M cc
0'1
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OPCIÓN B
Problema 1 .- En un recipiente cerrado, a la temperatura de 490 K, se introduce 1 mol de PCI5(g) que se
descompone parcialmente según la reacción
PCI5(g) ↔PCl3 (g) + Cl2 (g). Cuando se alcanza el equilibrio, la presión es de 1 atm y la mezcla es
equimolecular (igual número de moles de PCI5, PCl3 y Cl2).
a) Determine el valor de la constante de equilibrio, Kp, a dicha temperatura.
b) Si la mezcla se comprime hasta 10 atm, calcule la nueva composición de equilibrio.
Puntuación máxima por apartado: 1,0 punto.
a. Solución.
Teniendo en cuenta que la mezcla es equimolecular:
n (PCl 5 ) = n (PCl 3 ) = n (Cl 2 )
1− x = x
x = 0'5 moles
Si el número de moles de los tres componentes del equilibrio son iguales, sus fracciones molares
también lo serán. Teniendo en cuenta además que la suma de todas las fracciones molares de una mezcla
gaseosa es 1, se puede concluir que en este equlibrio la fracción molar de cada componente es de un
tercio
1
χ PCl5 = χ PCl3 = χ Cl 2 =
3
PPCl3 ⋅ PCl 2 P ⋅ χ PCl3 ⋅ P ⋅ χ Cl 2
χ PCl3 ⋅ χ Cl 2 1
Kp =
=
=P
= ='033
PPCl5
P ⋅ χ PCl5
χ PCl5
3
b. Solución.
La expresión de la constante Kp para la reacción de disociación del pentacloruro de fósforo es:
Kp =
PPCl3 ⋅ PCl 2
PPCl5
=
P ⋅ χ PCl3 ⋅ P ⋅ χ Cl 2
P ⋅ χ PCl5
= P⋅
χ PCl3 χ Cl 2
χ PCl5
El número total de moles en el equilibrio es:
n T = n o − n oα + n oα + n oα = n o + n oα :
n T = n o ⋅ (1 − α )
Conocido el número de moles totales se calculan las fracciones molares en función de α.
n (PCl 5 ) n o (1 − α ) 1 − α

χ PCl5 =
=
=

n 
nT
n o (1 + α ) 1 + α
χi = i : 
n (PCl 3 ) n (Cl 2 )
noα
α
nT 
χ PCl3 = χ Cl 2 =
=
=
=

nT
nT
n o (1 + α ) 1 + α
Sustituyendo las fracciones molares en Kp, se obtiene la expresión buscada:
α
α
⋅
2
χ PCl3 χ Cl 2
+
α
1
1
+
α = P⋅ α
= P⋅
Kp = P⋅
1− α
χ PCl5
1− α 2
1+ α
expresión que relaciona Kp α y P. Teniendo en cuenta que Kp no depende de la presión y que por tanto
permanece invariable si se aumenta la presión, se puede calcular el nuevo α.
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0'33 = 10 ⋅
α2
1− α 2
:
α = 0'18
Conocido α se calculan las fracciones molares en el nuevo equilibrio
1 − α 1 − 0'18
χ PCl5 =
=
= 0'7
1 + α 1 + 0'18
α
χ PCl3 = χ Cl 2 =
= 0'15
1+ α
Problema 2.- Si la energía de ionización del K gaseoso es de 418 kJ·mol-1.
Datos: h = 6’63×10−34 J.s; c = 3’0×108 m·s−1; Número de Avogadro = 6’023×1023 mol−1
Puntuación máxima por apartado: a) y c) 0,5 puntos; b) 1,0 punto.
a. Calcule la energía mínima que ha de tener un fotón para poder ionizar un átomo de K.
Solución.
Se pide calcular la energía de ionización de un átomo de K conocida la energía de ionización de
un mol de átomos de potasio
kJ
J
1
E mín = 418
⋅10 3
⋅
= 6'94 × 10 −19 J
−
3
at
mol
kJ 6'02 × 10
mol
b. Calcule la frecuencia asociada a esta radiación y, a la vista de la tabla, indique a qué región del
espectro electromagnético pertenece.
Solución.
La frecuencia de la radiación luminosa se obtiene a partir de la energía.
E
6'94 × 10 −19 J
E = h ⋅ν
ν= =
= 1'05 × 1015 s −1 (Hz )
h 6'63 × 10 −34 J ⋅ s
Para conocer la región del espectro de la radiación se calcula la longitud de onda y se compara
con la tabla.
3 × 10 8 m
c
s = 2'85 × 10 −7 m
λ= =
15
ν 1'05 × 10 s −1
Por comparación la radiación se encuentra en la región del ultravioleta.
c.
¿Podría ionizarse este átomo con luz de otra región espectral? Razone la respuesta. En caso
afirmativo, indique una zona del espectro que cumpla dicho requisito.
Solución.
Cualquier radiación cuya energía asociada sea mayor que el potencial de ionización del átomo
producirá la ionización de este (E > 6’49×10−19 J). Teniendo en cuenta que la energía es inversamente
proporcional a la longitud de onda (Sí λ disminuye, E aumenta), radiaciones cuya longitud de onda sea
menor a 2’85×10−7 m producirán también la ionización del potasio, se localizarán en la región de los
Rayos X ó de los Rayos γ
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