Pruebas de Acceso a las Universidades de Castilla y León

Transcripción

1 Pruebas de Acceso a las Universidades de Castilla y León QUÍMICA Junio 004 Texto para los Alumnos Nº páginas: CRITERIOS GENERALES DE EVALUACIÓN El alumno deberá contestar a uno de los dos bloques A o B con sus problemas y cuestiones, cada bloque consta de cinco preguntas. Cada una de esas preguntas puntuará como máximo dos puntos. La calificación máxima la alcanzarán aquellos ejercicios que, además de bien resueltos, estén bien explicados y argumentados, cuidando la sintaxis y la ortografía y utilizando correctamente el lenguaje científico, las relaciones entre las cantidades físicas, símbolos, unidades, etc. DATOS GENERALES Los valores de las constantes de equilibrio que aparecen en los problemas debe entenderse que hacen referencia a presiones expresadas en atmósferas y concentraciones expresadas en mol l -1. Constantes: N A = 6,01x10 3 mol -1 F = C mol -1 u = 1,6605x10-7 kg 1 atm = 1,0133x10 5 N m - R = 8,3145 J K -1 mol -1 = 0,08 atm dm 3 K -1 mol -1 e = 1,60x10-19 C Masas atómicas relativas: H= 1,008; O= 16,00; C= 1,0; N= 14,01; Na=,99; Ne=0,18; Ar= 39,95; Xe= 131,3; Ca= 40,08; Cl= 35,45 BLOQUE A 1. Por combustión de propano con suficiente cantidad de oxígeno se obtienen 300 litros de CO medidos a 0,96 atm y 85 K. Calcular: a) Número de moles de todas las sustancias que intervienen en la reacción. b) Volumen de aire necesario, en condiciones normales, suponiendo que la composición volumétrica del aire es 0% de oxígeno y 80% de nitrógeno.. Se dispone de las siguientes disoluciones: i) ácido clorhídrico 10-3 M, y ii) anilina (C 6 H 5 NH ) 0,1 M. Calcular: a) El grado de disociación de cada una. b) El ph de cada una. Dato: La constante de disociación básica de la anilina, K b = 4, a) Establecer las unidades de la constante específica de velocidad de una reacción de orden cero, cuando las concentraciones se expresan en mol l -1 y el tiempo en segundos. b) Concepto de molecularidad y orden de reacción. c) Explicar y justificar si la proposición siguiente es cierta Al aumentar la temperatura aumenta la constante de velocidad de la reacción. 4. a) Escribir las estructuras de Lewis correspondientes a las especies químicas: monoclorometano, dióxido de carbono y amoniaco. b) Indicar, razonadamente, si alguna de ellas presenta polaridad. 5. La reacción N O 4 (g) NO (g) transcurre a 150 ºC con una K c = 3,0. a) Cuál debe ser el volumen del recipiente en el que se realiza la reacción para que estén en equilibrio 1 mol de N O 4 (g) con moles de NO (g)? b) Responder, razonadamente, si la siguiente proposición es cierta o falsa: "Un cambio de presión en una reacción en equilibrio modifica siempre las concentraciones de los componentes". QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. 1 de

2 Pruebas de Acceso a las Universidades de Castilla y León QUÍMICA Junio 004 Texto para los Alumnos Nº páginas: BLOQUE B 1. Indicar, razonadamente, si son ciertas o falsas las proposiciones siguientes: a) Para preparar 100 ml de una disolución acuosa de ácido clorhídrico 0,1 M se deben utilizar 0,858 ml cuando se parte de una disolución acuosa de ácido clorhídrico comercial del 36% en peso y densidad de 1,18 g ml -1. b) Una disolución acuosa de ácido clorhídrico 1, M posee mayor número de moles y mayor número de gramos de soluto por litro de disolución que una disolución acuosa de ácido nítrico 0,8 M.. El CaCO 3 (s) se descompone a 850 ºC para dar CaO (s) y CO (g). a) Calcular el cambio de entalpía en kj cuando en la reacción se producen 48,0 g de CO. b) Es termodinámicamente espontánea esta reacción? Haga un razonamiento cualitativo. Datos: Entalpías de formación por mol a 850 ºC, CaCO 3 (s ): - 106,9 kj; CaO (s): - 635,6 kj; CO (g): - 393,5 kj. 3. Ajustar y completar, por el método del ion-electrón, las reacciones: - a) MnO 4 + SO Mn HSO 4 en disolución ácida. b) Bi(OH) 3 + SnO - - SnO 3 + Bi en disolución básica. 4. Indicar, y justificar en cada caso, el elemento químico que se corresponde con la característica reseñada: a) Es el elemento del grupo del nitrógeno que presenta mayor carácter metálico. b) Es el elemento del grupo del nitrógeno que posee mayor energía de ionización. c) Es el elemento cuyo ion dipositivo posee la configuración electrónica [Ar] 4s. 5. a) Qué tipo de reacción (adición, sustitución, eliminación) es la siguiente? O O CH 3 CH C + NH CH 3 CH 3 CH C + H-OH OH NH-CH 3 b) Nombrar cada uno de los reactivos y productos. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. de

3 1. Por combustión de propano con suficiente cantidad de oxígeno se obtienen 300 litros de CO medidos a 0,96 atm y 85 K. Calcular: a) Número de moles de todas las sustancias que intervienen en la reacción. b) Volumen de aire necesario, en condiciones normales, suponiendo que la composición volumétrica del aire es 0% de oxígeno y 80% de nitrógeno. Solución: M (CO ) = 44 g mol 1. a) La ecuación química correspondiente a la combustión del propano es: C 3 H O 3 CO + 4 H O Se obtienen los moles de CO que se producen en la combustión, despejándolo de la ecuación de estado de los gases ideales, sustituyendo las demás variables por sus valores y operando: P V 0,96 atm 300 L P V = n R T n = = = 1,3 moles de CO. R T 1 1 0,08 atm L mol K 85 K De estos moles y aplicando las respectivas relaciones molares, deducidas de la ecuación química, se obtienen los moles de las sustancias que aparecen en dicha ecuación. 1 mol C3H 8 Moles de C 3 H 8 : 1,3 moles CO = 4,11 moles C3H 8. 3 moles CO 5 mol O Moles de O : 1,3 moles CO = 0,53 moles O. 3 moles CO 4 mol H O Moles H O: 1,3 moles CO = 16,43 moles H O. 3 moles CO b) El volumen que ocupa los 0,53 moles de oxígeno, en condiciones normales, es: 1 1 n R T 0,53 moles 0,08 atm L mol K 73 K P V = n R T V = = = 459,58 L. P 1 atm Como este volumen corresponde al 0 % del aire que se necesita, el volumen de aire que hay que introducir para producir la reacción de combustión es: 100 L aire Volumen de aire: 459,58 L O = 97,9 L aire. 0 L O Resultado: a) 4,11 moles C 3 H 8 ; 0,53 moles O ; 16,43 moles H O; b) 97,9 L aire. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. 1 de

4 . Se dispone de las siguientes disoluciones: i) ácido clorhídrico 10-3 M, y ii) anilina (C 6 H 5 NH ) 0,1 M. Calcular: a) El grado de disociación de cada una. b) El ph de cada una. Dato: La constante de disociación básica de la anilina, K b = 4, a) Para el HCl Los ácidos fuertes como el HCl están totalmente disociados en agua, luego su grado de disociación es del 100 % (α = 1). En este caso, la concentración de iones hidronio (H 3 O + ) procedentes de la disociación del agua 10-7 mol/l es muchísimo menor que los que proporciona el ácido, por lo que aplicando la definición de ph. [H 3 O + ] = [Cl - ] = [HCl] inicial = 10-3 mol/l ph = - log [H 3 O + ] = - log 10-3 = 3 b) Para la anilina La anilina es una base débil que está parcialmente disociada en agua, según la reacción: C 6 H 5 NH + H O X C 6 H 5 NH OH - Como K b >> K (H O) la única fuente de iones hidroxilo (OH - ) a considerar son los que provienen de la reacción de la anilina con el agua, ya que los provenientes de la autoprotólisis del agua se pueden despreciar. De la ecuación de disociación de la anilina se construye la siguiente tabla de valores: Ecuación reacción C 6 H 5 NH + H O X C 6 H 5 NH OH - Concentración inicial (mol/l) 0,1 0 0 Concentración equilibrio (mol/l) 0,1 (1 α) 0,1 α 0,1 α Aplicando la ley de acción de masas al equilibrio y sustituyendo, resulta que: + [C6H5 NH3 ] [OH ] 10 0,1 α 0,1 α 0,1 α K b = ; = = [C H NH ] 0,1(1 α) 1 α 6 5 Como la concentración inicial de anilina es más grande que K b, [C 6 H 5 NH ] 0 >> Kb, se puede realizar la aproximación: 1 α = 1, por lo que, el grado de disociación es: 4, = 0,1 α α = 6, Para calcular el ph, hay que calcular la concentración de iones hidronio en la disolución. Para ello se calcula la concentración de iones hidroxido y después utilizando la constante de autoprotólisis del agua. [OH - ] = 0,1 α = 0,1 mol/l 6, = 6, mol/l K(H O) = [H 3 O + ] [OH - ]; mol /L = [H 3 O + ] 6, mol/l Por tanto: [H 3 O + ] = 1, mol/l ph = - log [H 3 O + ] = - log 1, = 8,83 QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. 1 de

5 3. a) Establecer las unidades de la constante específica de velocidad de una reacción de orden cero, cuando las concentraciones se expresan en mol l -1 y el tiempo en segundos. b) Concepto de molecularidad y orden de reacción. c) Explicar y justificar si la proposición siguiente es cierta Al aumentar la temperatura aumenta la constante de velocidad de la reacción. v = k.[a]º v = k tiene las mismas unidades que la velocidad: moles.l -1.s -1 la molecularidad de una reacción es el número de moléculas que reaccionan en una etapa elemental del mecanismo de una reacción el orden de una reacción es la suma de los exponentes que figuran en la ecuación cinética de una reacción Según la ecuación de Arrhenius y tomando logaritmos neperianos: L(K 1 /k ) = E a /R [(T 1 -T )/T 1 T ] Si T > T 1 [(T 1 -T )/T 1 T ] es negativo Por tanto, L(K 1 /k ) es negativo Lo cual quiere decir que k es mayor que k 1 QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. 1 de

6 4. a) Escribir las estructuras de Lewis correspondientes a las especies químicas: monoclorometano, dióxido de carbono y amoniaco. b) Indicar, razonadamente, si alguna de ellas presenta polaridad. Solución: a) El cloro tiene en su último nivel la estructura electrónica 3s 3p 5, covalencia 1 (1 electrón desapareado), es decir, puede formar un enlace covalente; el carbono posee 4 electrones en su capa de valencia, s p, y al promocionar uno de los electrones s al orbital vacío p adquiere covalencia 4 (4 electrones desapareados), y el hidrógeno sólo posee 1 electrón en su último nivel, 1s 1. Al unirse el carbono a los 4 átomos, el de cloro y los tres de hidrógeno mediante enlaces covalentes, la estructura de Lewis de la molécula ClCH 3 es: La estructura electrónica del último nivel del átomo de oxígeno es 1s s p 4, con electrones desapareados y covalencia, mientras que el carbono presenta covalencia 4 después de la promoción de un electrón s a p, como se indicó en el apartado anterior. En la molécula CO el carbono se une a dos átomos de oxígeno mediante dos enlaces covalentes dobles. Su estructura de Lewis: El nitrógeno tiene de estructura electrónica en su último nivel energético s p 3, con tres electrones desapareados y, por tanto, covalencia 3. El átomo de nitrógeno se une covalentemente a tres átomos de hidrógeno, siendo su estructura de Lewis: También se puede escribir la estructura de Lewis del ClCH 3 y demás moléculas complejas a partir de los siguientes pasos: 1. Determinar los electrones de valencia que necesitarían los cuatro átomos para adquirir estructura de gas noble; n = = electrones:. Calcular los electrones de valencia de los cinco átomos; v = = 14 electrones: 3. Hallar los electrones de enlace; c = n v = 14 = 8 electrones: 4. Calculan los electrones solitarios: s = v c = 14 8 = 6 electrones. La estructura de Lewis es: b) La polaridad de una molécula depende de la polaridad de sus enlaces y tiene influencia la geometría de la molécula. Si la geometría de la molécula permite que la suma de los momentos dipolares de los enlaces sea mayor de cero (momento dipolar resultante) la molécula es polar, y si es cero es apolar. Hay veces en que la geometría de la molécula es la que impide que el momento dipolar resultante sea cero aunque los enlaces sean polares siendo, por ello, la molécula apolar. La diferencia de electronegatividad entre el cloro y el carbono hace que el enlace Cl C esté polarizado (vector dirigido hacia el átomo de cloro), mientras que los enlaces C H, por presentar ambos átomos la misma electronegatividad, son apolares. En este caso, independientemente de su geometría, la molécula es polar. En la molécula CO, los enlaces covalentes C O se encuentran polarizados (vector dirigido hacia el átomo de oxígeno), y en sentido contrario por ser la molécula lineal, siendo la suma de los momentos dipolares de enlace cero, y la molécula apolar. El amoníaco tiene los enlaces N H polarizados (vector dirigido hacia el átomo de nitrógeno), y por ser la geometría de la molécula piramidal trigonal, la suma de los momentos dipolares de enlace y del par de electrones libres es mayor de cero, siendo la molécula polar. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. 1 de

7 5. La reacción N O 4 (g) NO (g) transcurre a 150 ºC con una K c = 3,0. a) Cuál debe ser el volumen del recipiente en el que se realiza la reacción para que estén en equilibrio 1 mol de N O 4 (g) con moles de NO (g)? b) Responder, razonadamente, si la siguiente proposición es cierta o falsa: "Un cambio de presión en una reacción en equilibrio modifica siempre las concentraciones de los componentes". Solución: a) Si en el equilibrio han de aparecen 1 mol de N O 4 (g) y moles de NO (g), la expresión de la constante de equilibrio en función del volumen del reactor es: [ ] ( n moles NO ) 4 ( moles NO ) NO K c = V V 4 = 3,0 = V = = 1,5 L [ N O4 ] n moles N O4 1 mol N O4 3,0 V V b) Falsa. Todo cambio en la presión provoca un cambio de volumen, pues según la ley de Boyle- Mariotte P V = P V. Luego, esta disminución de la capacidad del reactor se traduce, en un principio, en el desplazamiento del equilibrio en el sentido en el que aparece un menor número de moles, lo que afecta al cambio de la concentración molar de los gases pero, cuando el número de moles es el mismo en ambos miembros de la ecuación química, la respuesta del sistema al cambio de presión es mantener el equilibrio, por lo que, las concentraciones molares de los gases permanece constante. Resultado: a) V = 1,5 L. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. 1 de

8 1. Indicar, razonadamente, si son ciertas o falsas las proposiciones siguientes: a) Para preparar 100 ml de una disolución acuosa de ácido clorhídrico 0,1 M se deben utilizar 0,858 ml cuando se parte de una disolución acuosa de ácido clorhídrico comercial del 36% en peso y densidad de 1,18 g ml -1. b) Una disolución acuosa de ácido clorhídrico 1, M posee mayor número de moles y mayor número de gramos de soluto por litro de disolución que una disolución acuosa de ácido nítrico 0,8 M. Solución: M (HCl) = 36,5 g mol 1. Para verificar la certeza o falsedad de las afirmaciones, hay que realizar los cálculos necesarios para comprobarlo. a) La concentración molar de 1 L de la disolución de que se parte es: 1 g disolución 1000 ml disolución 36 g HCl 1 mol HCl,18 = 11,64. 1 ml disolución 1 L disolución 100 g disolución 36,5 g HCl M Los moles disueltos en el volumen que se toma de esta disolución son: n = M V = 11,64 moles L 1 0, L = 0,01 moles, que al diluirlos hasta un volumen de n 0,01 moles 0,1 L, proporciona a la disolución una concentración: M = = = 0,1 M. VERDADERA. V 0,1 L b) Un litro de cada una de las disoluciones contienen los moles: Moles de HCl: n = M V = 1, moles L 1 1 L = 1, moles; Moles de HNO 3 : n = M V = 0,8 moles L 1 1 L = 0,8 moles. En lo que respecta al número de moles, la afirmación es cierta. 36,5 g HCl Los gramos de soluto de cada disolución son: 1, moles HCl = 43,8 g HCl. 1 mol HCl 63 g HNO3 0,8 moles HNO3 = 50,4 g HNO3. 1 mol HNO3 Para los gramos, la afirmación es falsa, por lo que la afirmación que abarca los moles y masas de soluto en cada disolución es FALSA. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. de

9 . El CaCO 3 (s) se descompone a 850 ºC para dar CaO (s) y CO (g). a) Calcular el cambio de entalpía en kj cuando en la reacción se producen 48,0 g de CO. b) Es termodinámicamente espontánea esta reacción? Haga un razonamiento cualitativo. Datos: Entalpías de formación por mol a 850 ºC, CaCO 3 (s ): - 106,9 kj; CaO (s): - 635,6 kj; CO (g): - 393,5 kj. a) La descomposición del carbonato de calcio responde a la ecuación: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g) H?? Como se proporcionan los datos de las entalpías de formación a esa temperatura de las distintas especies químicas, aplicando la ley de Hess y teniendo en cuenta la estequiometría, se calcula la entalpía de reacción: H reacción = ΣH formación (productos) - ΣH formación (reactivos) = = 1 mol (- 393,5 kj/mol) + 1 mol (- 635,6 kj/mol) 1 mol (- 1 06,9 kj/mol) = = + 177,8 kj Proceso endotérmico, ( H > 0), hay que aportar al sistema desde el exterior 177,8 kj por mol de carbonato de calcio que se descompone. Como la masa molar del CO es 44 g/mol, la variación de la entalpía cuando se produce una masa de 48,0 g de CO es: kj 48,0g CO H = + 177,8 = 194,0 kj molco 44g / mol b) La espontaneidad de un proceso químico que transcurre a presión y temperatura constantes, queda determinado por la variación de la energía libre de Gibss, de forma que el proceso es espontáneo a p y T constantes si G < 0. Esta magnitud está relacionada con la variación de la entalpía, H, de la entropía, S, y con la temperatura absoluta, por la ecuación: G = H T S En este caso y H > 0 y S > 0, ya que en el proceso se desprende un gas lo que acarrea un aumento del desorden. Para que G < 0 se debe cumplir que T S > H hecho que ocurrirá a temperaturas elevadas. Por tanto a temperaturas bajas, temperatura ambiente, predomina el término H y el proceso no es espontáneo. Por ello el carbonato de calcio es estable y no se descompone de forma espontánea a temperatura ambiente. Sin embargo a temperaturas elevadas, predomina el término T S y el proceso es espontáneo. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. de

10 3. Ajustar y completar, por el método del ion-electrón, las reacciones: - a) MnO 4 + SO Mn HSO 4 en disolución ácida. b) Bi(OH) 3 + SnO - - SnO 3 + Bi en disolución básica. Solución: a) SO + H O e HSO H + MnO H e Mn H O Para igualar los electrones intercambiados, se multiplica la semirreacción de oxidación por 5 y la de reducción por, se suman para eliminarlos y queda la reacción iónica ajustada: 5 SO + 10 H O 10 e 5 HSO H + MnO H e Mn H O MnO SO + H O + H + Mn HSO 4. b) SnO + OH e SnO 3 + H O Bi (OH) e Bi + 3 OH, Se igualan los electrones intercambiados, multiplicando la semirreacción de oxidación por 3 y la de reducción por, se suman para eliminarlos y queda la reacción iónica ajustada: 3 SnO + 6 OH 6 e 3 SnO H O Bi (OH) e Bi + 6 OH Bi (OH) SnO Bi + 3 SnO H O. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. de

11 4. Indicar, y justificar en cada caso, el elemento químico que se corresponde con la característica reseñada: a) Es el elemento del grupo del nitrógeno que presenta mayor carácter metálico. b) Es el elemento del grupo del nitrógeno que posee mayor energía de ionización. c) Es el elemento cuyo ion dipositivo posee la configuración electrónica [Ar] 4s. a) Dentro de un grupo el carácter metálico aumenta hacia abajo. Por tanto, el elemento que presenta mayor carácter metálico es el bismuto, Bi. b) Dentro de un grupo la energía de ionización aumenta hacia arriba. Por tanto, el elemento que posee mayor energía de ionización es el nitrógeno, N. c) El elemento neutro tendría dos electrones más que los correspondientes a esa configuración. Los electrones de ese elemento neutro son: = e -. El elemento en cuestión es el titanio, Ti (Z = ), cuya configuración electrónica en estado fundamental es: Ti (Z = ) : [Ar] 4s 3d En el proceso de ionización del Ti, los electrones que primero se expulsan son los electrones 4s y no los 3d. Por lo que realmente la configuración electrónica del ion es: Ti + : [Ar] 3d QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. de

12 5. a) Qué tipo de reacción (adición, sustitución, eliminación) es la siguiente? O O CH 3 CH C + NH CH 3 CH 3 CH C + H-OH OH NH-CH 3 b) Nombrar cada uno de los reactivos y productos. Solución: a) Es una reacción de condensación o esterificación (sustitución) en la que el grupo oxidrilo del ácido ha sido reemplazado por la amina. b) Propanoico y metilamina. QUIMICA (Nuevo Currículo). Propuesta 4/004. Pág. de