PAAU (LOXSE) Xuño 2007

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1 PAAU (LOXSE) Xuño 27 Código: 31 QUÍMICA CALIFICACIÓN: CUESTIONES =2 PUNTOS CADA UNA; PROBLEMAS: 2 PUNTOS CADA UNO; PRÁCTICA: 2 PUNTOS CUESTIONES (Responda SOLAMENTE a DOS de las siguientes cuestiones) 1. Escriba las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo (indicando el tipo de proceso que ocurre) y calcule la fuerza electromotriz de la siguiente pila: Cd(s) Cd 2+ (aq, l M) Ag + (aq, l M) Ag(s). Datos: Eº (Cd 2+ /Cd)= -,4V; Eº (Ag + /Ag)= +,8V. 2. Considere la familia de los elementos alcalinos. (a) Cuál es la configuración electrónica más externa común para estos elementos? (b) Cómo varía el radio atómico en el grupo y por qué? Justifique las respuestas. 3. (a) Al comparar dos moléculas muy similares: CO 2 y H 2 O se observa que en la primera el momento dipolar es cero, mientras que en la segunda no lo es. Justifíquelo de forma razonada. (b) Explique brevemente por qué muchas reacciones endotérmicas transcurren espontáneamente a altas temperaturas. PROBLEMAS (Responda SOLAMENTE a DOS de los siguientes problemas) 1. A la temperatura de 35 ºC disponemos, en un recipiente de 31 cm 3 de capacidad, de una mezcla gaseosa que contiene 1,66 g de N 2 O 4 en equilibrio con,385 g de NO 2. (a) Calcule la K c de la reacción de disociación del tetróxido de dinitrógeno a la temperatura de 35 ºC. (b) A 15 ºC, el valor numérico de K c es de 3,2. Cuál debe ser el volumen del recipiente para que estén en equilibrio 1 mol de tetróxido y dos moles de dióxido de nitrógeno?. Dato: R=,82 atm L/K mol 2. (a) Calcule el calor de formación del acetileno (C 2 H 2 (g)) a partir de los calores de formación del H 2 O (l) y del CO 2 (g) y del calor de combustión del C 2 H 2 (g) (b) Qué volumen de dióxido de carbono medido a 3 ºC y presión atmosférica (1 atm) se generará en la combustión de 2 g de acetileno?. Datos: R=,82 atm L/K mol Datos: ΔH f (H 2 O)(l)) = -285,8 kj/mol; ΔH f (CO 2 (g)) = -393,31 kj/mol; ΔH c (C 2 H 2 (g)) = -13 kj/mol 3. El cloruro de plata es una sal poco soluble y su constante de producto de solubilidad vale 1, (a) Escriba la ecuación química del equilibrio de solubilidad de esta sal y deduzca la expresión para la constante del producto de solubilidad (b) Determine la máxima cantidad de esta sal, expresada en gramos, que puede disolverse por litro de disolución. PRÁCTICAS (Responda SOLAMENTE a UNA de las siguientes prácticas) 1. Nombre el material de laboratorio que se muestra en la figura, indicando brevemente para qué se utiliza en el laboratorio. 2. Explique cómo determinaría en el laboratorio la concentración de una disolución de ácido clorhídrico utilizando una disolución de hidróxido de sodio,1m. Indique el material, procedimiento y planteamiento de los cálculos.

2 CUESTIONES Soluciones 1. Escriba las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo (indicando el tipo de proceso que ocurre) y calcule la fuerza electromotriz de la siguiente pila: Cd(s) Cd 2+ (aq, l M) Ag + (aq, l M) Ag(s). Datos: Eº (Cd 2+ /Cd)= -,4V; Eº (Ag + /Ag)= +,8V. Rta.: ánodo (oxidación): Cd Cd e ; cátodo (reducción): Ag + + e Ag ; E = 1,2 V 2. Considere la familia de los elementos alcalinos. (a) Cuál es la configuración electrónica más externa común para estos elementos? (b) Cómo varía el radio atómico en el grupo y por qué? Justifique las respuestas. Rta.: a) n s 1 (n: período) b) aumenta hacia abajo porque el radio de los orbitales aumenta con el número cuántico principal que corresponde al período. 3. (a) Al comparar dos moléculas muy similares: CO 2 y H 2O se observa que en la primera el momento dipolar es cero, mientras que en la segunda no lo es. Justifíquelo de forma razonada. La electronegatividad mide la tendencia que tiene un átomo a atraer hacia sí el par de electrones del enlace y la resistencia a dejarlos marchar. El elemento más electronegativo es el flúor y después el oxígeno. Como el oxígeno es mucho más electronegativo que el carbono y que el hidrógeno, tanto el enlace C +δ O δ como el H +δ O δ serán polares. La diferencia está en la forma de las moléculas. La molécula de CO 2 es lineal. La T.R.P.E.C.V. lo explica porque el átomo central de carbono sólo está unido a dos átomos de oxígeno y no tiene pares electrónicos no enlazantes, como se ve en el diagrama electrónpunto de Lewis: :Ö::C::Ö: La repulsión entre los electrones de los enlaces explica una disposición lineal con ángulo de 18º. Como el momento dipolar se puede representar por un vector, la resultante de los vectores dipolares O δ C +δ O δ de igual valor y sentidos opuestos es nula. La molécula de CO 2 es apolar. La molécula de H 2 O es angular con un ángulo de 15º. La T.R.P.E.C.V. lo explica porque el átomo central de oxígeno está unido a dos átomos de hidrógeno y tiene dos pares electrónicos no enlazantes, como se ve en el diagrama electrón-punto de Lewis: H:O:H La repulsión entre los electrones de los enlaces y los de los pares no enlazantes explica una disposición casi tetraédrica entre los pares de electrones con un ángulo H O H algo menor de 19,5º. Como el momento dipolar se puede representar por un vector, la resultante de los vectores dipolares H +δ O -δ no es nula. La molécula de H 2 O es polar. : : µ H +δ 3. (b) Explique brevemente por qué muchas reacciones endotérmicas transcurren espontáneamente a altas temperaturas. El criterio de espontaneidad de una reacción química viene dado por el signo de la entalpía libre o energía libre de Gibbs G: G = H T S donde H es la variación de entalpía del proceso y S la variación de entropía. Un proceso es espontáneo si G <.

3 Si la reacción es endotérmica, H > por lo que si la temperatura es muy baja, el segundo término apenas influye y G > que indica que el proceso no será espontáneo. Pero si la variación de entropía del proceso es positiva, y la temperatura lo suficientemente alta para que T S > H sería G < y el proceso sería espontáneo. PROBLEMAS 1. A la temperatura de 35 C disponemos, en un recipiente de 31 cm 3 de capacidad, de una mezcla gaseosa que contiene 1,66 g de N 2O 4 en equilibrio con,385 g de NO 2. a) Calcule la K c de la reacción de disociación del tetróxido de dinitrógeno a la temperatura de 35 ºC. b) A 15 ºC, el valor numérico de K c es de 3,2. Cuál debe ser el volumen del recipiente para que estén en equilibrio 1 mol de tetróxido y dos moles de dióxido de nitrógeno? Dato: R =,82 atm L/K mol Rta.: a) K C =,125; b) V = 1,25 dm 3 Datos Cifras significativas: 3 volumen temperatura apartado a) V = 31 cm 3 =,31 L T = 35 C = 38 K masa en el equilibrio N 2 O 4 a 35 C m e (N 2 O 4 ) = 1,66 g N 2 O 4 masa en el equilibrio NO 2 a 35 C m e (NO 2 ) =,385 g NO 2 constante del equilibrio K C a 15 C K' C = 3,2 cantidad en el equilibrio N 2 O 4 a 15 C n e (N 2 O 4 ) = 1, mol N 2 O 4 cantidad en el equilibrio NO 2 a 15 C n e (NO 2 ) = 2, mol NO 2 Incógnitas constante del equilibrio K C a 35 C volumen del recipiente Otros símbolos cantidad de una sustancia X Ecuaciones cantidad (número de moles) concentración de la sustancia X constante del equilibrio: a A + b B c C + d D K C V n(x) n = m / M [X] = n(x) / V K C = [C] e c [ D] e d [ A] e a [ B] e b

4 La ecuación química es: La expresión de la constante de equilibrio: N 2 O 4 (g) 2 Las concentraciones de las especies en el equilibrio son: NO 2 (g) K C = [ NO 2 2] e [ N 2 O 4 ] e [NO 2 ] e =,385g NO 2,31dm 3 1 mol NO 2 46, gno 2 =,27 mol/dm 3 y el valor de la constante de equilibrio a 35 C es [ N 2 O 4 ] e = 1,66 g N 2O 4,31 dm 3 1mol N 2 O 4 92, g N 2 O 4 =,582 mol/ dm 3 K C = [ NO 2 2] e =,27 2 [ N 2 O 4 ] e,582 =,125 b) Al variar la temperatura, varía la constante de equilibrio. Volviendo a escribir la expresión de la constante a la temperatura de 15 C 2, 2 K ' C =3,2= [ NO ] 2 2 e V = [ N 2 O 4 ] e 1, V = 4, V de donde: V = 4, / 3,2 = 1,25 dm 3 2. (a) Calcule el calor de formación del acetileno (C 2H 2 (g)) a partir de los calores de formación del H 2O (l) y del CO 2 (g) y del calor de combustión del C 2H 2 (g) (b) Qué volumen de dióxido de carbono medido a 3 ºC y presión atmosférica (1 atm) se generará en la combustión de 2 g de acetileno?. Datos: R=,82 atm L/K mol Datos: ΔH f (H 2O)(l)) = -285,8 kj/mol; ΔH f (CO 2(g)) = -393,31kJ/mol; ΔH c (C 2H 2(g)) = -13 kj/mol. Rta.: a) ΔH f (C 2 H 2 ) = 228 kj/mol C 2 H 2 ; b) V = 382 L CO 2 Datos Cifras significativas: 4 C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O (l) C (graf.) + O 2 (g) CO 2 (g) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔH c (C 2 H 2 ) = 1 3 kj/mol ΔH f (CO 2 ) = 393,3 kj/mol ΔH f (H 2 O(l)) = 285,8 kj/mol masa de acetileno m = 2 g C 2 H 2 presión a la que se mide el volumen de CO 2 temperatura a la que se mide el volumen de CO 2 Incógnitas P = 1 atm T = 3 C = 33 K calor molar de formación del acetileno ΔH c (C 2 H 2 )

5 Datos Cifras significativas: 4 volumen de CO 2 a 3 C y 1 atm generado al quemar 2 g de acetileno V Otros símbolos cantidad de sustancia (número de moles) n Ecuaciones ley de Hess ΔH = ΔH PRODUC ΔH REACTIV a) Ecuación de combustión del acetileno: C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + H 2 O (g) ΔH c = 1 3 kj/mol Ecuaciones de formación: 2 C (graf.) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) H f (C 2 H 2 ) C (graf.) + O 2 (g) CO 2 (g) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) H f (CO 2 ) = 393,31 kj/mol H f (H 2 O) = 285,8 kj/mol Por la ley de Hess, H c (C 2 H 2 ) = 2 H f (CO 2 ) + H f (H 2 O) ( H f (C 2 H 2 ) + 5/2 H f (O 2 ) ) 1 3 kj = (2 [mol CO 2 ] ( 393,3 [kj/mol CO 2 ] 285,8 [kj])) ( H f (C 2 H 2 )) H f (C 2 H 2 ) = 228 kj/mol C 2 H 2 b) De la estequiometría de la reacción: n CO 2 =2g C 2 H 2 1 mol C 2 H 2 26, g C 2 H 2 2mol CO 2 1mol C 2 H 2 =15,4 mol CO 2 Suponiendo comportamiento ideal para el CO 2 : n R T V = P P V = n R T = 15,4 mol CO 2,82atm L K 1 mol K =382L CO 1atm 2 3. El cloruro de plata es una sal poco soluble y su constante de producto de solubilidad vale 1, a) Escriba la ecuación química del equilibrio de solubilidad de esta sal y deduzca la expresión para la constante del producto de solubilidad b) Determine la máxima cantidad de esta sal, expresada en gramos, que puede disolverse por litro de disolución. Rta.: b) m = 1, g AgCl / L D Datos Cifras significativas: 2 producto de solubilidad del AgCl K s = 1,8 1-1 Incógnitas máxima masa de AgCl, que puede disolverse por litro de disolución. s'

6 Otros símbolos concentración (moles/l) en de AgCl en agua Ecuaciones producto de solubilidad del equilibrio: B b A a (s) b B a+ (aq) + a A b- (aq) s K s = [A b- ] a [B a+ ] b a) El equilibrio de solubilidad es AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq) AgCl Ag + Cl [ ] eq mol/l s s La constante de equilibrio K s es: K s = [Ag + ] [Cl ] = s s = s 2 b) Como la solubilidad s es la concentración de la disolución saturada, o lo que es lo mismo, la máxima cantidad de sal, que puede disolverse por litro de disolución Pasando los moles a gramos s= 1,8 1 1 =1,3 1 5 mol AgCl/ L D s' =1,3 1 5 mol AgCl/ L D 143g AgCl 1 mol AgCl =1, g AgCl/L D PRÁCTICAS 1. Nombre el material de laboratorio que se muestra en la figura, indicando brevemente para qué se utiliza en el laboratorio. 1. Matraz erlenmeyer: contener líquidos o disoluciones, p. ej. en las valoraciones ácido-base. 2. Balón de fondo redondo: destilación. 3. Pipeta: medida de volúmenes de líquidos o disoluciones, p. ej. en las valoraciones ácido-base. 4. Bureta: medida de volúmenes de líquidos o disoluciones, p. ej. en las valoraciones ácido-base. 5. Probeta: medida de volúmenes de líquidos o disoluciones, p. ej. en la práctica de dilución. 6. Embudo: soportar un filtro, p. ej. en la filtración. 7. Vidrio de reloj: pesada de sólidos,, p. ej. en la práctica de medida del calor de disolución. 8. Vaso de precipitados: contener líquidos o disoluciones. (No se usa para medir), P.ej. en la práctica de precipitación. 9. Nuez con pinza: para sujetar objetos, p. ej. buretas en las valoraciones. 1. Tubo de ensayo: contener pequeños volúmenes de líquidos o disoluciones y hacer pruebas, p. ej. disolución de precipitados.

7 2. Explique cómo determinaría en el laboratorio la concentración de una disolución de ácido clorhídrico utilizando una disolución de hidróxido de sodio,1m. Indique el material, procedimiento y planteamiento de los cálculos. Se llena una bureta de 25 cm 3 con la disolución de HCl por encima del cero y se abre la llave hasta que la disolución alcance el cero. Se miden con otra pipeta 1, cm 3 de disolución de NaOH,1 mol/dm 3. Se pasan a un matraz erlenmeyer y se le añaden dos gotas de disolución de fenolftaleína. La disolución debe tomar una color rosa. Se coloca el erlenmeyer sobre un papel blanco que resalte el color rosa de la disolución y se coloca debajo de la bureta que contiene el HCl. Se abre la llave dejando caer el HCl en el erlenmeyer en chorros y se agita hasta que el color rosa desaparezca. Se anota el valor del volumen de HCl gastado. Se tira el contenido del erlenmeyer y se lava. Se vuelven a medir con la pipeta 1, cm 3 del NaOH y se vierten en el erlenmeyer, añadiéndole dos gotas de fenolftaleína. Se vuelve a llenar la bureta con HCl diluido y se pone a cero. Se coloca el erlenmeyer bajo la bureta y se abre la llave hasta un cm 3 menos que el volumen gastado la primera vez. Se agita el erlenmeyer y se deja gotear el clorhídrico, removiendo continuamente, hasta que el color rosa desaparezca. Se anota este valor como V 1. Se repite el proceso otras dos veces tomando volúmenes V 2 y V 3. Si los tres valores son lo suficientemente próximos (±,2 cm 3 ) se halla el valor medio. Si no, se desprecia el más alejado y se toma la media de los otros dos. V m. La concentración del HCl se calcula por estequiometría. Al reaccionar el clorhídrico con el hidróxido de sodio, mol a mol, la cantidad de clorhídrico que reacciona es la misma que la del hidróxido de sodio HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O [HCl]= n HCl V D HCl = n NaOH V D HCl = V m [ NaOH] V D HCl = V m,1,1dm 3=V m mol HCl/dm3 D donde V m es el volumen medio gastado de clorhídrico en dm 3. 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