PROBLEMA 1. (20 PUNTOS)

Transcripción

1 PROBLEMA 1. (20 PUNTOS) El azul de bromotimol es un indicador ácido-base. uando 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 p 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. -7 Dato: La constante de acidez del azul de bromotimol es, a 25º, K = a) El azul de bromotimol es un ácido débil. Sea AB 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: AB + 2 O AB O + amarillo azul a En el equilibrio se cumple: - + [ ΑΒ ] Η3Ο K a = [ ΑΒΗ] de donde: [ AB] K O = [ AB ] + a 3 - uando en la disolución hay un 90.9% de forma molecular, AB, naturalmente habrá un 9.1% de forma ionizada, AB -, y la disolución presentará un color amarillo. La concentración de hidrogeniones en esta situación será: 90.9 O = = mol.l y el p: p = -log ( ) 3O = -log = 6.0 p = 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, AB, predominando el color azul en la disolución. La concentración de hidrogeniones será: 20.0 O = = mol.l y, el valor del p: p = -log ( ) 3O = -log = 7.6 p = 7.6 El indicador azul de bromotimol cambia de color en el intervalo de p comprendido entre los valores 6.0 y p 7.6 b) Esto se corresponde con una reacción de neutralización de un ácido fuerte (l) con una base fuerte (NaO), 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 l y de NaO que se mezclan será: moles de l = 20mL x 0.03M = 0.6mM moles de NaO = 50mL x 0.01M = 0.5mM por lo que teniendo en cuenta que la reacción es 1:1, habrá 0.1mM de l en exceso; por consiguiente hay un exceso de medio ácido y la disolución presentará un color azul.

2 PROBLEMA 2. (20 PUNTOS) Al quemar completamente 2.16 g de una cetona saturada se obtiene 2.7 litros en condiciones normales de O 2. a) alcule 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. a) La fórmula emprírica de una cetona saturada es n 2n O. Al quemar un compuesto carbonílico se produce siempre O 2 y 2 O, de acuerdo con la reacción: n 2n O + O 2 n O 2 + n 2 O Por lo que, 1 mol de n 2n O produce n moles de O 2. Teniendo en cuenta que 1 mol de gas en condiciones normales ocupa 22.4L, entonces el volúmen de O 2 producido será de n 22.4L. onsiderando, además la masa molecular de la cetona: Tenemos: n 2n O = 12 n + 2 n +16 = 14 n +16 g/mol (14 n +16)g producen n 22.4L de O 2 por lo que: 14 n + 16 n 22.4 = g producen 2.7L de O 2 (14 n +16) 2.7 = (n 22.4) n = n 43.2 = n 37.8 n 43.2 = n 43.2 n = = 4.08 n = b) Es la butanona, de fórmula: masa molecular de la cetona = 14 n +16 = O 3 c) No tiene isómeros de cadena, ni de posición ni ópticos, pero sí tiene 2 isómeros de función que son: butanal O 3 O 3 metil-propanal Ambos tienen de fórmula empírica 4 8 O.

3 PROBLEMA 3. (20 PUNTOS) La omunidad 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%. a) Las reacciones químicas ajustadas son: S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) (I) SO 2 (g) + 1/2O 2 (g) SO 3 (g) + 2 O(aq) SO 3 (g) 2 SO 4 (aq) (II) (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 onsiderando el peso atómico del S (32g/mol), el número de moles de S que hay en 12.5Kg será: n ( S) = = Partiendo de estos moles de S y teniendo en cuenta las reacciones (I), (II) y (III) sabemos que: - el rendimiento de formación de SO 2 según la reacción (I) es del 90% el número de moles de SO 2 formados serán: n ( SO2 ) = = el rendimiento de formación de SO 3 según la reacción (II) es del 30% el número de moles de SO 3 formados serán: n ( SO3 ) = = si todo el SO 3 se transforma en 2 SO 4, de acuerdo con la reacción (III) se habrán formado tantos moles de 2 SO 4 como de SO 3 había por cada tonelada de combustible quemado: ( ) ( ) n SO = n SO = Teniendo en cuenta que la masa molecular del 2 SO 4 es 98g/mol podemos conocer la masa de 2 SO 4 que se produce por cada tonelada de combustible quemado: masa 2SO4 = = g = 10.34Kg masa 2SO4 = 10.34Kg

4 PROBLEMA 4. (20 PUNTOS) Se montan en serie tres cubas electrolíticas. La primera contiene una solución de nitrato de AgNO 3 ; la segunda, una solución de uso 4 ; y la tercera, una solución de Aul 3. 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) alcule el número de átomos de u depositados en el cátodo de la segunda cuba electrolítica. b) alcule 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 u 2+. Sabiendo que el p de la sangre es de 7.4, y siendo conscientes de que hay que evitar la precipitación del u 2+ en forma de u(o) 2 en la sangre. uál debe ser la concentración máxima de u 2+ libre -20 en la sangre?. Dato: K = ps Planteamiento general: Las ecuaciones correspondientes a las semirreacciones de reducción que se producen en las cubas electrolíticas son: átodo 1ª cuba: Ag + (aq) + 1e - Ag(s) (I) átodo 2ª cuba: u 2+ (aq) + 2e - u(s) (II) átodo 3ª cuba: Au 3+ (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 u en el cátodo de la segunda cuba y 1/3 de mol de Au en el cátodo de la tercera cuba. Por tanto: a) álculo del número de átomos de u que se han depositado en el cátodo de la segunda cuba, N(u): 1 mol u 23 1 mol Ag átomos u 22 N ( u ) =5.40g Ag 2 = átomos u 107.9g Ag 1 mol Ag 1 mol u átomos de u 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 g Au m(au) = 5.40g Ag = 3.29 g de Au 107.9g Ag 1 mol Ag 1 mol Au 3.29g de Au

5 c) El montaje del dispositivo electrolítico es: d) El equilibrio de solubilidad correspondiente al u(o) 2 es: u(o) 2 (s) u 2+ (aq) + 2O - (aq) 2+ - por lo que la constante de solubilidad para este equilibrio será: [ ][ ] 2 K = u O (I) La concentración de O - se puede conocer a través del p de la sangre ya que: 14= p + po po = 14 - p po = = po y el po es: po = -log[ O ] [ O ] =10 [ ] ps O =10 = Teniendo en cuenta el valor de K ps = y, la concentración de O - calculada, sustituyendo en la ecuación (I) podemos conocer la concentración máxima de u 2+ libre en la sangre: [ ] u = = M -7 2 ( ) [u 2+ ] = M

6 UESTION 1. (10 PUNTOS) El isocianato de metilo ( 3 NO) 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, N, y O; el número de enlaces de tipo y de tipo π; el orden de enlace de los enlaces: -, N- y -O; y los ángulos que forman los átomos: N y NO. b) Ordene las siguientes moléculas en orden creciente de momento dipolar: 2 O, Br 4, 2 S, F, O 2. (Datos: Electronegatividad de Pauling. =2.20, O=3.44, Br=2.96, =2.55, S=2.58, F=3.98). c) Prediga, razonadamente, el ángulo de enlace N en las siguientes especies: N 4 +, N 3, N 2 -. uál es la estructura molecular en cada caso?. a) La Estructura de Lewis del isocianato de metilo es: El número y tipo de enlace: N O π π N O Tipo de Enlace Número 6 π 2 Los órdenes de enlace: Enlace Orden de Enlace - 1 -N 3 -N 1 N= 2 =O 2 Y los ángulos de enlace: Átomos que definen el ángulo Valor del ángulo / º N 109 NO 180

7 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. uanto 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 O 2 y el Br 4. Por lo tanto atendiendo a este criterio el orden de las moléculas dadas, ordenadas en orden creciente de sus momentos dipolares será: c) Los valores del ángulo N son: O 2 = Br 4 < 2 S < 2 O < F + N N N - 109º <109º >109º UESTION 2. (5 PUNTOS) Los potenciales de reducción de las semirreacciones u 2+ /u y Al 3+ /Al valen y V respectivamente. Razone: a) Identifique la especie más reductora y la más oxidante. b) Qué sucede si se mezclan disoluciones de All 3 y ul 2. c) Qué sucede cuando una cuchara de cobre se introduce en una disolución de Al 3+. d) Qué sucede cuando una cuchara de aluminio se introduce en una disolución de u 2+. a) Las semirreacciones de reducción que nos indican en el enunciado son: u e - u Al e - Al Eº=+0.34V 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 u 2+. La ecuación de oxidación-reducción que resulta a partir de estas 2 semirreacciones es: 2x( Al Al e - ) 3x( u e - u ) Eº= +1.66V Eº= +0.34V 2Al + 3u 2+ 2Al u 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 u. La reacción global se correspondería con la escrita en el apartado a).

8 UESTION 3. (5 PUNTOS) omente la figura adjunta (funciones orgánicas, isomerías, etc...) 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 (-O) y un grupo carboxilo (-OO) unidos a un mismo átomo de carbono, además unidos a este carbono también hay un átomo de hidrógeno () y un grupo metilo (- 3 ) por lo que se trata de un carbono quiral (los cuatro sustituyentes son distintos). O O 3 O 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.

9 SUPUESTO PRATIO 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. Reactivos: - idróxido 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. olocar dicha disolución en la bureta situada en su correspondiente soporte. olocar 10 ml del aceite en un matraz Erlenmeyer y añadir 25 ml de etanol absoluto para permitir la mezcla de la disolución valoradora (NaO acuoso) y el aceite durante la valoración. Añadir una gota de la disolución alcohólica de fenolftaleína. Añadir, gota a gota, la disolución de NaO 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. álculos: omo el ácido oleico es un ácido monocarboxílico, en este caso la molaridad se calcula haciendo uso de esta ecuación: MbaseV M ácido = V ácido base