UPV-2006-2010

PAÍS VASCO / QUÍMICA / JUNIO 06 / EXAMEN COMPLETO

Hay que responder a un bloque completo (A o B) y a tres de las cinco cuestiones propuestas.

Cada problema y cada cuestión tienen un valor máximo de dos puntos.

A1 En un recipiente de 10,0 litros se introduce una mezcla de 4,0 moles de nitrógeno y 12,0 moles de

hidrógeno. Se eleva la temperatura hasta 1 000 K estableciéndose el equilibrio:

2 2 3N (g) 3H (g) 2NH (g) En ese instante se observa que hay 0,8 moles de amoniaco.

a) calcule el valor de Kc b) calcule el valor de Kp y la presión total

A2 Se quiere obtener cobre realizando la electrolisis de una disolución de sulfato de cobre (II):

a) Realice un esquema de la instalación, nombrando cada uno de los elementos. Escriba las

reacciones que tienen lugar en cada uno de los electrodos, indicando su polaridad.

Explique lo que ocurre físicamente en ánodo y cátodo.

b) Al hacer pasar una corriente de 5 A durante 45 minutos se depositan 4,44 g de cobre.

Determine la masa atómica del cobre.

Dato: 1 F = 96,500 C.

B1 Para neutralizar el ácido acético contenido en 10 mL de un vinagre comercial, se precisan 18 mL

de una disolución de hidróxido de sodio que contiene 20 g de NaOH por cada litro:

a) Determine la concentración molar del ácido acético.

b) Calcule el % en peso de ácido acético en el vinagre.

Masas atómicas: H = 1 C = 12 O = 16 Na = 23.

La densidad del vinagre se considera igual a la del agua.

B2 En un horno de obtención de cal, CaO, se utiliza propano como combustible

a) Escriba la reacción de combustión del propano y calcule el calor de combustión del

mismo.

b) En el horno se produce la reacción: 3 2CaCO (s) CaO(s) CO (g) H 179 kJ

Si el rendimiento del proceso es del 40%, calcule la cantidad de propano que hay que quemar

para descomponer 100 kg de carbonato de calcio.

Datos: Masas atómicas: H = 1 C = 12 O = 16 Ca = 40.

Entalpías de formación ∆Hºf : CO2 =–393,8 kJ/mol H2O = 285,8 kJ/mol Propano = –103,6 kJ/mol.

C1 Cuando el aire está contaminado con sulfuro de hidrógeno, los objetos de plata se suelen

ennegrecer con una capa de sulfuro de plata: 2 2 2 2Ag(s) O (g) H S(g) Ag S(s) H O(l)

Para la limpieza posterior se emplean productos que contienen polvo de aluminio:

2 2 3 2Ag S(s) Al(s) H O(l) Ag(s) Al(OH) (s) H S(aq)

Explique qué sustancias actúan como oxidantes y reductores y escriba las semirreacciones redox:

a) en el proceso de ennegrecimiento b) en el proceso de limpieza

C2 Los siguientes iones: 2 2O ,F ,Na ,Mg

tienen todos 10 electrones.

a) Explique cuántos protones tiene cada uno.

b) Explique cuál tiene el mayor y cuál el menor radio iónico.

c) Explique cuál de los átomos correspondientes (O, F, Na, Mg) tiene el mayor radio

atómico.

d) Explique cuál de los mismos átomos tiene el menor radio atómico.

C3 Nombrando reactivos, productos y tipo de reacción, escriba las reacciones que permiten obtener:

a) acetato de propilo b) propanoato de amonio

b) propano a partir de propino d) butanona a partir de un alcohol

C4 Dadas las siguientes ecuaciones termoquímicas: 2 2 2 22H O (l) 2H O(l) O (g) H 196 kJ

2 2 3N (g) 3H (g) 2NH (g) H 92,4 kJ

a) Defina el concepto de entropía y explique el signo que probablemente tendrá la variación

de entropía ∆S, en cada una de ellas.

b) Explique si los procesos representados serán o no espontáneos a cualquier temperatura, a

temperaturas altas, a temperaturas bajas, o no serán nunca espontáneos.

C5 En tres recipientes sin etiquetar, se preparan disoluciones de la misma concentración de nitrato

amónico, hipoclorito de sodio y perclorato potásico.

a) Escriba, en cada caso, las reacciones de los procesos que ocurren al disolver la sal en agua.

b) Explique cómo podría identificar las tres sales con ayuda de un pHmetro.

HNO3 y HClO4 son ácidos fuertes, NaOH y KOH son bases fuertes, Ka (HClO) = 3,2·10–8

,

Kb(NH3) = 1,8·10–5

.

SOLUCIONES

Problema B1

Apartado a)

La reacción de neutralización, ajustada, entre el ácido acético y el hidróxido de sodio es:

3CH COOH + NaOH → 3CH COONa + 2H O

1 Calculamos los gramos de NaOH que se han consumido:

gramos NaOH consumidos 18 mL20 g

1000 mL 0,36 g

2 Calculamos los moles de NaOH consumidos:

40

0,36 gmoles NaOH 0,009 moles

23 16 1 g/mol

3 Según la estequiometría de la reacción de neutralización, por cada mol de acético reacciona 1 mol

de NaOH. Así pues, como han reaccionado 0,009 moles de NaOH, quiere decir que en los 10 mL

de vinagre comercial había 0,009 moles de CH3COOH.

4 Calculamos la molaridad de la disolución de ácido acético: 3

moles 0,009M 0,9 mol/L

V(L) 10 10

.

Apartado b)

1 Calculamos la masa de vinagre analizada, teniendo en cuenta que el volumen utilizado ha sido de

10 mL y que su densidad es de 1 g / mL (como la del agua, según indica el enunciado):

masa vinagre V densidad 10 mL g

1mL

10 g

2 Calculamos los gramos de ácido acético que había en esos 10 mL de vinagre, teniendo en cuenta

que en el apartado a) habíamos obtenido que en esos 10 mL de vinagre había 0,009 moles de

ácido acético:

3gramos CH COOH 0,009 moles g

mol

60

12 2 1 4 16 2 0,54 g

3 Calculamos, por último, el % en peso de ácido acético en el vinagre:

33

masa CH COOH 0,54% peso CH COOH 100 100 5,4%

masa vinagre 10

Problema B2

Apartado a)

Reacción de combustión del propano: 3 8 2 2 2C H (g) 5O (g) 3CO (g) 4H O(l)

El calor de combustión del propano es la variación de entalpía de esta reacción de combustión.

Utilizaremos para calcularlo la relación:

0 0

reacción i f i fHº c productos c reactivos

Relación que para la combustión del propano se puede escribir de esta manera:

0 0 0 0

reacción f 2 f 2 f 3 8 f 2Hº 4 H O(l) 3 CO (g) 1 C H (g) 5 O (g)

Sustituyendo los valores de las entalpías de formación de los productos y reactivos dados por el

enunciado, y teniendo en cuenta que el calor de formación de los elementos en sus estados naturales es 0,

con lo cual 0

f 2O (g) 0 kJ/mol tendremos que:

reacciónHº 4 285,8 3 393,8 1 103,6 5 0 2221 kJ

La reacción es exotérmica, ya que reacciónHº< 0, con lo cual en el proceso de combustión del propano se

desprende calor. Concretamente, cuando se quema un mol de propano se desprenden 2 221 kJ.

Apartado b)

Calculamos los moles de CaCO3 que se quieren descomponer:

3 g

mol

100000 gmoles CaCO 1000 moles

40 12 16 3

La variación de entalpía de la reacción de descomposición del CaCO3 es, según el enunciado del apartado

b), de 179 kJ. Así pues:

3 31 mol CaCO 1000 moles CaCO

179 kJ x

x 179000 kJ

Necesitaríamos 179 000 kJ si el rendimiento del proceso fuera del 100%.

Ahora bien, como el rendimiento del proceso es del 40%, necesitaremos en realidad más energía:

100179000 kJ 447500 kJ

40

Esta energía se quiere obtener de la combustión del propano. Calculamos los moles de propano que habrá

que quemar:

1 mol propano x

2221 kJ liberados 447500 kJ liberados

447500x 201,486 moles propano

2221

que en gramos son:

44

gramos propano 201,486 moles 12 3 1 8 g/mol 8865,38 g

Así pues, para descomponer 100 kg de carbonato de calcio según el proceso descrito, hay que quemar 8

865,38 g de propano (8,87 kg aprox.)

Cuestión C1

Apartado a)

Escribimos los números de oxidación de todos los átomos en las especies que participan en el proceso de

ennegrecimiento:

0 0 1 2 1 2 1 2

2 22 2Ag(s) O (g) H S(g) Ag S(s) H O(l)

4 Se observa que la plata se oxida, ya que al pasar de reactivos a productos, su número de oxidación

aumenta de 0 a +1.

La especie que se oxida es, entonces, la plata metálica, Ag(s), y, por tanto, es la especie que actúa

como agente reductor.

La semirreacción de oxidación es: Ag(s) Ag 1e

5 Se observa también que el O se reduce, ya que al pasar de reactivos a productos, su número de

oxidación disminuye de 0 a –2.

La especie que se reduce es el oxígeno gaseoso, O2(g), y, por tanto, es la especie que actúa como

agente oxidante.

La semirreacción de reducción es: 2 2O (g) 4H 4e 2H O

Apartado b)

Escribimos los números de oxidación de todos los átomos en las especies que participan en el proceso de

limpieza:

1 2 0 1 2 0 3 2 1 1 2

2 232Ag S(s) Al(s) H O(l) Ag(s) Al(O H) (s) H S(aq)

6 Se observa que el aluminio se oxida, ya que al pasar de reactivos a productos, su número de

oxidación aumenta de 0 a +3.

La especie que se oxida es, entonces, el aluminio metálico, Al(s), y, por tanto, es la especie que

actúa como agente reductor.

La semirreacción de oxidación es: 3Al(s) Al 3e

7 Se observa también que la plata se reduce, ya que al pasar de reactivos a productos, su número de

oxidación disminuye de +1 a 0.

La especie que se reduce es el sulfuro de plata, Ag2S, y, por tanto, es la especie que actúa como

agente oxidante.

La semirreacción de reducción es: Ag 1e Ag(s)

Cuestión C3

Apartado a)

3 3 2 2 3 2 2 3 2Agua1 propanol Acetato (etanoato) de propiloÁcido acético (etanoico)

CH COOH CH CH CH OH CH COOCH CH CH H O

Es una reacción de esterificación: reaccionan un ácido carboxílico y un alcohol para formar un éster.

Apartado b)

3 2 3 3 2 4Amoníaco Propanoato de amonioÁcido propanoico

CH CH COOH NH CH CH COONH

Es una reacción de tipo ácido–base.

Apartado c)

3 2 3 2 3HidrógenoPropino Propano

CH C CH 2H CH CH CH

Es una reacción de adición, concretamente se denomina reacción de hidrogenación.

Apartado d)

2 2 7K Cr O , calor, medio ácido (H )

3 2 3 3 2 32 bu tanol 2 bu tanona

CH CHOHCH CH CH COCH CH

Es una reacción de oxidación. Los alcoholes secundarios, por oxidación en caliente y en medio ácido, dan

lugar a cetonas.

Cuestión C5

Apartado a)

Las tres sales se disocian totalmente en agua.

8 Disolución de nitrato amónico en agua:

4 3 4 3NH NO (s) NH (aq) NO (aq)

El ión nitrato, 3NO

, no presenta comportamiento básico, ya que procede de un ácido

fuerte: el ácido nítrico, 3HNO.

El ión amonio, 4NH

, se comporta como ácido débil (es conjugado del amoniaco, NH3, base débil). Este ión reacciona con el agua (proceso de hidrólisis) para establecer así su

equilibrio de acidez: 4 2 3 3NH H O NH H O

9 Disolución de hipoclorito de sodio en agua:

NaClO(s) Na (aq) ClO (aq)

El ión sodio, Na , no reacciona con el agua, ya que procede de una base fuerte: el

hidróxido sódico, NaOH.

El ión hipoclorito, ClO, se comporta como base débil, ya que es conjugado del ácido

hipocloroso, HClO, que es un ácido débil. Este ión reacciona con el agua (proceso de

hidrólisis) para establecer así su equilibrio de basicidad: OHHClOOHClO

2

10 Disolución de perclorato potásico en agua:

4 4KClO (s) K (aq) ClO (aq)

El ión sodio, K, no reacciona con el agua, ya que procede de una base fuerte: el

hidróxido potásico, KOH.

El ión perclorato, 4ClO

, no reacciona con el agua, ya que procede de un ácido fuerte: el

ácido perclórico, 4HClO

Apartado b)

11 La disolución de nitrato amónico tendrá un pH ácido, menor que 7, a causa de la hidrólisis del ión

amonio con comportamiento ácido.

12 La disolución de hipoclorito de sodio presentará un pH básico, mayor que 7, a causa de la

hidrólisis del ión hipoclorito con comportamiento básico.

13 La disolución de perclorato potásico presentará un pH neutro, igual a 7, debido a que ninguno de

sus iones presenta comportamiento ácido-base.

Así pues, al medir con un pHmetro el valor del pH de cada una de las disoluciones, podríamos

distinguirlas perfectamente sin lugar a dudas.

PAÍS VASCO / QUÍMICA / JULIO 07/ EXAMEN RESUELTO

INSTRUCCIONES PARA LA REALIZACIÓN DEL EXAMEN

Hay que responder a un bloque completo (A o B) y a tres de las cinco cuestiones propuestas. Cada

problema y cada cuestión tienen un valor máximo de dos puntos.

Tiempo: 1 hora y media.

A-1.- Dada la reacción 3 2 2 22CH OH(l) 3O (g) 2CO (g) 4H O(l) ∆Hº298 = –1 552,8 Kj:

a) Razone si el proceso es espontáneo en condiciones estándar y a 25 ºC.

b) Suponiendo que el sistema estuviese en equilibrio, razone cómo afectaría al equilibrio un

aumento en la presión y un aumento en la temperatura.

Datos: Entropías estándar a 298 K (J/K·mol): Sº[CH3OH(l)]=126,8; Sº[CO2(g)]=213,7;

Sº[O2(g)]=205,0; Sº[H2O(l)]= 70,0.

A-2.- La aspirina (HA) es un ácido monoprótico débil que en concentración 10–2

M se encuentra

ionizado en un 3%. Calcule razonadamente:

a) El pH de la disolución.

b) La constante de ionización de dicho ácido.

c) La concentración molar de una disolución de ácido sulfúrico que tenga el mismo pH que la

disolución de aspirina.

B-1.- La constante de equilibrio Kc para la reacción: 2 2 2H (g) CO (g) H O(g) CO(g) es

4,2 a 1 600 ºC. Para iniciarla se introducen 0,8 moles de H2 y 0,8 moles de CO2 en un

recipiente de 10L.

a) Calcule la concentración de cada sustancia en el equilibrio.

b) ¿Cuál será el valor de Kp a la misma temperatura?

B-2.- El siguiente proceso redox tiene lugar espontáneamente en uno de los sentidos:

3 3 2Zn(s) 2AgNO (aq) 2Ag(s) Zn(NO ) (aq)

a) Explique cómo se puede construir una pila basada en la reacción anterior.

b) Indique las reacciones que ocurren en cada uno de los electrodos.

c) Calcule la masa de plata que se habrá transformado si la pila ha hecho circular una carga

de 38 600 C.

Datos: masa atómica Ag = 108; Eº(Zn2+

/Zn) = –0,76V; Eº(Ag+/Ag) = 0,80V.

C-1.- Tres elementos tienen de número atómico 19,35 y 54 respectivamente. Indique

razonadamente:

a) Sus configuraciones electrónicas.

b) Grupo y periodo de la Clasificación Periódica en los que se encuentran.

c) ¿Cuál es el que tiene menor primer potencial de ionización?

d) ¿Cuál es el que tiene mayor afinidad electrónica?

C-2.- Explique razonadamente qué tipo de enlace o fuerza intermolecular hay que vencer para

fundir los siguientes compuestos:

a) Cloruro de potasio

b) Bromo

c) Magnesio

d) Dióxido de carbono

Datos: números atómicos: Z(C)=6; Z(O)=8; Z(Mg)=12; Z(Cl)=17; Z(K)=19; Z(Br)=35.

C-3.- Las concentraciones de equilibrio para la reacción PCl3(g) + Cl2(g) ↔ PCl5(g) que se realiza en

un matraz de 1 litro son, respectivamente: 0,20 M; 0,10 M y 0,40 M. En ese momento se

añaden 0,10 moles de cloro gas. Responda razonadamente:

a) ¿Cuál es la nueva concentración de PCl5(g) una vez alcanzado el nuevo equilibrio?

b) Discuta cómo puede influir una variación de presión sobre el sistema en equilibrio.

C-4.- Calcule razonadamente: a) El peso de heptaoxodicromato de dipotasio necesario para que

reaccione completamente con 100 mL de disolución de cloruro de hidrógeno (de peso

específico 1,04 g/mL y que contiene el 20% en peso de HCl). b) Calcule el peso de cloro gas

obtenido.

Datos: masas atómicas: Cr = 52,0; O = 16,0; K = 39,1; Cl = 35,5.

C-5.- Queremos obtener tres derivados monohalogenados de la menor masa molecular posible cuyos

átomos de halógeno estén situados, respectivamente, sobre átomos de carbono primario,

secundario y terciario. Nombre qué sustancias se necesitan, escriba las reacciones químicas

mediante las que se obtienen y nombre los productos monohalogenados.

SOLUCIONES

Problema A-1

Apartado a)

Para razonar si el proceso es espontáneo, calcularemos el valor de la variación de energía libre de Gibbs,

∆Gº, mediante la relación:

∆Gº = ∆Hº – T·∆Sº

∆Hº = –1 552,8 kJ = –1 552 800 J

T = 25 ºC = 298 K

∆Sº = ∑ni·Siº(productos) – ∑ni·Siº(reactivos) = [2·213,7 + 470,0] – [2·126,8 + 3·205,0] = – 161,2 J/K

Calculamos ya el valor de ∆Gº = –1 552 800 – 298 (–161,2) = –1 504 762,4 J

Al resultar ∆Gº<0, se puede afirmar que el proceso es espontáneo a 25 ºC.

Apartado b)

Contestaremos a este apartado basándonos en el principio de Le Chatelier.

Un aumento de la presión del sistema hace que el equilibrio, según Le Chatelier, tienda a

contrarrestar esta alteración, es decir, a disminuir la presión del sistema. Para ello, el equilibrio

debe desplazarse en el sentido que haga disminuir el número de moles de sustancias gaseosas que,

en este caso concreto, es hacia productos.

Un aumento de la temperatura hace que el equilibrio, según Le Chatelier, tienda a contrarrestar

esta alteración, es decir, a disminuir la temperatura del sistema. Al ser un proceso endotérmico (ya

que el valor de su ∆Hº es negativo), quiere decir que consume calor en el sentido en el que está

escrito. Entonces, para que este equilibrio haga disminuir la temperatura del sistema debe

desplazarse hacia los productos y consumir así calor.

Problema A-2

Apartado a)

Establecemos la ecuación del equilibrio de acidez del ácido HA y la tabla que nos permite relacionar las

concentraciones iniciales y las concentraciones una vez alcanzado el estado de equilibrio:

HA (aq) + H2O (aq) A– (aq) + OH3 (aq)

Conc. Iniciales (mol/L) 10–2

_______ 0 0

Conc. en el equilibrio

(mol/L) 10

–2 – x _______ x x

(llamamos x a la concentración de HA que se consume hasta que se alcanza el estado de equilibrio).

El valor del pH de la disolución será:

logpH logOHeq3 x

Para calcular el valor de x, utilizaremos el dato del valor del grado de ionización del ácido (3%) que nos

da el enunciado:

100ióninicialconcentrac

daiónconsumiconcentrac (también se podría plantear, si interesase, en moles o en presiones)

10010

x3

2

de donde 4103x M

Con lo cual: logpH 52,3)103log(xlogOH 4

eq3

Apartado b)

Aplicamos ahora la ecuación de la constante de acidez del ácido HA, que es la constante que corresponde

al equilibrio planteado:

x10

x

x10

xxOH)HA(K

2

2

2eq

eqeq3

a

HA

A (1)

Sustituyendo en (1) el valor de x calculado en el apartado anterior:

6

42

24

a 1028,910310

)103()HA(K

Apartado c)

Establecemos la reacción de disociación del H2SO4 en agua y la tabla que nos permite relacionar las

concentraciones iniciales y finales en la disolución:

H2SO4 → 2H+

+ SO42–

Concentraciones iniciales y 0 0

Concentraciones finales 0 2y y

Queremos que el pH de la disolución de ácido sulfúrico sea el mismo que el de la disolución de HA, por

tanto:

M1031010H 452,3pHfinal

Según la tabla de concentraciones para el ácido sulfúrico: x2H final

Con lo cual, igualando: y2103 4 ; M105,1y 4

Por tanto, la concentración de ácido sulfúrico debe ser: M105,1ySOH 4

inicial42

Cuestión C-2

Apartado a)

El cloruro de potasio (KCl) es un compuesto iónico, ya que se forma a partir de un elemento metálico (el

potasio) y uno no metálico (el cloro). Por tanto, para fundirlo habrá que vencer el enlace iónico entre los

iones K+ y Cl

– que forman el compuesto.

Apartado b)

El bromo (Br2) es un compuesto covalente, ya que se forma a partir de átomos de no metal (en este caso,

de bromo). Concretamente es un compuesto covalente de tipo molecular, y es una molécula apolar. Para

fundirlo hay que vencer las fuerzas intermoleculares existentes entre las moléculas de Br2, que son fuerzas

intermoleculares dipolo inducido–dipolo inducido, que son las que se presentan entre moléculas apolares.

Apartado c)

El magnesio es un metal, por tanto el enlace que hay que vencer para fundirlo es el enlace metálico, es

decir, la atracción existente entre los iones Mg2+

presentes en la red metálica, y la nube electrónica

formada por todos los electrones liberados por los átomos de Mg al convertirse en iones Mg2+

.

Apartado d)

El dióxido de carbono (CO2) es un compuesto covalente, ya que se forma a partir de átomos de no metal

(en este caso, de carbono y de oxígeno). Concretamente es un compuesto covalente de tipo molecular, y es

una molécula apolar, ya que su geometría es lineal (O=C=O). Para fundirlo hay que vencer las fuerzas

intermoleculares existentes entre las moléculas de CO2, que son fuerzas intermoleculares dipolo inducido–

dipolo inducido, que son las que se presentan entre moléculas apolares.

Cuestión C-4

Apartado a)

La reacción que se propone es: 2 2 7 2K Cr O HCl(aq) Cl (g) ...

Los estados de oxidación de cada elemento en cada una de las sustancias de la reacción son:

1 6 2 1 1 0

2 2 7 2K Cr O HCl(aq) Cl (g) ...

Se observa que el Cl se oxida al pasar de reactivos (donde su estado de oxidación es –1) a productos

(donde su estado de oxidación es 0).

Supondremos que el átomo que se reduce el Cr, pasando a Cr3+

en los productos.

1 6 2 1 1 0

32 2 7 2

3K Cr O HCl(aq) Cl (g) Cr

Las semirreacciones de oxidación y de reducción ajustadas son:

OXIDACIÓN: 2Cl– → Cl2 + 2e

–

REDUCCIÓN: 2 3

2 7 2Cr O 14H 6e 2Cr 7H O

La reacción iónica global será la suma de la semirreacción multiplicada por 3 (para igualar el número de

electrones) y la semirreacción de reducción, obteniéndose:

2 3

2 7 2 2Cr O 14H 6Cl 2Cr 7H O 3Cl

Si completamos:

2 2 7 3 2 2K Cr O 14HCl 2CrCl 7H O 3Cl 2KCl

Calculamos las moles de HCl que hemos introducido:

r

densidad(g / L) %enpeso 1040 20M 5,7mol / L

M (soluto)·100 36,5 100

; 3

HCln M V 5,7 (100 10 ) 0,57moles

Establecemos una relación entre las cantidades que se consumen de dicromato de potasio y ácido

clorhídrico utilizando la estequiometría de la reacción:

2 2 72 2 7

1molK Cr O xx 0,0407molesK Cr O

14molesHCl 0,57molesHCl

Por último, calculamos la masa de dicromato potásico necesaria:

2 2 7 r 2 2 7m(K Cr O ) 0,0407 M (K Cr O ) 0,0407 (2 39,1 2 52,0 7 16,0) 11,974g

Apartado b)

Según la estequiometría de la reacción:

22

3molesCl xx 0,1221molesCl

14molesHCl 0,57molesHCl se forman

m (Cl2) = 0,1221∙ Mr (Cl2)=0,12221 ∙ (2 ∙ 35,5)= 8,669 g

Cuestión C-5

1. Derivado monohalogenado de la menor masa molecular posible con átomo de halógeno sobre carbono

primario: CH3CH2F

Reacción de obtención: adición de HF a un alqueno.

2 2 3 2CH CH HF CH CH F

Nombres de las sustancias:

CH2=CH2: eteno

HF: fluoruro de hidrógeno

CH3CH2F: fluoruro de etilo o fluoroetano


secundario: CH3CHF CH3



3 2CH CH CH : propeno


3 3CH CH CH

F

: 2-fluoropropano

3 2 3 3CH CH CH HF CH CH CH

F


terciario:


3 2 3 3

3 3

F

CH C CH HF CH C CH

CH CH


3 2

3

CH C CH

CH

: metilpropeno


3 3

3

F

CH C CH

CH

: 2-fluor-2-metilpropano

PAÍS VASCO / QUÍMICA / JUNIO 08 / EXAMEN RESUELTO

Responder a un bloque completo (A o B) y a tres de las cinco cuestiones propuestas. Cada problema y

cada cuestión tienen un valor máximo de dos puntos.

A-1. Dadas las siguientes entalpías estándar de formación (en kJ/mol):

CO2 (g) = -393,5; H2O (l) = -285,4; C4H10 (g) = - 124,7

a) Escribe y explica las reacciones a que se refieren estos datos.

b) Calcula el calor de combustión del butano.

c) Determina la masa de butano necesaria para calentar 50 L de agua desde 4 ºC hasta 50 ºC,

suponiendo que el rendimiento es del 70%.

Datos: Masas atómicas: C = 12; H = 1.

A-2. Se disuelven 0,27 g de cianuro de hidrógeno (HCN) en agua, hasta formar 100 mL de

disolución. Se comprueba que el pH de la disolución es 5,1. Determina razonadamente:

a) La constante de disociación, Ka, del cianuro de hidrógeno.

b) Los gramos de hidróxido de sodio que habrá que añadir a la disolución anterior para su

neutralización.

Datos: Masas atómicas: H = 1; C = 12; N = 14; O = 16; Na = 23.

B-1. El ácido nítrico concentrado ataca al estaño metálico formándose dióxido de estaño sólido,

dióxido de nitrógeno gaseoso y agua líquida. Se desea que, razonadamente:

a) Formules y ajustes la reacción, utilizando el método de ion-electrón, indicando oxidante y

reductor.

b) Calcules el volumen de gas, medido en condiciones normales, que se desprenderá por cada 100 g

de estaño que reaccione, si el rendimiento del proceso es del 80%.

Datos: Masa atómica del Sn = 118,7.

B-2. A cierta temperatura el valor de Kc es 783 para el equilibrio:

3 H2(g) + N2 (g) ↔ 2NH3(g).

A la misma temperatura y de forma razonada:

a) Calcula Kc para el equilibrio 2 NH3 (g) ↔ 3H2 (g) + N2 (g).

b) Calcula Kc para el equilibrio (3/2) H2 (g) + (1/2) N2 ↔ NH3 (g).

c) Explica qué ocurrirá en los equilibrios anteriores si repentinamente aumentase la presión.

d) Explica qué ocurrirá en los equilibrios anteriores si se añade un catalizador.

C-1. Justificando tu respuesta:

a) Ordena de mayor a menor el primer potencial de ionización de los siguientes elementos: Be; Li;

F; N.

b) Ordena de mayor a menor radio iónico los iones: Be2+

; Li+; F

-; N

3-.

Datos: Números atómicos: Z(Li) = 3; Z(Be) = 4; Z(N) = 7; Z(F) = 9.

C-2.

a) En función del tipo de enlace, razona cuál es el orden decreciente de las tres sustancias que

posean mayor temperatura de fusión entre las siguientes: KBr; CH4; F2; HCl; CH3OH.

b) Discute razonadamente la conductividad eléctrica de: un hilo de aluminio; un cristal de cloruro

de aluminio (III); y de una disolución de cloruro de aluminio (III).

Datos: Números atómicos: Z(C) = 6; Z(O) = 8; Z(F) = 9; Z(Cl) = 17; Z(K)=19; Z(Br) = 35.

C-3. En la práctica titulada “Construcción de una pila galvánica (o su homóloga)”:

a) Describe los elementos de que consta la pila y su función.

b) Escribe las reacciones que tienen lugar en cada electrodo y la reacción global.

c) ¿Qué ocurre si quitas el puente salino?

Datos: Eº(Zn2+

/Zn) = –0,77 v; Eº(Cu2+

/Cu) = 0,34 v.

C-4. En las centrales térmicas si los combustibles fósiles utilizados contienen azufre, se suele

inyectar carbonato de calcio pulverizado durante la combustión, de manera que se producen las

reacciones siguientes:

CaCO3 (s) ↔ CaO (s) + CO2 (g) CaO (s) + SO2 (g) ↔ Ca SO3 (s)

a) Bajo un punto de vista medioambiental, explica las ventajas y/o inconvenientes de añadir el

carbonato de calcio.

b) Actualmente la emisión de “gases de efecto invernadero” está sometida a severos controles

gubernamentales. ¿Podrías explicar en qué consiste este efecto?

C-5. Nombrando los reactivos, escribe una reacción que dé lugar al producto:

a) 2-Cloropropano.

b) Etanoato de propilo.

c) Propanona.

d) Ácido butanoico.

SOLUCIONES

A-1.

Apartado a)

La reacción de formación de una sustancia es aquella en la que se forma 1 mol de dicha sustancia a partir

de los elementos que la forman en su estado natural.

Teniendo esto en cuenta, escribimos las reacciones a las que se refieren las tres entalpías estándar de

formación que proporciona el enunciado:

Formación del CO2(g): 2 2C(s) O (g) CO (g) oH 393,5 kJ/mol

Formación del H2O(l): 12 2 22

H (g) O (g) H O(l) oH 285,4 kJ/mol

Formación del C4H10(g): 2 4 104C(s) 5H (g) C H (g) oH 124,7 kJ/mol

Apartado b)

La reacción de combustión del butano, ajustada, es:

4 10 2 2 2

13C H O 4CO 5H O

2

Para el cálculo de la variación de entalpía ( Hº ) de esta reacción, que es el calor de combustión del

butano, haremos uso de la relación:

0 0

reacción i f i fHº c productos c reactivos ,

donde ci son los coeficientes estequiométricos de cada especie en la reacción ajustada.

Sustituyendo los valores de las entalpías de formación de los productos y reactivos dados por el

enunciado, y teniendo en cuenta que el calor de formación de los elementos en sus estados naturales es 0,

con lo cual 0

f 2O (g) 0 kJ/mol , tendremos que:

0 0 0

reacción f 2 f 2 f 4 10Hº 4 CO (g) 5 H O(l) C H (g)

4 393,5 5 285,4 124,7 2876,3 kJ

La entalpía estándar de combustión del butano es de –2876,3 kJ. Es decir, cuando se quema 1 mol de

butano se desprenden 2876,3 kJ.

Apartado c)

Calculamos el calor necesario para calentar 50 L de agua (que equivalen a una masa de 50 kg de agua)

desde 4 ºC hasta 50 ºC mediante la expresión:

eQ m C T 6JQ 50 kg 4180 50ºC 4ºC 9,614 10 J 9614 kJ

kg ºC

Todo este calor queremos obtenerlo quemando butano. Calculamos cuántos moles de butano se

necesitarían si el rendimiento del proceso de combustión del butano funcionase al 100% de rendimiento.

Tomamos para ello como referencia el calor de combustión del butano calculado en el apartado b).

4 10 4 104 10

1 mol C H x moles C H 9614 x 3,3425 moles C H

2876,3 kJ liberados 9614 kJ liberados 2876,3

Como el proceso de combustión funciona al 70%, necesitaremos quemar más moles de butano:

4 10

100 moles producidas teóricamentemoles C H a quemar 3,3425 necesarias a utilizar 4,775 moles

70 moles obtenidas realmente

Pasamos esta cantidad a gramos:

4 10 4 10 r 4 10gramos C H moles C H M (C H ) 4,775 moles 58 g/mol 276,95 g

Así pues, para calentar 50 L de agua desde 4 ºC hasta 50 ºC, suponiendo que el rendimiento de la

combustión del butano es del 70% es necesario quemar 276,95 g de butano.

A-2.

Calculamos la concentración inicial de HCN:

r

27

gramos HCN 0,27 gmoles HCN 0,01 moles

M (HCN) 1 12 14 g / mol

;

HCNmoles HCN 0,01

M 0,1 mol/LV(L) 0,100

.

Establecemos el equilibrio de acidez en agua del HCN y la tabla que nos permite relacionar las

concentraciones iniciales con las concentraciones en el equilibrio:

HCN + OH2 (aq) ⇄ CN–(aq) + 3H O (aq)

Conc. iniciales (mol/L) 0,1 _____ __ 0 0

Conc. en el equilibrio

(mol/L) 0,1 – x _______ x x

(llamamos x a la concentración de HCN que se consume hasta que se alcanza el estado de equilibrio).

El enunciado da como dato el pH de la disolución: 5,1.

Con este dato, podemos calcular la concentración de protones en el equilibrio:

pH 5,1 63

eqH O 10 10 7,943 10 M

Por otra parte, según la tabla de concentraciones:

3eq

H O x

Igualando ambas cantidades, tenemos que:

6x 7,943 10 M

Apartado a)

Aplicamos ahora la expresión de la constante de acidez del HCN, que es la constante que corresponde al

equilibrio planteado, y calculamos su valor:

2– 6

23eq eq 10

a 6eq

CN aq H O (aq) 7,943 10x x xK (HCN) 6,31 10

HCN 0,1 x 0,1 x 0,1 7,943 10

(1)

Apartado b)

La reacción de neutralización que se produce entre el HCN y el NaOH es:

2HCN NaOH NaCN H O

Por cada mol de HCN se consume 1 mol de NaOH. En la disolución de HCN había 0,1 mol del ácido, con

lo cual se necesitan 0,1 mol de NaOH.

Pasamos estos moles a gramos:

rgramos NaOH moles NaOH M (NaOH) 0,1 moles 40 g/mol 4 g

B-1.

La reacción propuesta es:

3 2 2 2Sn(s) HNO (aq) SnO (s) NO (g) H O(l)

Asignamos los números de oxidación de cada elemento en cada una de las sustancias que participan en la

reacción:

0 1 5 2 4 2 4 2 1 2

23 2 2Sn H N O Sn O N O H O

Como se puede observar:

El Sn es el elemento que se oxida, ya que su número de oxidación aumenta (de 0 a +4). Por tanto, la

especie reductora es el Sn(s).

El N es el elemento que se reduce, ya que su número de oxidación disminuye (de +5 a +4). Así pues,

la especie oxidante es el HNO3.

Comenzamos el proceso de ajuste por el método del ion-electrón:

Semirreacciones de reducción y oxidación y ajuste del átomo que se reduce u oxida:

– Oxidación: 2Sn SnO

– Reducción: 3 2HNO NO

Ajuste de los oxígenos utilizando H2O:

– Oxidación: 2 2Sn 2H O SnO

– Reducción: 3 2 2HNO NO H O

Ajuste de los hidrógenos utilizando H+:

– Oxidación: 2 2Sn 2H O SnO 4H

– Reducción: 3 2 2HNO H NO H O

Ajuste de la carga eléctrica en ambas semirreacciones utilizando electrones:

– Reducción: Carga total: 1 Carga total: 0

3 2 2HNO H NO H O . Es necesario sumar 1 e

- en el miembro de los reactivos,

que es el que tiene la carga más elevada, para conseguir así rebajarla e igualarla con la

carga del miembro de los productos.

3 2 2HNO H e NO H O

– Oxidación: Carga total: 4Carga total: 0

2 2Sn 2H O SnO 4H

. Es necesario sumar 4 e- en el miembro de los productos,

que es el que tiene la carga más elevada, para conseguir así rebajarla e igualarla con la

carga del miembro de los reactivos.

2 2Sn 2H O SnO 4H 4e

Ajuste de los electrones intercambiados en ambas semirreacciones (deben tener el mismo número):

– Reducción (multiplicada por 4): 3 2 24HNO 4H 4e 4NO 4H O

– Oxidación : 2 2Sn 2H O SnO 4H 4e

Suma de las dos semirreacciones para obtener en este caso la reacción molecular global ajustada:

3 2 2 24HNO (aq) Sn(s) 4NO (g) 2H O(l) SnO (s)

(Los electrones, los protones y dos moléculas de agua de los reactivos y los productos desaparecen, ya

que se compensan en ambos miembros).

Apartado b)

Calculamos los moles de estaño que se introducen en el recipiente de reacción:

100 gn(Sn) 0,8425 moles

118,7g / mol

Tomamos como referencia la estequiometría de la reacción para calcular los moles de NO2(g) formados:

22 2

1 mol Sn 0,8425 moles Sn x 0,8425 4 3,37 moles NO

4 moles NO x moles NO

Ahora bien, al ser el rendimiento de la reacción del 80%, realmente se obtienen:

2

moles producidas realmente x 80 3,3780 100 80 100 x 2,696 moles NO

moles a producir teóricamente 3,37 100

Calculamos el volumen que ocupan estos moles de gas en condiciones normales (P = 1 atm, T = 0 ºC =

273 K):

n R T(K) 2,696 0,082 273P(atm) V(L) n R T(K) V(L) 60,353 L

P(atm) 1

B-2.

Apartado a)

Equilibrio E: 2 2 33H (g) + N (g) 2NH (g) Kc 783

Equilibrio A: 3 2 22NH (g) 3H (g) + N (g) Kc = ¿?

Si comparamos los dos equilibrios, observamos que A E ( 1) E , con lo cual, la relación entre sus

constantes de equilibrio es: 1

c cA EK K

. Así pues: 1 3

c AK 783 1,277 10

Apartado b)

Equilibrio E: 2 2 33H (g) + N (g) 2NH (g) Kc 783

Equilibrio B: 2 2 3

3 1H (g) + N (g) NH (g)

2 2 Kc = ¿?

Si comparamos los dos equilibrios, observamos que:

E 1B E

2 2 ,

con lo cual, la relación entre sus constantes de equilibrio es:

1

2c cB E

K K

Así pues:

1 1

2 2c cB E

K K 783 27,982

Apartado c)

Un aumento de presión, según el principio de Le Châtelier, hará que el equilibrio se desplace en el sentido

que haga disminuir la presión del sistema, que será el sentido en el que disminuya la cantidad de gases

presentes.

Así pues, los equilibrios E y B se desplazarán hacia productos, mientras que el equilibrio A se desplazará

hacia reactivos.

Apartado d)

Si se añade un catalizador, los equilibrios anteriores no se desplazan. El estado de equilibrio no se ve

alterado. Lo que ocurre es que dicho estado de equilibrio se alcanza en menor tiempo, es decir, la reacción

transcurre más rápidamente. Su velocidad aumenta.

C-1.

Apartado a)

Las configuraciones electrónicas y posición en el sistema periódico de los cuatro elementos propuestos

son:

Be (z = 4): 1s22s

2 Período 2, grupo 2

Li (z = 3): 1s22s


F (z = 9): 1s22s

22p


N (z = 7): 1s22s

22p


Los cuatro elementos pertenecen, por tanto, al mismo período del sistema periódico (período 2). Su

ordenación dentro de este período es:

Período

2 Li Be N F

Dentro de un mismo período, el primer potencial de ionización aumenta hacia la derecha, con lo cual el

orden de estos elementos de mayor a menor valor de dicha magnitud es: F N Be Li .

Apartado b)

2Be : tiene 4 protones y 2 electrones. Configuración electrónica: 1s2.

Li : tiene 3 protones y 2 electrones. Configuración electrónica: 1s2.

F : tiene 9 protones y 10 electrones. Configuración electrónica: 1s22s

22p

6.

3N : tiene 7 protones y 10 electrones. Configuración electrónica: 1s22s

22p

6.

Con esta descripción está claro que los dos cationes son más pequeños que los dos aniones.

Entre los dos cationes es más pequeño el Be2+

, ya que posee más protones para los mismos electrones en

la corteza, con lo cual la atracción del núcleo sobre la corteza es mayor y el tamaño del catión es menor.

Entre los dos aniones, es más pequeño el F , ya que posee más protones para los mismos electrones en la

corteza, con lo cual la atracción del núcleo sobre la corteza es mayor y el tamaño del anión es menor.

Así pues, el orden de estos iones, de mayor a menor radio iónico es: 3N > F > Li > 2Be .

C-2.

Apartado a)

KBr: compuesto iónico. Para fundirlo hay que romper el enlace iónico, que es muy intenso.

CH4: compuesto covalente molecular. Geometría tetraédrica. Compuesto apolar. Presenta fuerzas

intermoleculares de dispersión o de London.

F2: compuesto covalente molecular apolar. Presenta fuerzas intermoleculares de dispersión o de

London.

HCl: compuesto covalente molecular polar. Presenta fuerzas intermoleculares dipolo permanente-

dipolo permanente. Más intensas que las de dispersión.

CH3OH: compuesto covalente molecular polar. Presenta fuerzas intermoleculares de enlace por

puente de hidrógeno, ya que posee un enlace O-H. Son fuerzas intermoleculares más intensas que el

resto de este tipo de fuerzas.

Teniendo en cuenta que el enlace iónico es mucho más intenso que cualquier fuerza intermolecular, el

orden decreciente de las tres sustancias de mayor temperatura de fusión es: KBr > HCl > CH3OH.

Apartado b)

Un hilo de aluminio está formado por aluminio metálico. Los metales son buenos conductores de la

electricidad, ya que poseen una nube de electrones libre, cuya posibilidad de movimiento permite

conducir la corriente eléctrica.

El cloruro de aluminio (III) es un compuesto iónico. Los compuestos iónicos están formados por

iones positivos y negativos. En estado sólido estos iones están fijos en las posiciones que ocupan en

la red cristalina y no tienen posibilidad de movimiento. Por tanto, un cristal de cloruro de aluminio

(III) no será buen conductor de la electricidad. Sin embargo, si el compuesto iónico está disuelto, los

iones positivos y negativos sí pueden moverse, ya no están formando la red cristalina, con lo cual la

disolución de cloruro de aluminio (III) sí conduce la electricidad.

C-3.

Fundamento teórico:

En las reacciones redox hay transferencia de electrones del reductor al oxidante. Estos electrones, en

lugar de pasar directamente de uno al otro, darán lugar a la obtención de corriente eléctrica al pasar

por un circuito exterior.

Para realizar una pila, el oxidante y el reductor deben estar en recipientes distintos y conectados por

un hilo conductor exterior; la transferencia de electrones tendrá lugar a través del conductor.

La pila Daniell que formaremos se puede expresar de este modo: Zn/Zn2+

//Cu2+

/Cu.

Materiales y reactivos:

* Dos vasos de precipitados de 250 cm3 * Disolución 1 M de CuSO4

* Electrodos: lámina de cobre * Disolución 1 M de ZnSO4

lámina de cinc * Disolución saturada de nitrato de potasio

* Dos cables con pinzas de cocodrilo * Tubo en U

* Dos trocitos de algodón

* Voltímetro

* Bombilla

Procedimientos:

1. Colocar en un vaso de precipitados 70 cm3 de disolución de CuSO4 e introducir en ella el

electrodo de Cu lámina de Cu.

2. Colocar en otro recipiente 70 cm3 de disolución de ZnSO4 e introducir en ella el electrodo de Zn

lámina de Zn.

– Se debe preparar el puente salino: su función es la de proporcionar cationes (carga positiva) a

la disolución del cátodo (que está perdiendo los cationes que se están reduciendo) y aniones a

la disolución del ánodo (en la que aparecen cationes debido a la oxidación) para mantener así

la neutralidad eléctrica de dichas disoluciones.

– Tomar el tubo de vidrio en forma de U y llenarlo con la disolución de KNO3.

– Utilizar cada trocito de algodón mojado en la disolución de KNO3 para cerrar los dos

extremos del tubo e intentar que no queden burbujas de aire en el interior del tubo.

Nota: Para rellenar el tubo en U muchas veces se suelen utilizar disoluciones concentradas de

KCl ó NH4NO3.

3. Realizar el montaje:

* Después de colocar el puente salino entre las dos disoluciones, conectar los dos electrodos a los

bornes del voltímetro mediante alambres de conexión.

* Medir en la escala del voltímetro la fuerza electromotriz de la pila eléctrica utilizada.

Fuerza electromotriz de la pila.

Podemos comprobar que hemos formado una pila al conectar los electrodos con una bombilla.

[Aviso: Es conveniente que los electrodos, recipientes y puente salino estén muy limpios para realizar bien

la medida de la fuerza electromotriz de la pila.]

Apartado b

Eº(Cu2+

/Cu) = 0,34 v > Eº(Zn2+

/Zn) = –0,77 v

Cátodo. semirreacción de reducción: 2Cu (aq) 2e Cu(s)

Ánodo. Semirreacción de oxidación: 2Zn(s) Zn 2e

Reacción global: 2 2Cu (aq) Zn(s) Cu(s) Zn (aq)

Apartado c)

Como ya hemos explicado en el apartado a), la función del puente salino es la de proporcionar cationes

(carga positiva) a la disolución del cátodo (que está perdiendo los cationes que se están reduciendo) y

aniones a la disolución del ánodo (en la que aparecen cationes debido a la oxidación) para mantener así la

neutralidad eléctrica de dichas disoluciones.

Si se quita el puente salino, la disolución del cátodo se va cargando negativamente al ir desapareciendo los

cationes que se van reduciendo, mientras que la disolución del ánodo se va cargando positivamente al ir

apareciendo los cationes resultantes de la oxidación, y llega un momento en que la reacción se detiene, ya

que, si no se mantiene la neutralidad eléctrica de los electrones, es imposible la circulación de electrones.

C-4

Apartado a)

Ventajas: se consume SO2 (dióxido de azufre), gas causante de la lluvia ácida, y, por tanto, se evita su

emisión a la atmósfera.

Inconvenientes: se emite CO2 a la atmósfera, que es perjudicial, ya que es uno de los gases

responsables del efecto invernadero.

Apartado b)

La atmósfera terrestre es casi transparente a la radiación solar, pero absorbe fuertemente la radiación

infrarroja de longitud de onda larga procedente del suelo caliente. Esta radiación es reemitida luego tanto

hacia el espacio como hacia el suelo, de modo que una parte importante es devuelta al planeta y este se

calienta más que si la atmósfera no existiera. Dos de los componentes minoritarios de la atmósfera, el

vapor de agua y el CO2 son los que poseen la capacidad de absorber la radiación. La cantidad de vapor de

agua depende de las condiciones climáticas, pero la cantidad de CO2 se ha mantenido constante durante

muchos miles de años (en una proporción muy pequeña: 0,033%). Por tanto, la liberación de grandes

cantidades de CO2 que se está produciendo en las últimas décadas debido a la actividad humana

(industrias, automóviles, etc), puede traducirse en el aumento de varios grados de la temperatura media de

nuestro planeta (calentamiento global). Este efecto de las emisiones artificiales de CO2 es conocido como

efecto invernadero.

C-5.

Apartado a)

2 3 3 3Cloruro de hidrógenoPropeno

CH CH CH HCl CH CHCl CH

Apartado b)

3 2 2 3 3 2 2 3Ácido etanoico 1-propanol

CH COOH CH OHCH CH CH COOCH CH CH

Apartado c)

DICROMATO POTÁSICO

2 2 7K Cr O

3 3 3 32-propanol

CH CHOHCH CH COCH

Apartado d)

PERMANGANATO POTÁSICO

4KMnO

3 2 2 2 3 2 21 butanol

CH CH CH CH OH CH CH CH COOH

UPV-2006-2010

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