Química
Química 2
SOLUCIÓN D LA PRUBA D ACCSO AUTOR: Julio gea gea Opción A a) Los siguientes esquemas ilustran la configuración de las especies isoelectrónicas propuestas en el enunciado: 8 2 e 8 e (8) e Ar 8 e 9 2 e 8 e 8 e () 0 e K 8 e 7 2 e 8 e (7 ) e Cl 8 e 6 2 e 8 e (6 2) e S 8 e 20 2 e (22) 0 e Ca 2 8 e La energía necesaria para separar un electrón será tanto menor cuanto menos fuerza eléctrica atractiva ejerzan los núcleos sobre los 8 electrones de la corteza. sta fuerza eléctrica es directamente proporcional a las cargas que actúan. Como los núcleos poseen diferente número de protones, la fuerza menor será la de la especie con menor número de cargas positivas, es decir, la del S 2 ; por tanto, será esta especie la que podrá perder un electrón con mayor facilidad que las demás. 8 e 8 e 2 n la siguiente tabla se resume el razonamiento anterior. specie propuesta S 2 CI Ar K Ca 2 n el núcleo: número de protones n la corteza: número de electrones Fuerza eléctrica de atracción (proporcional al cuadrado de las cargas) nergía que se necesita para perder un electrón Facilidad para perder un electrón 6 7 8 9 20 8 8 8 8 8 menor mayor menor mayor mayor menor b) N(7): s 2 2s 2 2p 3 capa de valencia 2s 2 2p 3 Según Lewis, cada átomo se rodea de un octeto (excepto en los casos de hipovalencia e hipervalencia y el H con un par), por lo que el N se sitúa como átomo central, como indica la figura: F N F F Geometría: para deducir la estructura geométrica de esta molécula, se aplica la teoría de la TRPCV, según la cual los 3 pares de que se rodea el N se disponen lo más alejados posible entre sí y formarían una pirámide trigonal. F F resultante Polaridad: el flúor, por tener más electronegatividad que el nitrógeno, atrae hacia sí los pares de electrones compartidos y crea, de esta manera, unos momentos dipolares. Al ser una molécula piramidal trigonal, los momentos dipolares van en distintas direcciones sin compensarse y el resultado final de la suma de los vectores μ es distinto de cero, por lo que la molécula es polar. N F 3
Se aplica la ley de Hess a la reacción: H 2 (g) O 2 (g) H 2 O 2 (l) H o reacción Se plantean las reacciones dadas con sus entalpías, a partir de los elementos en su estado más estable: A: 2 H 2 (g) O 2 (g) 2 H 2 O (l) H o A B: H 2 O 2 (l) H 2 O (l) /2 O 2 (g) H o B Posteriormente, se procede a disponerlas de forma que con su suma se obtenga la reacción solicitada para lo que será necesario multiplicar cada reacción por un número y a invertir las que corresponda cambiando el signo de H en ese caso. A/2: H 2 (g) /2 O 2 (g) H 2 O (l) /2 H o A B: H 2 O (l) /2 O 2 (g) H 2 O 2 (l) H o B H 2 (g) O 2 (g) H 2 O 2 (l) H o reacción H o B 2 a) Falsa. Para resolver la cuestión se deberá tener en cuenta el principio de Le Châtelier: «l equilibrio ante una perturbación externa evolucionará en el sentido que la contrarreste». Sea la reacción donde todas las moléculas son gases: a A (g) b B (g) c C (g) d D (g) reactivos a b n número de moles de reactivos H o A productos c d n' número de moles de productos Una modificación del volumen de reactor supone también una modificación de la presión del equilibrio. l equilibrio solo se alterará si el número de moles de reactivos que existen en el equilibrio es diferente que el número de moles de los productos, pues las presiones parciales también serán distintas y la evolución será en el sentido que contrarreste la acción. a A (g) b B (g) c C (g) d D (g) reactivos n n productos p p reactivos p p productos quilibrio: es sensible al cambio de volumen. Si el número de moles de reactivos que existen en el equilibrio es igual que el de los productos, las presiones parciales también serán iguales y el equilibrio no se alterará ante un cambio de presión (independientemente de cómo se produzca ese cambio): a A (g) b B (g) c C (g) d D (g) reactivos n n p p reactivos p p productos productos quilibrio: es insensible al cambio de volumen. b) Falsa. Dado el equilibrio: a A (g) b B (g) c C (g) d D (g) Las expresiones de las constantes K c y K p del mismo vienen dadas por las expresiones: C c D d p c C p d D K c K p A a B b p a A p b B Si se tiene en cuenta la ecuación de los gases ideales (pv nrt), en función de las concentraciones: n p crt V RT Se sustituye en la expresión de las presiones parciales: p c C c (RT) c D d (RT) d C c D d (RT) cd C p d D K p p a A p b B A a (RT) a B b (RT) b A a B b (RT) ab K c (RT) n Se puede poner que: K c (RT) n Si Δn 0 se cumple que K c K p. K p Kp Si Δn 0, K c K p K c K p (RT) n K p Si Δn 0, K c K p (RT) n K c K p (RT) n a) La reacción que tiene lugar es: H 2 SO 4 Cu CuSO 4 SO 2 H 2 O Se identifica el elemento o elementos que se oxidan y los que se reducen: 6 0 2 4 H 2 SO 4 Cu CuSO 4 SO 2 H 2 O Se escribe de forma separada cada uno de los procesos de oxidación y de reducción y se ajustan el número de átomos de cada elemento y la carga de las especies: Semirreacción de oxidación (pérdida de electrones): Cu 2 e Cu 2 Semirreacción de reducción (ganancia de electrones): 2 0 H H SO 2 4 4 H 2 e SO 2 2 H 2 O Si sumamos ambas ecuaciones queda: Cu 0 SO 2 4 4 H Cu 2 SO 2 2 H 2 O Pasando a las especies moleculares de origen en su mismo orden y adjudicando los 4 H al H 2 SO 4, el ajuste definitivo queda: 2 H 2 SO 4 Cu CuSO 4 SO 2 2 H 2 O K p 4
b) 2 H 2 SO 4 Cu CuSO 4 SO 2 2 H 2 O Masas 98 63,5 59,5 64 8 moleculares (uma) Masas 96 63,5 59,5 64 36 reaccionantes (g) Se calculan los moles iniciales: 0,8 g n Cu 0,026 mol 63,5 gmol (3 0,96) g n H2 SO 4 0,029 4 mol 98 gmol Se calcula el reactivo limitante: 2 mol de H 2 SO 4 0,02 6 mol de Cu 0,025 2 mol de mol de Cu H 2 SO 4 que se consumen n H2 SO 4 0,029 4 0,025 2 0,004 2 mol que sobran l reactivo limitante es el Cu y a partir de él se realiza el cálculo por la estequiometria de la reacción: mol de CuSO 4 0,02 6 mol de Cu mol de Cu 59,5 g 2,0 g de CuSO mol de CuSO 4 4 Se producen 2,0 g de CuSO 4. Otra forma: por estequiometría de masas Cálculo del número de gramos de H 2 SO 4 puro que se utilizan: m 3 0,96 2,88 g de H 2 SO 4 Se calcula el reactivo limitante: 96gdeH 2 SO 4 0,8 g de Cu 63,5gdeCu 2,47 g de H 2 SO 4 Como se dispone de 2,88 g y solo se necesitan 2,47 g, la cantidad que sobra de H 2 SO 4 es: m 2,88 2,47 0,4 g de H 2 SO 4 l reactivo limitante es el Cu, y a partir de él se calcula la masa de CuSO 4 : 59,5 g de CuSO 4 0,8 g de Cu 2,0 g de CuSO 4 63,5gdeCu Se producen 2,0 g de CuSO 4. Cálculo de la molaridad de la disolución de Ca(OH) 2 si la muestra fuera del 00 % en Ca(OH) 2. M Ca(OH)2 74 uma Se calculan los moles de Ca(OH) 2 : m,5 g n 0,020 3 mol M Ca(OH)2 74 gmol n 0,020 3 mol M 0,35 M V 0,50 L La reacción de neutralización que se lleva a cabo: Ca(OH) 2 2 HCl CaCl 2 2 H 2 O Los moles de ácido utilizados son: n HCl MV0,25 5 0 3 3,75 0 3 mol de HCl Por estequiometría se calculan los moles de Ca(OH) 2 que contienen los 20 ml neutralizados: mol de Ca(OH) 3,75 0 3 2 mol HCI,875 0 3 mol 2 mol de HCI de Ca(OH) 2 La molaridad real de la disolución de Ca(OH) 2 es: n,875 0 3 mol M 0,094 M V 20 0 3 L Nota: si la muestra original fuera toda de Ca(OH) 2 (00 %), el resultado habría sido 0,35 M. Como el resultado real es 0,094 M, se deduce que la muestra original no es del 00 % en Ca(OH) 2. Se calcula el porcentaje de pureza: 00 0,094 69,63 % de pureza de Ca(OH) 0,35 2 Otra forma: cálculo de la normalidad de la base Al igualar los equivalentes químicos del ácido y de la base, queda: V ácido N ácido V base N base Considerando que N M valencia, y que en este caso: valencia 2 corresponde al grupo OH para el Ca(OH) 2 valencia corresponde al HCl N ácido M valencia 0,25 0,25 N V ácido N ácido 5 0,25 N base 0,87 5 N V base 20 Se calcula la molaridad real de la base: N 0,875 5 M 0,093 75 M 0,094 M valencia 2 Se calcula el porcentaje de pureza: 00 0,094 69,63 % de pureza en Ca(OH) 2 0,35 5
Opción B Se realiza la configuración electrónica de los elementos propuestos y a partir de ella se analizan las cuestiones planteadas: Configuración lemento Z Período Grupo fundamental A 7 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 3 7 B s 2 2s 2 2p 6 3s 3 C 2 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3 2 a) Falsa. l elemento A es capaz de presentar distintas promociones de electrones dentro de la capa tercera ocupando distintos subniveles d y puede compartir tantos electrones con otros átomos como electrones solitarios posea en cada caso; por tanto, tiene diversas covalencias: Configuración electrónica de la última capa Capa 3.ª Subnivel s p p Covalencias de A Covalencia Covalencia 3 Covalencia 5 Covalencia 7 Promociones electrónicas de A en su 3.ª capa b) Verdadera. l elemento B tiene la configuración s 2 2s 2 2p 6 3s, posee un solo electrón en la 3.ª capa y para obtener la configuración de gas noble (quedarse en capa completa) tenderá a ceder dicho electrón y formar, así, enlaces iónicos. c) Falsa. La configuración de C es s 2 2s 2 2p 6 3s 2. Aunque se desaparease alguno de los dos electrones del orbital 3s, no terminaría de completar su capa en estructura de gas noble, por lo cual no actuará con covalencia 2. Sí puede ceder los dos electrones del orbital 3s, en un enlace iónico (valencia +2), y quedar estable en la capa anterior, que se completa. a) NaCl. Sustancia constituida por un metal y un no metal halógeno. s una red cristalina iónica estable. n las condiciones medioambientales normales es un sólido cristalino. H 2 O. Presenta enlaces covalentes polares, pues el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y forma un ángulo entre ellos, luego es una molécula angular polar. Sus moléculas están unidas por enlaces de hidrógeno, lo que le confiere una mayor estabilidad y, por tanto, algunas propiedades físicas diferentes. A continuación, se representan los enlaces de hidrógeno que se forman en la molécula de agua: enlaces de hidrógeno O 2. Presenta dos enlaces covalentes apolares, pues se trata del mismo átomo. s una molécula lineal apolar. Las fuerzas son fuerzas intermoleculares débiles de van der Waals y en condiciones medioambientales es un gas. Cu. Los metales se presentan en forma atómica y dos átomos del mismo metal no pueden ni cederse ni compartir los electrones de la capa de valencia (como ocurre en los no metales), ya que de ninguna de las dos formas adquirirían estructura de gas noble para su mayor estabilización. Los átomos se encuentran ordenados en el espacio de la forma más compacta posible (dependerá de sus respectivos volúmenes) formando redes cristalinas. n condiciones medioambientales es un sólido. Por tanto, las uniones más fuertes entre moléculas son: red cristalina metálica red cristalina iónica enlaces de hidrógeno fuerzas intermoleculares de van der Waals La fusión es el paso de sólido a líquido, donde las moléculas poseen mayor libertad. ste paso se realiza aportando al sistema energía calorífica. De ello, se deduce que los puntos de fusión variarán en el mismo orden, por tanto: Cu NaCl H 2 O O 2 b) De acuerdo con lo analizado anteriormente, se deduce que: Cu: red cristalina constituida por átomos. NaCl: red cristalina constituida por iones. H 2 O: red cristalina constituida por moléculas (a temperaturas menores de 273 K y p atm). O 2 : red cristalina constituida por moléculas (a muy baja temperatura, 52 K, y p atm). atracción 6
a) Falsa. Para cualquier reacción del tipo: a A b B c C d D La ecuación general de la velocidad de reacción viene dada por la expresión v k [A] [B], donde y son los respectivos órdenes de reacción, que, en general, no están relacionados con los coeficientes estequiométricos y se determinan de forma experimental, y la constante k A e a/rt, donde el factor A de frecuencia suele depender también de la temperatura y a es la energía de activación (ecuación de Arrhenius). Por todo ello, las concentraciones de los reactivos no influyen por igual, pues eso dependerá de los valores que tomen α y β en cada reacción. b) Verdadera. Para cualquier reacción en equilibrio del tipo: a A b B c C d D La constante cinética del equilibrio depende de las concentraciones, ya que: C c D d K c A a B b Por tanto, las unidades de la misma vendrán determinadas por los valores concretos de los coeficientes estequiométricos de cada equilibrio. La reacción del enunciado: HCl HNO 3 Cl 2 NO 2 H 2 O Se identifica el elemento o elementos que se oxidan y los que se reducen: 5 0 4 HCI HNO 3 CI 2 NO 2 H 2 O Se escribe de forma separada cada uno de los procesos de oxidación y de reducción y se ajustan el número de átomos de cada elemento y la carga de las especies: Semirreacción de oxidación (pérdida de electrones): 2 Cl Cl 2 2 e Semirreacción de reducción (ganancia de electrones): 2 [NO 3 2 H e NO 2 H 2 O] Sumando ambas semirreacciones: 2 Cl 2 NO 3 4 H Cl 2 2 NO 2 2 H 2 O De los 4 H se adjudican 2 a cada ácido: 2 HCl 2 HNO 3 Cl 2 2 NO 2 2 H 2 O Una vez ajustada, calculamos el volumen de cloro a partir de los moles de HCl: 2 HCI 2 HNO 3 Cl 2 2 NO 2 2 H 2 O Masas 36,5 7 moleculares (uma) Moles 2 2 2 2 reaccionantes (g) M n V n MV 2 mol/l 0,2 L 2,4 mol de HCl mol de CI 2 2,4 mol de HCl,2 mol de Cl 2 se producen 2 mol de HCI nrt,2 mol 0,082 atm Lmol K 373 K V 24,47 L p,5 atm Se obtienen 24,47 L de Cl 2 medidos a,5 atm y 00 C. scribimos la reacción y las concentraciones en el quilibrio: H 2 O (g) CO (g) CO 2 (g) H 2 (g) n equilibrio 0,20 0,20 0,40 0,40 [ ] equilibrio 0,20 0,20 0,40 0,40 Cálculo de las concentraciones en el equilibrio y de K c : [H 2 O] 0,2/0,2 M [CO] 0,2/0,2 M [CO 2 ]0,4/ 0,4 M [H 2 ] 0,4/ 0,4 M CO 2 H 2 0,4 0,4 K c 4 H 2 OCO 0,2 0,2 Al añadir CO y CO 2, la nueva mezcla queda como se resume en la siguiente tabla: H 2 O (g) CO (g) CO 2 (g) H 2 (g) n equilibrio 0,2 0,2 0,4 0,4 n añadidos 0,4 0,4 n mezcla 0,2 0,6 0,8 0,4 Como la temperatura es siempre la misma, el valor de la K c permanecerá constante. Se calcula el cociente de reacción para la nueva mezcla si Q c K c (están en equilibrio) y si son diferentes, en cuyo caso la nueva mezcla evolucionará hasta igualarlas: CO 2 H 2 0,8 0,4 Q c 2,6 2,7 H 2 OCO 0,2 0,6 Como Q c K c, la mezcla evolucionará en el sentido en que se llegue hasta K c 4. Por la estequiometría de la reacción, reaccionarán x mol de cada reactivo y se generarán x mol de cada producto. l proceso se puede resumir en la siguiente tabla: H 2 O (g) CO (g) CO 2 (g) H 2 O (g) n equilibrio 0,2 0,2 0,4 0,4 n añadidos 0,4 0,4 n mezcla 0,2 0,6 0,8 0,4 n reaccionan x x n formados x x n equilibrio 0,2x 0,6x 0,8x 0,4x [ ] equilibrio (0,2 x) (0,6 x) (0,8 x) (0,4 x) 7
Se plantea el valor de la constante referida a las nuevas concentraciones en el equilibrio y, a partir de ella, se obtiene el valor de x. CO 2 H 2 (0,8 x)(0,4 x) K c 4 H 2 OCO (0,2 x)(0,6 x) Simplificando, queda: 3x 2 4,4x 0,6 0 Resolviendo la ecuación anterior, resulta: x 0,037 3 0,6 x 0,6 0,037 3 0,562 7 [CO] 0,563 M La nueva concentración del CO es 0,563 M. Se puede calcular el resto de las concentraciones, y comprobar que se obtiene con ellos la misma K c. 8