Examen de la 2ª Evaluación 30/03/06 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA

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1 Química 2º Bach. Examen de la 2ª Evaluación 30/03/06 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Nombre: Problemas (Responde a dos de los siguientes problemas) [2 PUNTOS / UNO] 1. La combustión de 6,4 g de una muestra líquida de un compuesto orgánico oxigenado produce 9,2 g de dióxido de carbono y 5,0 g de agua líquida. Una disolución de 2,8 g de dicho compuesto en 50 g de agua tiene una concentración 0,61 molal. Determina las fórmulas empírica, molecular y semidesarrollada del compuesto, sabiendo que no contiene ningún grupo éter. Todo el carbono del CO 2 ya estaba en el compuesto orgánico. 12,0 g C m C = 9,2 g CO 2 = 2,5 g de C en 6,4 g de compuesto orgánico. 44,0 g CO 2 Todo el hidrógeno del H 2 O ya estaba en el ácido. m H = 5,0 g H 2 O 2,02 g H = 0,56 g de H en 6,4 g de compuesto orgánico. 18,0 g H 2 O El resto, hasta 6,4 g es oxígeno: m O = 6,4 (2,5 + 0,56) = 3,3 g de O en 6,4 g de compuesto orgánico. De los datos de la disolución se calcula la masa molar del compuesto orgánico, Tomando como base de cálculo 1,00 kg de agua, en la disolución habrá 0,61 mol de compuesto orgánico. La masa de compuesto orgánico que hay por cada 1,00 kg de agua es: m comp =1, ,8g compuesto orgánico g H 2 O =56 g compuesto orgánico 50 g H 2 O De donde la masa molar del compuesto orgánico será: M MOL = 56 g compuesto orgánico / 0,61 mol de compuesto orgánico = 92 g/mol En cada mol de compuesto orgánico habrá: 2,5 g C 92 g compuesto n C = 6,4 g compuesto 1 mol compuesto 1 mol C 12,0 g C 0,56 g H 92 g compuesto n H = 6,4 g compuesto 1 mol compuesto 1 mol H 1,01g H 3,3 g O 92 g compuesto n O = 6,4 g compuesto 1 mol compuesto 1 mol O 16,0 g O Su fórmula molecular es C 3 H 8 O 3. Su fórmula empírica también es C 3 H 8 O 3. = 3 mol C /mol de compuesto orgánico = 8 mol H /mol de compuesto orgánico. = 3 mol O /mol de compuesto orgánico. El compuesto tiene el mismo número de hidrógenos que un compuesto saturado (C n H 2n+2 = C 3 H 8 ). Por tanto no contendrá ningún doble enlace ni C=C ni C=O. Todos los enlaces serán sencillos. Los enlaces sencillos C-O corresponden a alcoholes o a éteres. Como el enunciado afirma que no hay grupos éter, todos deben ser grupo alcohol. El compuesto es: CH 2 OH CHOH CH 2 OH 1,2,3-propanotriol (glicerina) 2. La constante del equilibrio: pentacloruro de fósforo tricloruro de fósforo + cloro, todos gases a C es K P = 1,89. Calcula: a) La constante de concentraciones K C del equilibrio de formación del pentacloruro de fósforo. En un matraz de 5,00 litros se introducen 4,16 g de pentacloruro de fósforo sólido y se calienta a C, con lo que el pentacloruro de fósforo sólido pasa a gas y se descompone. b) Halla el grado de disociación del pentacloruro de fósforo, una vez alcanzado el equilibrio. c) Cuál debería ser la presión total en el matraz para que el grado de disociación fuese del 75%

2 a) La constante de equilibrio es Para esta reacción: Para un gas ideal, PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) K P = P PCl 3 P Cl 2 =1,89 P PCl 5 K C = [PCl 3][Cl 2 ] [PCl 5 ] P V = n R T por lo que Para el equilibrio b) P= nrt V = n V RT K P = P PCl 3 P Cl 2 = [PCl 3] RT[Cl 2 ] RT = [PCl 3][Cl 2 ] RT=K P PCl 5 [PCl 5 ] RT [PCl 5 ] C RT K C = K P RT = 1,89 0, =0,0441 PCl 3 (g) + Cl 2 (g) PCl 5 (g) K Cf = [PCl 5] [PCl 3 ][Cl 2 ] = 1 K C = 1 0,0441 =22,7 n 0 PCl 5 =4,17 g PCl g/mol =0,0200 mol PCl 5iniciales Llamando x a la cantidad de PCl 5 disociada hasta alcanzar el equilibrio PCl 5 PCl 3 Cl 2 iniciales mol 0, reaccionan mol x x x equilibrio mol 0,0200 x x x n PCl 3 V n Cl 2 V x 2 5,00 x 2 0,0441= n PCl = = 5 0,0200 x 5,00 0,0200 x V 5,00 El grado de disociación es: x = 0,0185 mol PCl 5 disociados α = x / 0,0200 = 0,0185 / 0,0200 = 92,3% c) Si α = 75% = 0,75, la cantidad de PCl 5 disociada será: n(pcl 5 dis.) = α 0,0200 = 0,75 0,0200 = 0,015 mol PCl 5 disociados

3 La cantidad total de gas en el equilibrio será: pero no podemos usar PCl 5 PCl 3 Cl 2 iniciales mol 0, reaccionan mol 0,015 0,015 0,015 equilibrio mol 0,005 0,015 0,015 n T (gas) = 0, , ,015 = 0,035 mol gas P T V = n R T porque desconocemos el volumen. (Si la temperatura es la misma, la constante de equilibrio también lo es, y si ha cambiado el grado de disociación será a causa del cambio de presión y de volumen) Podemos usar la expresión de K P en función de las presiones parciales: K P = P PCl 3 P Cl 2 P PCl 5 = x PCl 3 P T x Cl 2 P T = x PCl 3 x Cl 2 P x PCl 5 P T x PCl 5 T 2 0,035 1,89= 0,015 0,005 0,035 P T=1,27 P T P T = 1,47 atm 3. La solubilidad del hidróxido de calcio en agua es 0,149 g / 100 ml. Explica si se formará precipitado de hidróxido de calcio al mezclar 10 ml de una disolución 0,50 M de cloruro de calcio con 15 ml de disolución de hidróxido de sodio de ph = 12,30. El equilibrio de solubilidad del hidróxido de calcio es: Ca(OH) 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 OH (aq) Aparece precipitado cuando Q s = [Ca 2+ ][OH ] 2 > K s Se puede calcular el producto de solubilidad del hidróxido de calcio a partir de la solubilidad: K s = [Ca 2+ ][OH ] 2 = s (2 s) 2 = 4 s 3 Como la solubilidad molar es: s= 0,149 g Ca(OH) 2 1 mol Ca(OH) cm cm 3 D 74,1 g Ca(OH) 2 1 L =0,0201 M El producto de solubilidad es: K s = 4 s 3 = 4 (0,0201) 3 = 3, El cloruro de calcio es una sal soluble CaCl 2 (aq) Ca 2+ (aq) + 2 Cl (aq) n(ca 2+ ) = n(cacl 2 ) = 10 ml 10-3 L/mL 0,50 M = 5, mol Ca 2+ La concentración de iones hidróxido se calcula a partir del ph: poh = 14,0 ph = 14,00 12,30 = 1,70 [OH ] = 10-1,70 = 0,020 M n(oh ) = 15 ml 10-3 L/mL 0,020 M = 3, mol OH Cuando se mezclen las disoluciones de hidróxido de sodio y nitrato de magnesio, el volumen total será: V = 10 ml + 15 ml = 25 ml = 0,025 L y las concentraciones de los iones

4 [Ca 2 + ] = 5, mol Ca 2+ / 0,025 L = 0,20 M [OH ] = 3, mol OH / 0,025 L = 0,012 M Por lo que Q s = [Ca 2 + ][OH ] 2 = 0,20 (0,012) 2 = 2, < 3, (= K s ) no se formará precipitado de hidróxido de calcio. Cuestiones (Responde a dos de las siguientes cuestiones) [2 PUNTO / UNA] 1. Formula en cada caso los dos isómeros y nómbralos: a) Un nitrilo que presente isomería de cadena. b) Un aminoácido que presente isomería óptica. c) Un ejemplo de isomería de función con un aldehido. d) Un ácido que presente isomería geométrica (cis-trans). a) Los isómeros de cadena más simples son: butanonitrilo: CH 3 CH 2 CH 2 C N CH 2-metilpropanonitrilo: 3 CH 3 CH C N b) El ácido 2-aminopropanoico tiene el carbono 2 asimétrico, y, por tanto, dos isómeros ópticos. NH 2 H 2 N H H 3 C C COOH HOOC C H CH 3 c) Los isómeros de función más simples son: propanal: CH 3 CH 2 CHO propanona: CH 3 CO CH 3 d) Para que exista isomería geométrica debe haber un doble enlace, con carbonos unidos a dos grupos distintos. Por ejemplo los isómeros cis y trans del ácido 2-butenoico. H H CH 3 H C C C C CH 3 COOH H COOH cis trans 2. Explica, razonadamente, si las siguientes reacciones serán siempre espontáneas, si no lo serán nunca, o si su espontaneidad depende de la temperatura, y en este último caso, cómo es esa dependencia: a) N 2 (g) + 3 Cl 2 (g) 2 NCl 3 (g) H>0 b) Mg (s) + H 2 SO 4 (aq) MgSO 4 (aq) + H 2 (g) H<0 c) N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H<0 d) 2 Ag 2 O (s) 4 Ag (s) + O 2 (g) H>0 Una reacción química será espontánea si la energía libre de Gibss, es negativa. G = H T S < 0. a) N 2 (g) + 3 Cl 2 (g) 2 NCl 3 (g) H>0. S < 0 Como hay menos moles de gas entre los productos (2) que entre los reactivos (3+1), el desorden y la

5 entropía S disminuyen. G = H T S = (+) ( ) > 0. La reacción nunca será espontánea. b) Mg (s) + H 2 SO 4 (aq) MgSO 4 (aq) + H 2 (g) H<0 S > 0. Despreciamos la entropía del sólido frente a las otras (S (Mg) 0) y suponemos que las sustancias disueltas tienen un valor similar de la entropía (S (MgSO 4 (aq) S (H 2 SO 4 (aq)). La entropía S de las sustancias disueltas es menor que la de los gases. (S (s) < S (l) < S (aq) < S (g)). Como hay más moles de gas entre los productos (1) que entre los reactivos (0), el desorden y la entropía S aumentan. G = H T S = ( ) (+) < 0 siempre. La reacción será espontánea siempre. c) N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H<0 S < 0 porque la entropía S es una magnitud extensiva (depende de la masa). S es una medida del grado de desorden. Los gases, el estado con mayor desorden, tienen una entropía alta y de valor similar. Como hay menos moles de gas entre los productos (2) que entre los reactivos (1+3), el desorden y la entropía S disminuyen. G = H T S = ( ) ( ). Será G < 0 sólo si H > T S T < H / S. La reacción será espontánea a temperatura baja, inferior a la de equilibrio. d) 2 Ag 2 O (s) 4 Ag (s) + O 2 (g) H>0 S > 0. Despreciamos las entropías de los sólidos frente a la del gas (S (Ag 2 O) 0, S (Ag) 0) S S (O 2 (g)) > 0. G = H T S = (+) (+). Será G < 0 sólo si H < T S T > H / S. La reacción será espontánea a temperatura alta, superior a la de equilibrio. Que una reacción sea espontánea significa que se realiza sin aporte continuo de energía, no que se produzca de manera muy rápida. Si una reacción no es espontánea, sólo se producirá mediante un aporte continuo de energía. 3. Para una reacción química entre gases, qué relación existe entre el calor de reacción a volumen constante y la variación de entalpía en la reacción? pueden ser iguales? Razónalo. El calor de reacción a volumen constante Q V es igual a la variación de energía interna de la reacción U, ya que, según el primer principio, U = Q + W, donde W es el trabajo, pero si el volumen no varía ( V = 0), no hay trabajo (W = -p ext V = 0). La entalpía es una función de estado definida por H = U + P V. La variación de entalpía, en una reacción química, será: H = H productos H reactivos = (U + P V) final (U + P V) inicial. = U + (P V) Para un gas (suponiendo comportamiento ideal): P V = n R T Para una reacción entre gases a temperatura constante, (P V) = n R T. La relación pedida es: H = U + n RT. Pueden ser iguales si no hay variación en el número de moles de gas, como en 2 IH (g) I 2 (g) + H 2 (g) en la que hay la misma cantidad de gas en los productos que en los reactivos. Prácticas (Responde a una de las siguientes prácticas) [2 PUNTOS] 1. Indica el procedimiento a seguir y describe el material a utilizar para la determinación, de forma aproximada, del calor de disolución del hidróxido de sodio en agua. Se disuelven 4,4 g de hidróxido de sodio al 90% en 100 g de agua a 16,0 0 C, la temperatura de la disolución llega hasta 26,5 0 C. A partir de estos datos calcula el valor de la entalpía molar de disolución del hidróxido de sodio. Procedimiento: En una probeta de 100 cm 3, se miden 100 cm 3 de agua y se vierten en un calorímetro. Se esperan unos minutos y se mide la temperatura con un termómetro (16 0 C).

6 En una balanza granataria, se tara un vidrio de reloj, y, con una espátula, se echan lentejas de NaOH hasta que la balanza marque 4,4 g. Rápidamente (para evitar la hidratación y carbonatación del NaOH) se echa el hidróxido de sodio en el calorímetro y se agita constantemente con una varilla, comprobando la temperatura. Se anota el valor cuando la temperatura se estabilice (26,5 0 C) Se vacía el calorímetro y se lava el material. Descripción del material: Probeta de 100 cm 3 : Tubo de vidrio, con base, graduado en cm 3. Calorímetro: Vaso aislado (termo) con tapadera. Termómetro (digital): Varilla metálica con pantalla digital. Vidrio de reloj: Recipiente de vidrio con forma de casquete esférico. Balanza (digital): Platillo con pantalla digital. (Sensibilidad 0,1 g) Espátula: cucharilla metálica con un extrema aplanado en forma de espátula. Varilla de vidrio: Cilindro macizo de vidrio de 2 ó 3 milímetros de diámetro. Cálculos: Al ser el calorímetro un sistema aislado, el proceso es adiabático, y Q (cedido en la disolución) + Q D (ganado por la disolución) + Q C (ganado por el calorímetro) = 0 El calor Q D ganado por la disolución es aproximadamente igual al ganado por el agua: Q D = m(agua) c e (agua) t = 0,100 [kg] [J/kg K] (26,5 16) K = 4, J El calor Q C ganado por el calorímetro se supone despreciable, porque no hay datos. Q (cedido en la disolución) = -4, J La masa de NaOH puro que se ha disuelto es: 90 g NaOH m=4,4 g hidróxido = 4,0 g NaOH puro 100 g hidróxido Como ocurre a presión constante, Q = Q P = H H d 0 = 4, J 4,0 g NaOH 1 kj 10 3 J 40 g NaOH 1 mol NaOH = -44 kj / mol NaOH 2. Se pesan 6,7 g de cloruro de calcio del 75% de riqueza y se disuelven en agua. Si el carbonato de sodio debe incrementarse en un 10%, cuánto hay que pesar? Se disuelve el carbonato de sodio en agua y se mezcla con la disolución anterior. Escribe la reacción que tiene lugar. Cómo se separa el precipitado? Dibuja el material y explica el modo de utilizarlo. Cómo podría disolverse el precipitado? La reacción es: CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + 2 Na + (aq) + 2 Cl (aq) 75 g CaCl 2 m Na 2 CO 3 =6,7 g cloruro 100 g cloruro 1 mol CaCl 2 1 mol Na 2CO g Na 2CO 3 =4,8 g Na 111 g CaCl 2 1 mol CaCl 2 1 mol Na 2 CO 2 CO 3 3 Si se incrementa en un 10% 10% 4,8 g = 0,5 g habrá que pesar: 4,8 + 0,5 = 5,3 g Na 2 CO 3 El precipitado se separa por filtración a vacío. Se vierte el líquido con el precipitado sobre un embudo Büchner, con papel de filtro, acoplado a un matraz kitasato conectado a una trompa de vacío por el vástago lateral. Embudo Büchner Matraz kitasato

7 El precipitado de carbonato de calcio se puede disolver con un ácido, por ejemplo, ácido clorhídrico, puesto que el carbonato es la sal de un ácido débil, y la adición de un ácido desplazaría los equilibrios hacia la derecha. CaCO 3 (s) CO 3 2 (aq) +Ca 2+ (aq) CO 3 2 (aq) + H + (aq) HCO 3 (aq) HCO 3 (aq) + H + (aq) H 2 CO 3 (aq) H 2 CO 3 (aq) CO 2 (g) + H 2 O (l) haciendo que el precipitado de carbonato de calcio se disuelva. DATOS: 1 atm = 760 mm Hg = Pa. R=0,082 atm dm3 mol K =8,31 J mol K N A = 6, mol -1 Constante iónica del agua, K w = 1, Calor específico del agua = J/kg K

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