PAAU (LOXSE) SETEMBRO 2005 Código: 31 QUÍMICA CALIFICACIÓN: CUESTIÓN 1=2,5 P.; CUESTIÓN 2=2,5 P.; CUESTIÓN 3=3 P. Y CUESTIÓN 4=2 P. OPCIÓN 1 1.1. Formular: (a) 2,4-pentanodiona (b) 4-cloro-3-metil-5-hexenal (c) Ácido 2-propenoico (d) 4-amino-2-butanona (e) 3-metil-1-butino 1.2. Dados los iones Cl y K + : (a) Escriba sus configuraciones electrónicas e indique los posibles números cuánticos de sus electrones más externos. (b) Razone cuál de ellos tiene mayor radio. 1.3. Se mezclan 6,27 gramos de FeSO 4 7H 2 O con 85 gramos de agua. Determine la concentración de la disolución resultante en: (a) % en peso de FeSO 4 anhidro (b) Fracción molar del FeSO 4 anhidro y fracción molar del agua. 1.4. Explique detalladamente como se puede determinar en el laboratorio el calor de disolución de KOH (s) en agua. Efectúe el cálculo (a la presión y temperatura de laboratorio) suponiendo una masa de hidróxido de potasio de 4,5 gramos que se disuelven en 450 ml en un calorímetro que tiene un equivalente en agua de 15 g. El incremento de la temperatura es de 2,5 0 C. Datos: Calor específico del agua: 4,18 J/g 0 C y densidad del agua: 1 g/ml. OPCIÓN 2 2.1. Considere el siguiente proceso químico de oxidación-reducción: Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO + H 2 O (a) Escriba las semirreacciones de oxidación y reducción. (b) Indique cuál es el oxidante, y cuál el reductor (c) Ajuste la reacción. 2.2. Teniendo en cuenta la masa de la molécula de hidrógeno y la masa de la molécula de oxígeno conteste razonadamente: (a) Qué ocupará más volumen, un mol de hidrógeno o un mol de oxígeno, en las mismas condiciones de presión y temperatura, estando ambas sustancias en forma gaseosa? (b) Cuál tendrá más masa, un mol de hidrógeno o un mol de oxígeno, en las mismas condiciones de presión y temperatura? (c) Dónde habrá más moléculas, en un mol de hidrógeno o en un mol de oxígeno? 2.3. A 25 0 C el grado de disociación de una disolución 0,2 M de ácido acético [ácido etanoico] vale 0,0095. Calcule: (a) La concentración de iones acetato [iones etanoato], hidrogeniones e iones hidroxilo en el equilibrio (b) El ph (c) La constante de disociación del ácido acético. 2.4. Describa la obtención de un precipitado en el laboratorio. Dibuje el material y explique el modo de utilizarlo. Escriba la reacción del proceso químico. Cómo calcularía el rendimiento?
OPCIÓN 1 Soluciones 1.1.- Formular: a) 2,4-pentanodiona b) 4-cloro-3-metil-5-hexenal c) Ácido 2-propenoico d) 4-amino-2-butanona e) 3-metil-1-butino Rta.: a) CH 3 COCH 2 COCH 3 b) CH 2 =CHCClHCH(CH 3 )CH 2 CHO c) CH 2 =CHCOOH d) NH 2 CH 2 CH 2 COCH 3 e) (CH 3 ) 2 CHC CH 1.2.- Dados los iones Cl y K + : a) Escriba sus configuraciones electrónicas e indique los posibles números cuánticos de sus electrones más externos. b) Razone cuál de ellos tiene mayor radio. Rta.: a) Cl : K + : [Ar] : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ; 3 s: (3, 0,0, ±½); 3 p: (3, 1, {0, ±1}, ±½) b) Cl : mayor repulsión entre los electrones (tiene más electrones que protones) 1.3.- Se mezclan 6,27 gramos de FeSO 4 7H 2O con 85 gramos de agua. Determine la concentración de la disolución resultante en: a) % en peso de FeSO 4 anhidro. b) Fracción molar del FeSO 4 anhidro y fracción molar del agua. Rta.: a) %(FeSO 4 ) = 3,75% b) x(feso 4 ) = 4,60 10-3 Datos Cifras significativas: 3 masa del FeSO 4 7H 2 O masa de agua Incógnitas m(feso 4 7H 2 O) = 6,27 g m(h 2 O) = 85,0 g % masa del FeSO 4 %(FeSO 4 ) fracción molar del FeSO 4 x (FeSO 4 ) fracción molar del H 2 O x (H 2 O) Otros símbolos soluto disolvente Disolución Ecuaciones cantidad (número de moles) fracción molar de un componente s en una disolución s d D n = m (en g) / M x = n s / n i a) Se calcula la cantidad de sulfato de hierro(ii) heptahidratado (FeSO 4 7H 2 O) a partir de la masa: M(FeSO 4 7H 2 O) = 152 + 7 18,0 = 278 (g / mol) FeSO 4 7H 2 O
n(feso 4 7H 2 O) = 6,27 g FeSO 4 7H 2 O / (278 g FeSO 4 7H 2 O / mol FeSO 4 7H 2 O) = 0,0226 mol FeSO 4 7H 2 O Cuando la sal hidratada se disuelva en agua, producirá: FeSO 4 7H 2 O (aq) FeSO 4 (aq) + 7 H 2 O (l) la misma cantidad de sulfato de hierro(ii) disuelto y siete veces de agua. n(feso 4 ) = n(feso 4 7H 2 O) = 0,0226 mol FeSO 4 n(h 2 O) = 7 mol H 2 O / mol FeSO 4 0,0226 mol FeSO 4 = 0,158 mol H 2 O en la sal hidratada Además está el agua añadida: n'(h 2 O) = 85,0 g H 2 O / (18,0 g H 2 O / mol H 2 O) = 4,72 mol H 2 O añadida. Las masas y cantidades son M (g/mol) cantidad (mol) masa (g) s soluto (FeSO 4 ) 152 0,0226 0,0226 152 = 3,43 d disolvente (H 2 O) 18,0 0,158 + 4,72 = 4,88 4,88 18,0 = 87,8 D disolución 3,43 + 87,8 = 91,3 El porcentaje en masa de sulfato de hierro(ii) anhidro en la disolución es: %(FeSO 4 ) = 3,43 g FeSO 4 / 91,3 g D = 0,0375 = 3,75% b) La fracción molar del soluto (sulfato de hierro(ii)) es: x(feso 4 ) = 0,0226 mol FeSO 4 / (0,0226 mol FeSO 4 + 4,88 mol H 2 O) = 4,60 10-3 La fracción molar del disolvente (agua) es: x d = 4,88 mol H 2 O / 4,90 mol total = 1 4,60 10-3 = 0,995 1.4.- Explique detalladamente como se puede determinar en el laboratorio el calor de disolución de KOH (s) en agua. Efectúe el cálculo (a la presión y temperatura de laboratorio) suponiendo una masa de hidróxido de potasio de 4,5 gramos que se disuelven en 450 ml en un calorímetro que tiene un equivalente en agua de 15 g. El incremento de la temperatura es de 2,5 0 C. Datos: Calor específico del agua: 4,18 J/g 0 C y densidad del agua: 1 g/ml Procedimiento: En una probeta de 500 cm 3, se miden 450 cm 3 de agua y se vierten en un calorímetro. Se esperan unos minutos y se mide la temperatura con un termómetro. En una balanza granataria, se pesa un vidrio de reloj, y, con un varilla, se echa el KOH hasta que su masa aumente 4,5 g. Rápidamente (para evitar la hidratación y carbonatación del KOH) se echa el hidróxido de potasio en el calorímetro y se agita con una varilla, comprobando la temperatura. Se anota el valor máximo y se resta del valor inicial de la del agua. Cálculos: masa de agua = 450 dm 3 1,00 g/cm 3 = 450 g agua 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) Δt = (450) g 4,18 J/g 0 C 2,5 0 C = 4,7 10 3 J El calor Q C ganado por el calorímetro se calcula de forma análoga, usando el equivalente en agua del calorímetro. Q C = m(equivalente en agua) c e (agua) Δt = (15) g 4,18 J/g 0 C 2,5 0 C = 1,6 10 2 J Q (cedido en la disolución) = (4,7 10 3 + 1,6 10 2 ) J = 4,9 10 3 J H d 0 = 4,9 103 [J ] 4,5[ g KOH] 1[ kj] 10 3 [J ] 56[g KOH ] 1[ mol KOH] = 61 kj mol KOH
OPCIÓN 2 2.1.- Considere el siguiente proceso químico de oxidación-reducción: Cu + HNO 3 Cu(NO 3) 2 + NO + H 2O a) Escriba las semirreacciones de oxidación y reducción. b) Indique cuál es el oxidante, y cuál el reductor c) Ajuste la reacción. a) Las semirreacciones iónicas, ajustadas por el método del ion-electrón son: oxidación: Cu Cu 2+ + 2 e reducción: NO 3 + 4 H + + 3 e NO + 2 H 2 O b) El agente oxidante es el responsable de la oxidación( se reduce, gana los electrones que se pierden en la oxidación) y es el ion nitrato NO 3. El agente reductor es el cobre metálico Cu. c) Multiplicando la primera semirreacción por 3 y la segunda por 2 y sumando, se obtiene la reacción iónica ajustada: 3 Cu + 2 NO 3 + 8 H + 3 Cu 2+ + 2 NO + 4 H 2 O Para llegar al ecuación molecular ajustada, sumamos en ambos miembros los iones que faltan: 6 NO 3 6 NO 3 queda: 3 Cu + 8 HNO 3 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO + 4 H 2 O 2.2.- Teniendo en cuenta la masa de la molécula de hidrógeno y la masa de la molécula de oxígeno conteste razonadarnente: a) Qué ocupará más volumen, un mol de hidrógeno o un mol de oxígeno, en las mismas condiciones de presión y temperatura, estando ambas sustancias en forma gaseosa? b) Cuál tendrá más masa, un mol de hidrógeno o un mol de oxígeno, en las mismas condiciones de presión y temperatura? c) Dónde habrá más moléculas, en un mol de hidrógeno o en un mol de oxígeno? Rta.: a) mismo volumen b) Mmol(H 2 ) < Mmol(O 2 ) c) mismo N de moléculas. 2.3.- A 25 0 C el grado de disociación de una disolución 0,2 M de ácido acético [ácido etanoico] vale 0,0095. Calcule: a) La concentración de iones acetato[iones etanoato], hidrogeniones e iones hidroxilo en el equilibrio b) El ph c) La constante de disociación del ácido acético. Rta.: a) [H + ] = [CH 3 COO ] = 2,0 10 3 mol/dm 3, [OH ] = 5,3 10 12 mol/dm 3 ; b) ph = 2,72; c) K a = 2,0 10-5 Datos Cifras significativas: 2 temperatura T = 25 0 C = 298 K concentración de ácido etanoico [CH 3 COOH] 0 = 0,20 mol/dm 3 grado de disociación del ácido etanoico α = 0,0095 = 9,5 10 3 Incógnitas concentraciones de los iones [CH 3 COO ], [H + ], [OH ]
Incógnitas ph de la disolución constante de acidez Otros símbolos concentración (moles/l) de ácido débil que se disocia cantidad de sustancia disociada Ecuaciones ph K a x n d constante de acidez del ácido: H a A (aq) a H + (aq) + A a (aq) K a = [ H+ ] a e [A -a ] e [ H a A] e ph ph = log[h + ] poh poh = log[oh ] producto iónico del agua: H 2 O (l) H + (aq) + OH (aq) ph + poh = 14 grado de disociación α = n d / n 0 a) y b) Se han disociado: n d (CH 3 COOH) = α n 0 (CH 3 COOH) = = 9,5 10 3 [mol CH 3 COOH disociados / mol CH 3 COOH iniciales] 0,20 [mol CH 3 COOH iniciales] = = 2,0 10 3 mol CH 3 COOH disociados por cada litro de disolución. Teniendo en cuenta que el ácido etanoico es un ácido débil, se disociará en agua según la ecuación: CH 3 COOH (aq) H + (aq) + CH 3 COO (aq) CH 3 COOH H + CH 3 COO [ ] 0 mol/l 0,20 0 0 [ ] d mol/l 2,0 10 3 2,0 10 3 2,0 10 3 [ ] e mol/l 0,20 2,0 10 3 = 0,20 2,0 10 3 2,0 10 3 Las concentraciones de iones acetato e hidrogeniones se sacan en la tabla: [CH 3 COO ] = 2,0 10 3 mol/dm 3 [H + ] = 2,0 10 3 mol/dm 3 La concentración de iones hidróxido se deducen de la constante del producto iónico del agua: Primero se calcula el ph: ph + poh = 14 ph = log[h + ] = log(2,0 10 3 ) = 2,72 poh = 14,00 2,72 = 11,28 [OH ] = 10 poh = 10 11,28 = 5,3 10 12 mol/dm 3 c) La constante de equilibrio K a es: K a = [ CH 3 COO - ] e [H + ] e = 2,0 10 3 2,0 10 3 =2,0 10 5 [ CH 3 COOH] e 0,20
2.4.- Describa la obtención de un precipitado en el laboratorio. Dibuje el material y explique el modo de utilizarlo. Escriba la reacción del proceso químico. Cómo calcularía el rendimiento? Se realizó la reacción entre el cloruro de calcio CaCl 2 y el carbonato de sodio Na 2 CO 3 Se pesaron 5,0 g de cloruro de calcio en una balanza granataria sobre un vidrio de reloj y se disolvieron en una cantidad de agua muy pequeña en un vaso de precipitados, agitando con una varilla de vidrio. Se pesó una masa de carbonato de sodio mayor que la calculada para la reacción y se disolvió también en poca cantidad de agua en otro vaso de precipitados. Se calentó la disolución de cloruro de calcio con un mechero Bunsen y se vertió la disolución de carbonato de sodio sobre ella, agitando la mezcla con una varilla de vidrio. Luego se dejó enfriar. Se produjo la reacción de precipitación: CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + CaCl 2 (aq) Se colocó un papel de filtro circular en un embudo büchner Büchner ajustándolo para no dejar orificios libres y se humedeció con agua para que quedase adherido. Se ajustó el embudo büchner sobre un matraz kitasato y el trompa de vacío vástago lateral del kitasato se conectó a una trompa de vacío. Kitasato Se abrió el grifo y se vertió el contenido del vaso (precipitado y líquido sobrenadante) en el embudo. Se echó más agua sobre el precipitado que aún quedaba en el vaso para llevarlo al embudo. Cuando ya no goteaba más agua en el interior del kitasato, se desencajó el embudo y se cerró el grifo. Se quitó el papel de filtro y se dejó a secar un día o dos. Se pesó el precipitado sobre el papel de filtro. Se restó a la masa que daba la balanza, la masa de un papel de filtro seco. Para calcular el rendimiento, se calcula la cantidad esperada de CaCO 3 de la reacción: m CaCO 3 =5,0gCaCl 2 1mol CaCl 2 110g CaCl 2 1mol CaCO 3 1mol CaCl 2 100gCaCO 3 1 mol CaCO 3 =5,5 gcaco 3 y se divide la cantidad obtenida entre la esperada. Si se hubiesen obtenido 5,2 g de CaCO 3, el rendimiento sería: Rendimiento= 5,2g obtenidos CaCO 3 5,5g calculadoscaco 3 =0,94=94 % 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