Examen de Fonaments de Química I i II UAB 2010 · Fonaments de Química: Bloc I i Bloc II (Curs 2010-2011)

Dades generals i constants útils

Masses atòmiques: $\text{Br} = 79,904$; $\text{C} = 12,011$; $\text{H} = 1,00794$; $\text{K} = 39,0983$; $\text{N} = 14,0067$; $\text{O} = 15,9994$; $\text{S} = 32,066$; $\text{Ag} = 107,868\text{ u}$.

Constant d'Avogadro: $N_A = 6,022 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Velocitat de la llum: $c = 2,998 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$.

Constant de Planck: $h = 6,626 \times 10^{-34}\text{ J s}$.

Factors de conversió i densitats: $1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$; densitat de l'etanol $= 0,789\text{ g cm}^{-3}$.

1 Bloc I - Pregunta 1 (2,5 punts). Estequiometria de la bromació del benzè

La reacció química directa entre el benzè i el brom elemental ($\text{Br}_2$) condueix a la síntesi de bromobenzè i bromur d'hidrogen. En un assaig al laboratori, es posen a reaccionar $30{,}0\text{ g}$ de benzè amb $65{,}0\text{ g}$ de $\text{Br}_2$, obtenint-se experimentalment $56{,}7\text{ g}$ de bromobenzè pur.

a.

Formuleu i ajusteu l'equació química del procés.

b.

Identifiqueu justificadament quin reactiu actua com a limitant.

c.

Calculeu tant el rendiment teòric (en grams) com el percentatge de rendiment obtingut en la reacció.

Dades generals i constants útils

Masses atòmiques: $\text{Br} = 79,904$; $\text{C} = 12,011$; $\text{H} = 1,00794$; $\text{K} = 39,0983$; $\text{N} = 14,0067$; $\text{O} = 15,9994$; $\text{S} = 32,066$; $\text{Ag} = 107,868\text{ u}$.

Constant d'Avogadro: $N_A = 6,022 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Velocitat de la llum: $c = 2,998 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$.

Constant de Planck: $h = 6,626 \times 10^{-34}\text{ J s}$.

Factors de conversió i densitats: $1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$; densitat de l'etanol $= 0,789\text{ g cm}^{-3}$.

Bloc I - Pregunta 2 (2,5 punts). Isòtops del potassi i desintegració radioactiva

A l'escorça terrestre el potassi ($Z = 19$) es presenta com una mescla de tres isòtops naturals. L'isòtop $^{39}\text{K}$ té una abundància isotòpica del $93{,}2581\%$ i una massa de $38{,}964\text{ u}$, mentre que l'isòtop $^{40}\text{K}$ té una abundància del $0{,}0117\%$ i una massa de $39{,}974\text{ u}$. Aquest darrer isòtop és inestable i es desintegra lentament generant $^{40}\text{Ar}$, procés aprofitat en geocronologia per datar mostres minerals.

a.

b.

c.

Dades generals i constants útils

Masses atòmiques: $\text{Br} = 79,904$; $\text{C} = 12,011$; $\text{H} = 1,00794$; $\text{K} = 39,0983$; $\text{N} = 14,0067$; $\text{O} = 15,9994$; $\text{S} = 32,066$; $\text{Ag} = 107,868\text{ u}$.

Constant d'Avogadro: $N_A = 6,022 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Velocitat de la llum: $c = 2,998 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$.

Constant de Planck: $h = 6,626 \times 10^{-34}\text{ J s}$.

Factors de conversió i densitats: $1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$; densitat de l'etanol $= 0,789\text{ g cm}^{-3}$.

Bloc I - Pregunta 3 (2,5 punts). Riquesa en nitrogen de fertilitzants

El nitrat d'amoni ($\text{NH}_4\text{NO}_3$) i el sulfat d'amoni ($(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$) són adobs químics habituals que aporten nitrogen soluble al sòl. Al mercat, el cost unitari de massa del nitrat d'amoni és 1,2 vegades superior al del sulfat d'amoni (és a dir, un 20% més car per kg).

a.

%

%

b.

Nitrat d'amoni

Sulfat d'amoni

Dades generals i constants útils

Masses atòmiques: $\text{Br} = 79,904$; $\text{C} = 12,011$; $\text{H} = 1,00794$; $\text{K} = 39,0983$; $\text{N} = 14,0067$; $\text{O} = 15,9994$; $\text{S} = 32,066$; $\text{Ag} = 107,868\text{ u}$.

Constant d'Avogadro: $N_A = 6,022 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Velocitat de la llum: $c = 2,998 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$.

Constant de Planck: $h = 6,626 \times 10^{-34}\text{ J s}$.

Factors de conversió i densitats: $1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$; densitat de l'etanol $= 0,789\text{ g cm}^{-3}$.

Bloc I - Pregunta 4 (2,5 punts). Valoració redox d'etanol amb dicromat

En medi aquós àcid, l'anió dicromat oxida l'etanol a etanal, reduint-se el crom a sals solubles de Cr(III). Per analitzar una mostra d'etanol, es transfereixen 10,0 mL d'etanol líquid ($d = 0{,}789\text{ g/cm}^3$) a un matràs aforat i s'enrasa amb aigua fins a 250 mL. Seguidament, s'agafa una alíquota de 25,0 mL d'aquesta dissolució i es valora mitjançant una dissolució aquosa 0,100 M de dicromat de potassi.

a.

b.

c.

Dades generals i constants útils

Masses atòmiques: $\text{Br} = 79,904$; $\text{C} = 12,011$; $\text{H} = 1,00794$; $\text{K} = 39,0983$; $\text{N} = 14,0067$; $\text{O} = 15,9994$; $\text{S} = 32,066$; $\text{Ag} = 107,868\text{ u}$.

Constant d'Avogadro: $N_A = 6,022 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Velocitat de la llum: $c = 2,998 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$.

Constant de Planck: $h = 6,626 \times 10^{-34}\text{ J s}$.

Factors de conversió i densitats: $1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$; densitat de l'etanol $= 0,789\text{ g cm}^{-3}$.

Bloc II - Pregunta 1 (12 punts). Xarxa cristal·lina cúbica de la plata

La plata metàl·lica presenta una densitat de $10{,}49\text{ g cm}^{-3}$ a temperatura ambient i cristal·litza segons una estructura cúbica centrada a les cares (fcc / cúbica compacta). Determineu:

a.

b.

Dades generals i constants útils

Masses atòmiques: $\text{Br} = 79,904$; $\text{C} = 12,011$; $\text{H} = 1,00794$; $\text{K} = 39,0983$; $\text{N} = 14,0067$; $\text{O} = 15,9994$; $\text{S} = 32,066$; $\text{Ag} = 107,868\text{ u}$.

Constant d'Avogadro: $N_A = 6,022 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Velocitat de la llum: $c = 2,998 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$.

Constant de Planck: $h = 6,626 \times 10^{-34}\text{ J s}$.

Factors de conversió i densitats: $1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$; densitat de l'etanol $= 0,789\text{ g cm}^{-3}$.

Bloc II - Pregunta 2 (18 punts). Energies d'ionització del tercer període

A la taula següent s'indiquen les primeres i segones energies d'ionització ($I_1$ i $I_2$) expressades en $\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$ per als sis primers elements del tercer període:

Element

$I_1\ (\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}})$

$I_2\ (\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}})$

Na · 496 · 4562

Mg · 738 · 1451

Al · 577 · 1817

Si · 786 · 1577

P · 1012 · 1903

S · 1000 · 2251

a.

Una mescla gasosa que conté àtoms lliures d'aquests sis elements és irradiada amb radiació electromagnètica monocromàtica de $200\text{ nm}$ de longitud d'ona. Quins ions es podran formar com a conseqüència d'aquesta radiació per absorció d'un sol fotó per procés?

b.

Per quina raó el sodi presenta una diferència entre la segona i la primera energia d'ionització ($I_2 - I_1$) extraordinàriament superior a la de la resta d'elements?

c.

Justifiqueu per què el valor de $I_2$ de l'alumini és superior al de $I_2$ del silici.

d.

Discutiu i justifiqueu la tendència que segueixen les primeres energies d'ionització ($I_1$) per a la seqüència Si, P i S.

Bloc II - Pregunta 3 (12 punts). Forces intermoleculars i propietats físiques

Representeu l'estructura molecular de cadascun dels compostos proposats en les parelles següents i justifiqueu breument quin d'ells presenta un valor superior per a la propietat indicada:

a)

ciclohexanona vs metilciclohexà: Quin té un punt d'ebullició més alt?

b)

propanal vs àcid propanoic: Quin té una viscositat més gran?

c)

tetrafluorur de carboni (CF₄) vs tetraclorur de carboni (CCl₄): Quin presenta una pressió de vapor superior a 20 °C?

Bloc II - Pregunta 4 (12 punts). Configuracions electròniques del bloc f

A continuació s'indiquen les configuracions electròniques en l'estat fonamental de quatre elements pertanyents al bloc f (tres lantànids i un actínid):

Urani (U): $[\mathrm{Rn}]\ 5f^3\ 6d^1\ 7s^2$

Terbi (Tb): $[\mathrm{Xe}]\ 4f^9\ 6s^2$

Neodimi (Nd): $[\mathrm{Xe}]\ 4f^4\ 6s^2$

Gadolini (Gd): $[\mathrm{Xe}]\ 4f^7\ 5d^1\ 6s^2$

a.

Indiqueu per a cadascun dels quatre àtoms el nombre total d'electrons desaparellats i en quins tipus d'orbitals es troben.

Urani (U): $[\mathrm{Rn}]\ 5f^3\ 6d^1\ 7s^2$

Terbi (Tb): $[\mathrm{Xe}]\ 4f^9\ 6s^2$

Neodimi (Nd): $[\mathrm{Xe}]\ 4f^4\ 6s^2$

Gadolini (Gd): $[\mathrm{Xe}]\ 4f^7\ 5d^1\ 6s^2$

b.

Hi ha algun dels tres lantànids que pertanyi a la mateixa columna o grup formal de la taula periòdica que l'actínid urani? Justifiqueu la resposta.

Bloc II - Pregunta 5 (14 punts). Geometria molecular i hibridació d'espècies de sofre

Completeu la descripció estructural de les següents espècies químiques indicant la geometria molecular al voltant de l'àtom central de sofre, la hibridació de l'àtom de sofre i, en el seu cas, la hibridació de l'àtom de carboni:

Compost / Espècie

Geometria al voltant de S

Hibridació de l'àtom S

Hibridació de l'àtom C

Difluorur de sofre (SF 2)

—

Tetrafluorur de sofre (SF 4)

—

Catió SF 3 +

—

Anió SF 5 −

—

F 4 SCH 2

Catió (F 4 SCH 3) +

Bloc II - Pregunta 6 (6 punts). Representació gràfica d'orbitals d

Representeu gràficament la forma i disposició espacial dels orbitals atòmics $d_{xz}$ i $d_{x^2-y^2}$ sobre els sistemes d'eixos cartesians proporcionats, indicant clarament el signe de la funció d'ona (+ i -) a cada lòbul:

a)

b)

Bloc II - Pregunta 7 (12 punts). Enllaç C-N i ressonància del diazometà

a.

Ordeneu de menor a major les energies dels enllaços carboni-nitrogen presents a les següents espècies orgàniques: metilamina ($\text{CH}_3\text{NH}_2$), acetonitril ($\text{CH}_3\text{CN}$) i metanimina ($\text{HNCH}_2$). Justifiqueu l'ordre escollit.

b.

L'esquema següent mostra una forma ressonant del diazometà:

Indiqueu sobre aquesta estructura les càrregues formals corresponents i dibuixeu al costat l'altra forma ressonant majoritària que compleixi la regla de l'octet per a tots els àtoms de carboni i nitrogen, indicant-hi també les càrregues formals.

Càrregues formals de l'estructura proporcionada (H₂C=N=N):

C:

N central:

N terminal:

c.

Com serà la distància d'enllaç carboni-nitrogen en el diazometà en comparació amb la dels tres compostos de l'apartat (a)?

12 Bloc II - Pregunta 8 (14 punts). Diagrama d'orbitals moleculars del BeH2

Considereu el diagrama d'orbitals moleculars qualitatiu per a la molècula lineal de $\text{BeH}_2$ (eix internuclear orientat al llarg de l'eix $z$):

A la figura següent es mostren les representacions espacials dels orbitals moleculars $\Psi_1$, $\Psi_6$, $\Psi_3$ i $\Psi_4$ (el color blanc indica fase positiva de la funció d'ona i el gris/fosc fase negativa):

a.

Dibuixeu, emprant el mateix conveni de signes, els orbitals moleculars $\Psi_2$ i $\Psi_5$ sobre els eixos cartesians i indiqueu a sota si cadascun té caràcter enllaçant o antienllaçant:

b.

Indiqueu si en aquest diagrama d'orbitals moleculars hi ha algun orbital molecular no-enllaçant i justifiqueu la resposta.

c.

Indiqueu si en el diagrama hi ha orbitals moleculars degenerats i expliqueu per què.

d.

Ompliu el diagrama amb els electrons de valència que corresponen al compost i calculeu justificadament l'ordre d'enllaç per a cadascun dels dos enllaços Be-H.