PAAU (LOXSE) Xuño 2006

Transcripción

1 PAAU (LOXSE) Xuño 26 ódigo: 31 QUÍMIA ALIFIAIÓN: UESTIONES =2 PUNTOS ADA UNA; PROBLEMAS: 2 PUNTOS ADA UNO; PRÁTIA: 2 PUNTOS UESTIONES (Responda SOLAMENTE a DOS de las siguientes cuestiones) 1. Ponga un ejemplo de una molécula que contenga: (a) Un carbono con hibridación sp (b) Un nitrógeno con hibridación sp 3. Razone todas las respuestas. 2. (a) Escriba y nombre dos isómeros estructurales del 1-buteno. (b) Para el sistema gaseoso en equilibrio N 2 O 3 (g) NO (g) + NO 2 (g), cómo afectaría la adición de NO (g) al sistema en equilibrio? Razone la respuesta. 3. Indique razonadamente si a 25, son verdaderas o falsas las afirmaciones siguientes: (a) El ácido sulfúrico diluido [tetraoxosulfato(vi) de dihidrógeno] reacciona con el cobre y se desprende hidrógeno. Datos: E (u 2+ /u)= +,34 V; E (u + /u)= +,52V y E ( + / 2 )= V. (b) El sodio es muy reductor y el flúor un poderoso oxidante. Datos: E (Na + /Na) = -2,71 V y E (F 2 /F ) = +2,87 V. PROBLEMAS (Responda SOLAMENTE a DOS de los siguientes problemas) 1. En un matraz de 1 litros se introducen 2, g de hidrógeno; 8,4 g de nitrógeno y 4,8 g de metano; a 25. alcule: (a) La fracción molar de cada gas (b) La presión parcial de cada uno. Dato: R=,82 atm L/K mol 2. Se prepara una disolución de un ácido débil como el ácido acético [ácido etanoico] disolviendo,3 moles de este ácido en agua, el volumen total de la disolución es de,5 litros. (a) Si la disolución resultante tiene un p=2, cuál es la concentración molar de los iones hidrógeno (ión oxonio)? (b) alcule la constante de acidez, K a, del ácido acético. 3. La combustión del acetileno ( 2 2 (g)) produce dióxido de carbono y agua. (a) Escriba la ecuación química correspondiente al proceso. (b) alcule el calor molar de combustión del acetileno y el calor producido al quemar 1, kg de acetileno. Datos: Δ f ( 2 2 (g) )= 223,75 kj/mol; Δ f (O 2 (g) ) = -393,5 kj/mol; Δ f ( 2 O (g) ) =-241,8 kj/mol PRÁTIAS (Responda SOLAMENTE a UNA de las siguientes prácticas) 1. Desea preparar en el laboratorio un litro de disolución de ácido clorhídrico 1 M a partir del producto comercial qué es del 36% en peso y que tiene una densidad de 1,18 g/ml. alcule el volumen de ácido concentrado que debe medir, describa el procedimiento a seguir y el material a utilizar. 2. Al hacer reaccionar una disolución de cloruro de potasio con otra de nitrato de plata se obtiene un precipitado blanco. Escribir dicha reacción, indicando de qué precipitado se trata y cómo haría en el laboratorio para separarlo de la disolución.

2 UESTIONES Soluciones 1. Ponga un ejemplo de una molécula que contenga: a) Un carbono con hibridación sp. b) Un nitrógeno con hibridación sp 3. Razone todas las respuestas. Rta.: a) O 2 b) N 3 a) La hibridación sp corresponde a un átomo central unido a otros dos átomos. omo el carbono (excitado) puede tener 4 electrones desapareados, en configuración [e] 2s p x 2p y 2p z1, eso supone que, al menos, uno de los enlaces, debe ser múltiple. Las combinaciones posibles son un enlace triple junto a uno sencillo como en el etino, o dos enlaces dobles como en la molécula de dióxido de carbono O==O O O O p y π p z π O p z σ σ σ sp 2 sp sp 2 p El átomo de carbono tiene dos híbridos sp y dos orbitales sp 2 y sp σ sp 2 atómicos p y y p z sin hibridar. Los híbridos sp están dirigidos en una linea recta en sentidos opuestos, dando ángulos de enlace de 18º. El solapamiento entre los híbridos sp del carbono y los Par no enlazante orbitales sp 2 de los átomos de oxígeno da lugar a enlaces sigma σ. El orbital p y sin hibridar del carbono se solapa con el orbital p y sin hibridar de uno de los oxígenos formando un enlace π. El solapamiento del otro orbital sin hibridar del carbono p z con el orbital p z sin hibridar del otro oxígeno forma el otro enlace π. N b) La hibridación sp 3 se asigna a un átomo central de nitrógeno cuando está unido a otros cuatro átomos (ión amonio [N 4 ] + ), o a tres átomos (molécula de amoníaco N 3 ). El átomo de nitrógeno tiene una configuración electrónica, 2s p x 2p y 2p z1, y forma cuatro híbridos sp 3, con un electrón desapareado en tres de los híbridos y un par de electrones en el cuarto. Estos híbridos están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro (en el caso del ión amonio), dando ángulos de enlace de 19,5º (aunque en el caso del amoníaco los ángulos son algo menores). En cada uno de los tres enlaces N, se superponen un orbital híbrido sp 3 del carbono con el orbital 1s del hidrógeno dando lugar a un enlace σ. El par de electrones del cuarto híbrido sp 3 es un par no enlazante. 2. a) Escriba y nombre dos isómeros estructurales del 1-buteno. Rta.: el 2-buteno y 2-metil-1-propeno. (En la solución que sigue también se incluyen isómeros geométricos que no son isómeros estructurales) a) Fórmula Nombre b) Isomería 2 = 2 1-buteno = 2-buteno de posición

3 a) Fórmula Nombre b) Isomería trans-2-buteno cis-2-buteno 2-metil-1-propeno ciclobutano 1-metilciclopropano geométrica geométrica de cadena de cadena de cadena 2. b) Para el sistema gaseoso en equilibrio N 2O 3 (g) NO (g) + NO 2 (g), cómo afectaría la adición de NO (g) al sistema en equilibrio? Razone la respuesta. Rta: El equilibrio se desplazará (hacia la izquierda) hasta alcanzar una nuevo estado de equilibrio en el que habrá más N 2 O 3 y menos NO 2. La constante de equilibrio sólo depende de la temperatura. No varía al adicionar NO al sistema. K = [ NO][NO 2] [ N 2 O 3 ] Si la concentración de monóxido de nitrógeno aumenta, para que K permanezca constante, o bien el numerador [NO 2 ] disminuye, o bien el denominador [N 2 O 3 ] aumenta. El equilibrio se desplazará (hacia la izquierda) hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio en el que habrá más N 2 O 3 y menos NO 2. istóricamente, el principio de Lehatelier dice que al variar algún factor el equilibrio se desplaza en el sentido de contrarrestar esa variación. 3. Indique razonadamente si a 25, son verdaderas o falsas las afirmaciones siguientes: a) El ácido sulfúrico diluido [tetraoxosulfato(vi) de dihidrógeno] reacciona con el cobre y se desprende hidrógeno. Datos: E (u 2+ /u)= +,34 V; E (u + /u) = +,52V y E ( + / 2) = V. b) El sodio es muy reductor y el flúor un poderoso oxidante. Datos: E (Na + /Na) = -2,71 V y E (F 2/F ) = +2,87 V. Rta.: a) F b) V a) El potencial de electrodo E está relacionado con la variación de energía libre de Gibbs ΔG por ΔG = - z F E donde z es el número de electrones intercambiados y F es 1 Faraday, la carga de 1 mol de electrones.

4 Si el potencial de reducción es negativo, la variación de energía libre de Gibbs es positiva y el proceso de reducción no será espontáneo. Existen dos posibilidades para el cobre, a partir de los potenciales que nos dan u e u E = +,34 V u + + e u E = +,52 V ombinando la primera de ellas con la de reducción del hidrógeno: e 2 E =, V u u e E =,34 V u u E =,34 V da un potencial de reacción negativo, por lo que el proceso no será espontáneo. El otro proceso posible tampoco es espontáneo por la misma razón. b) El potencial de reducción del sodio: Na + + e Na E = 2,71 V nos indica que el ión sodio no tiene ninguna tendencia a reducirse. Escribiendo la reacción de oxidación: Na Na + + e E = +2,71 V que hace ver que la tendencia del sodio metálico es a oxidarse (perder electrones) lo que indica que actuará como reductor. Para poder predecir si es «muy» reductor deberíamos poder comparar su potencial con los de otros elementos o compuestos. Si relacionamos el poder reductor con la tendencia a perder electrones podemos decir que el sodio, como todos los metales alcalinos son buenos reductores. El flúor tiene un potencial que nos indica que tiene tendencia a reducirse F e 2 F E = 2,87 V por lo que actuará como oxidante. Esto está de acuerdo con la electronegatividad del flúor. Sabemos que el flúor es el elemento más electronegativo, o sea, el que tiene más tendencia a «captar» electrones de otros átomos. Será también el oxidante más fuerte. PROBLEMAS 1. En un matraz de 1 litros se introducen 2, g de hidrógeno; 8,4 g de nitrógeno y 4,8 g de metano; a 25. alcule: a) La fracción molar de cada gas. b) La presión parcial de cada uno. Dato: R =,82 atm L/K mol Rta.: a) x( 2 ) =,63; x(n 2 ) = x( 4 ) =,19; b) P( 2 ) = 2,4 atm; P( 4 ) = P(N 2 ) =,7 atm Datos ifras significativas: 2 volumen del matraz V = 1 L = 1, 1-2 m 3 masa de hidrógeno masa de nitrógeno masa de metano temperatura constante de los gases ideales Incógnitas m( 2 ) = 2, g m(n 2 ) = 8,4 g m( 4 ) = 4,8 g T = 25 = 298 K R =,82 atm L/K mol fracción molar del cada gas x( 2 ), x(n 2 ), x( 4 ) presión parcial de cada gas P( 2 ), P(N 2 ), P( 4 )

5 Ecuaciones fracción molar de un componente «i» en una disolución ecuación de los gases ideales ley de Dalton de las presiones parciales x i = n i / n i P V = n R T P T = P i P i = x i P T a) Las masas, cantidades y fracciones molares son masa (g) M (g/mol) cantidad (mol) fracción molar hidrógeno 2, 2, 2, g 2 1 mol 2 2,g 2 =1, nitrógeno 8,4 28 8,4g N 2 1mol N 2 28 g N 2 =,3 1 mol 2 1,6 mol total =,63,3 mol N 2 1,6 mol total =,19 metano 4,8 16 4,8 g 4 1mol 4 16 g 4 =,3,3 mol 4 1,6 mol total =,19 total 1,6 1, b) La presión total de la mezcla se calcula suponiendo comportamiento ideal P T = n T R T V = 1,6mol total,82atm L mol 1 K 1 298K =3,9 atm 1 L Las presiones parciales de cada gas, a partir de la ley de Dalton: P( 2 ) = x( 2 ) P T =,63 3,9 atm = 2,4 atm P( 4 ) = P(N 2 ) = x(n 2 ) P T =,19 3,9 atm =,7 atm 2. Se prepara una disolución de un ácido débil como el ácido acético [ácido etanoico] disolviendo,3 moles de este ácido en agua, el volumen total de la disolución es de,5 litros. a) Si la disolución resultante tiene un p = 2, cuál es la concentración molar de los iones hidrógeno (ión oxonio)? b) alcule la constante de acidez, K a, del ácido acético. Rta.: a) [ + ] =,1 M ; b) K a = 1,7 1-5 Datos ifras significativas: 2 cantidad de ácido acético n( OO) =,3 mol volumen de disolución V =,5 L =,5 dm 3 p de la disolución p = 2, Incógnitas concentración de iones hidrógeno [ + ] constante de acidez del ácido acético Ecuaciones constante de acidez del ácido acético: OO (aq) + (aq) + OO (aq) K a K a = [ + ] e [ OO - ] e [ OO] e

6 Ecuaciones p p = log[ + ] a) omo p = log[ + ] 2, = log[ + ] [ + ] = 1 2, = mol/dm 3 =,1 mol/dm 3 b) La concentración inicial (antes de disociarse) de ácido acético es: [ OO] = n OO V De la estequiometría de la reacción de disociación =,3 mol OO =6, mol,5dm 3 3 OO /dm 3 D D OO (aq) + (aq) + OO (aq) se deduce que la concentración de ácido acético disociado [ OO] d es la misma que la de iones hidrógeno producidos [ + ] e y la de iones acetato [ OO ] e [ OO] d = [ + ] e = [ OO ] e =,1 mol/dm 3 Escribiendo en una tabla las concentraciones de cada especie: OO + OO [ inicial] mol/l 6, [disociado-producido] d mol/l,1,1,1 [equilibrio] e mol/l 6,,1 = 6,,1,1 La constante de equilibrio K a es: K a = [ + ] e [ OO - ] e =,1,1 =1,7 1 5 [ OO] e 6, 3. La combustión del acetileno ( 2 2 (g)) produce dióxido de carbono y agua. a) Escriba la ecuación química correspondiente al proceso. b) alcule el calor molar de combustión del acetileno y el calor producido al quemar 1, kg de acetileno. Datos: Δ f ( 2 2 (g))= 223,75 kj/mol; Δ f (O 2 (g)) = -393,5 kj/mol; Δ f ( 2O (g)) =-241,8 kj/mol Rta.: b) Δ c ( 2 2 ) = kj/mol 2 2 ; Q = 4,8 1-7 J/kg 2 2 M : masa molar. ( 2 2 ) = 26,4 g/mol Datos ifras significativas: 4 2 (graf.) + 2 (g) 2 2 (g) Δ f ( 2 2 ) = +223,8 kj/mol (graf.) + O 2 (g) O 2 (g) 2 (g) + ½ O 2 (g) 2 O (g) Δ f (O 2 ) = 393,5 kj/mol Δ f ( 2 O) = 241,8 kj/mol masa de acetileno m = 1, kg 2 2

7 Datos ifras significativas: 4 Incógnitas calor molar de combustión del acetileno Δ c ( 2 2 ) calor producido al quemar 1, kg de acetileno Otros símbolos cantidad de sustancia (número de moles) Ecuaciones ley de ess a) Ecuación de combustión del acetileno: 2 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2 O 2 (g) + 2 O (g) Δ c b) Ecuaciones de formación: 2 (graf.) + 2 (g) 2 2 (g) Δ f ( 2 2 ) = +223,8 kj/mol (graf.) + O 2 (g) O 2 (g) Δ f (O 2 ) = 393,5 kj/mol 2 (g) + ½ O 2 (g) 2 O (g) Δ f ( 2 O) = 241,8 kj/mol b) Por la ley de ess, Δ c ( 2 2 ) = 2 Δ f (O 2 ) + Δ f ( 2 O) (Δ f ( 2 2 ) + 5/2 Δ f (O 2 ) ) Q n Δ = Δ PRODU Δ REATIV Δ c ( 2 2 ) = (2 [mol O 2 ] ( 393,5 [kj/mol O 2 ] 241,8 [kj])) (223,8 [kj]) Δ c ( 2 2 ) = 1 253, kj/mol 2 2 Q=1,[ kg 2 2 ] 1[g] 1,[ kg] 1[mol 2 2 ] 26,4[g 2 2 ] 1253 kj 1 mol 2 2 =4, kj=4, J PRÁTIAS 1. Desea preparar en el laboratorio un litro de disolución de ácido clorhídrico 1 M a partir del producto comercial qué es del 36% en peso y que tiene una densidad de 1,18 g/ml. alcule el volumen de ácido concentrado que debe medir, describa el procedimiento a seguir y el material a utilizar. Rta.: V = 86 cm 3 D (disolución de l comercial). álculos: En un litro (= 1 dm 3 ) de disolución 1 M de l hay n (l) = 1 [mol l / dm 3 D] 1 [dm 3 D] =1 mol l que deben estar contenidos en el volumen V de clorhídrico comercial que hay que medir. V =1mol l 36,5 g l 1 mol l 1g D 36 gl 1cm 3 D 1,18 g D =86 cm3 D disolución de l comercial Si aceptamos las cifras significativas del dato, la concentración de la disolución es aproximada (1 M se entiende que es 1 ± 1 M), y se utilizaría material de medida no demasiado preciso. Procedimiento para concentración aproximada: Se miden 86 cm 3 de disolución de clorhídrico comercial en una probeta de 1 cm 3, se vierten en otra probeta de 1 cm 3 y se completa con agua hasta los 1 cm 3,

8 procurando que el menisco del líquido en ambos casos esté enrasado con la línea de medición. El contenido se pasa a un frasco con tapa, se tapa, se voltea varias veces y se etiqueta: l 1 M y la fecha) Material: Probetas de 1 cm 3 (1) y de 1 cm 3 (1), frasco con tapa y etiquetas. Si, por otro lado, suponemos que los datos son más precisos de lo que parecen, para preparar una disolución 1, M, el material sería de más precisión y el procedimiento sería otro. Procedimiento para concentración exacta: Se llena una bureta de 1 ml con l comercial, por encima del cero. Se abre la llave hasta que el pico de la bureta esté lleno y el nivel en cero. Se dejan caer 86 cm 3 sobre un matraz aforado de 1 cm 3 con agua hasta la mitad, y se rellena el matraz aforado con agua hasta cerca del enrase. Las últimas gotas se añaden con un cuentagotas hasta que la parte inferior del menisco esté a la altura de la linea de enrase. Se tapa el matraz aforado y se voltea varias veces para homogeneizar. El contenido se pasa a un frasco y se etiqueta: l 1, M y la fecha) Material: Bureta de 1 ml (1), matraz aforado de 1 cm 3 (1), cuentagotas, frasco con tapa y etiquetas. 2. Al hacer reaccionar una disolución de cloruro de potasio con otra de nitrato de plata se obtiene un precipitado blanco. Escribir dicha reacción, indicando de qué precipitado se trata y cómo haría en el laboratorio para separarlo de la disolución. Rta.: Kl (aq) + AgNO 3 (aq) Agl (s) + KNO 3 (aq). Filtración a vacío. La reacción es: Nal (aq) + AgNO 3 (aq) Agl (s) + NaNO 3 (aq) Si sólo escribimos la reacción iónica que tiene lugar, será: Na + (aq) + l (aq) + Ag + (aq) + NO 3 (aq) Agl (s) + Na + (aq) + NO 3 (aq) El precipitado es cloruro de plata, compuesto muy poco soluble en agua. Para separar el precipitado, se haría una filtración a vacío, vertiendo el contenido del vaso sobre un embudo büchner con papel de filtro encajado en un matraz quitasato conectado a una trompa de vacío. trompa de vacío Büchner Kitasato uestiones 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 oruña