Examen de Fisicoquímica I UB 2018 · Juny

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

a.

En un sistema binari on els components són miscibles en fase líquida i immiscibles en fase sòlida: quan la dissolució es refreda el pendent de la corba de refredament canvia si solidifica un component.

V

F

d.

Un sòlid (A + B) a la composició eutèctica fon a una temperatura més alta que qualsevol altra possible barreja dels mateixos components.

V

F

e.

En un equilibri sòlid-líquid els components d'un sistema binari (A i B) poden reaccionar i formar un compost sòlid (C=AB) que existeix en equilibri amb la dissolució en un determinat rang de concentracions.

V

F

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

b. Aquelles dissolucions que presenten desviacions negatives de la llei de Raoult donen azeòtrops de punt d'ebullició màxim.

c. En un diagrama de fases líquid-vapor, les isopletes són les línies paral·leles a l'eix de les fraccions molars i per tant, la composició és variable.

j. En una dissolució ideal el líquid és més ric que el vapor en el component més volàtil.

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

f.

Per a una substància pura el pendent del gràfic $\ln P$ en front $1/T$ és més gran en la sublimació que en la vaporització.

V

F

g.

L'equació de Clapeyron estudia la variació de la pressió amb la temperatura en el cas d'un sistema homogeni d'un component.

V

F

h.

A la pressió d'1,1 atm l'aigua bullirà a una temperatura més gran de 373 K.

V

F

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

i. En un sistema d'un component i dues fases, si la concentració en ambdues fases és la mateixa s'haurà assolit l'equilibri.

o. D'acord amb la regla de les fases al llarg d'una línia d'equilibri del diagrama de fases d'un component, només hi ha un grau de llibertat.

p. Si $P$ i $T$ són constants en un sistema en equilibri, es compleix que $\sum \mu_i \mathrm{d}n_i = 0$.

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

k. Les desviacions de la teoria de Debye-Hückel que presenten les dissolucions electrolítiques, poden ser degudes a les interaccions entre les espècies iòniques i es fan més evidents a mesura que augmenta la concentració.

l. El coeficient d'activitat és una propietat extensiva.

m. L'energia de Gibbs d'excés ($G^E$) pot relacionar-se amb els coeficients d'activitat dels components d'una dissolució.

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si l'afirmació següent és vertadera (V) o falsa (F):

n. Al posar en contacte una dissolució aquosa de glucosa amb aigua pura mitjançant una membrana semipermeable, en el moment de l'equilibri el $\mu$ del dissolvent a la dissolució és igual al del dissolvent pur.

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si l'afirmació següent és vertadera (V) o falsa (F):

q. En una reacció química en equilibri a $P$ i $T$ constants es compleix que $\partial G/\partial\xi = 0$.

V

F

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

r. Les quantitats $S\,\mathrm{d}T$ i $V\,\mathrm{d}P$ tenen totes dimensions d'energia.

V

F

s. En un sistema en equilibri tèrmic i mecànic, i capaç de realitzar només treball $P\text{-}V$, la $\Delta G$ és negativa quan s'assoleix l'equilibri.

V

F

Context

Data: 27 de juny de 2018

Estructura de la prova: Test (20 punts), Qüestions (40 punts en total) i Problemes (40 punts en total).

Normes del test: Resposta correcta: +1,00 punt; resposta incorrecta: -0,50 punts; resposta en blanc: 0 punts.

1. Test (20 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és vertadera (V) o falsa (F):

Indiqueu si l'afirmació següent és vertadera (V) o falsa (F):

t. L'equació de Gibbs-Duhem aplicada al cas dels volums molars parcials de dos components, a pressió i temperatura constant, s'escriu: $n_1\,\mathrm{d}V'_1 = -n_2\,\mathrm{d}V'_2$.

V

F

2 Pregunta (10 punts). Diagrama de fases binari líquid-vapor

A partir del gràfic adjunt, corresponent a un diagrama de pressió de vapor enfront de la fracció molar per a un sistema binari de líquids A i B:

a.

Indiqueu el valor de la pressió de vapor dels dos components en estat pur.

b.

Indiqueu per a una dissolució de $x_A = 0{,}6$ les pressions de vapor de cadascun dels components i calculeu la pressió total, verificant si coincideix amb el valor de la gràfica.

c.

Indiqueu per a quina fracció molar la dissolució presenta un comportament ideal.

d.

Assenyaleu sobre el gràfic els dominis en què es verifica la llei de Henry. Calculeu, si és possible, la constant de Henry dels dos components.

e.

Calculeu les activitats i els coeficients d'activitat dels dos components per a una mescla amb $x_B = 0{,}2$, considerant el component B com a solut.

f.

Calculeu, a la temperatura de $20\text{ }^\circ\text{C}$, el valor de $G_m^E$ per a la dissolució descrita a l'apartat anterior.

g.

Indiqueu com són les desviacions dels components purs i de la mescla respecte a la idealitat i interpreteu el seu significat físic en termes d'interaccions moleculars.

Pregunta 1 (5 punts). Perfil d'energia lliure de Gibbs d'una reacció

La hidròlisi d'un fàrmac segueix el perfil de reacció següent:

Raoneu si es tracta d'una reacció reversible o irreversible, i indiqueu l'avanç de la reacció a l'equilibri o quan la reacció s'hagi completat, si inicialment teníem 10 mols de fàrmac.

Reversible

Irreversible

Pregunta 2 (5 punts). Potencial químic en funció de la temperatura

Feu una gràfica que representi com varia el potencial químic d'una substància pura ($T_{\text{fus}} = 5\text{ }^\circ\text{C}$; $T_{\text{eb}} = 200\text{ }^\circ\text{C}$ a $1\text{ atm}$), que s'escalfa de $0\text{ }^\circ\text{C}$ a $250\text{ }^\circ\text{C}$ a pressió constant. Doneu l'equació que expressa aquesta variació. Justifiqueu perquè, a pressió de $1\text{ atm}$, l'estat més estable d'aquesta substància a $0\text{ }^\circ\text{C}$ és el sòlid.

Pregunta 3 (5 punts). Determinació d'estats d'agregació en un diagrama P-T

Els punts normals de fusió i d'ebullició per a un element químic són $83{,}5\text{ K}$ i $87{,}5\text{ K}$, respectivament; el seu punt triple es troba a $85\text{ K}$ i $0{,}7\text{ bar}$. Establiu si aquest element és un sòlid, líquid o gas en cadascuna de les condicions següents:

a)

b)

c)

Pregunta 4 (5 punts). Llei de Raoult i idealitat en mescles líquides

a)

Enuncieu la Llei de Raoult per a una mescla de líquids ideal.

b)

Suposem que teniu dues mescles líquides: una de butan-1-ol i butan-2-ol i una altra d'etanol i pentà; quina de les dues mescles és ideal i perquè?

Pregunta 5 (5 punts). Teoria de Debye-Hückel i coeficient d'activitat iònic

En una dissolució aquosa de clorur càlcic $4\cdot 10^{-3}\text{ m}$ i sulfat magnèsic $2\cdot 10^{-3}\text{ m}$, el valor del coeficient d'activitat iònic mitjà del sulfat magnèsic obtingut experimentalment val $0{,}81$. Indiqueu i raoneu si en aquestes condicions es pot aplicar la teoria de Debye-Hückel al sulfat de magnesi.

Pregunta 6 (5 punts). Equilibri líquid-vapor i regla de la palanca

Les substàncies A i B formen una dissolució que es pot considerar ideal. Una mescla formada per 12 mols d'A i 8 mols de B a una pressió $P$ produeix un sistema bifàsic líquid-vapor, que presenta un fracció en fase vapor de la substància B de 0,8 i una fracció d'aquesta mateixa substància en fase líquida de 0,3.

a.

Feu una representació esquemàtica del corresponent diagrama de fases $P-x_B$.

b.

Calculeu, a aquesta pressió $P$, el nombre de mols de A a cada fase.

Problema 1 (10 punts). Termodinàmica de dissociació d'hidrats d'àcid nítric

Els hidrats d'àcid nítric poden actuar com a catalitzadors de reaccions heterogènies que generen el forat a la capa d'ozó de l'Antàrtida. Es va estudiar la dissociació del mono- i dihidrat d'àcid nítric a $220\text{ K}$ (les condicions de l'atmosfera polar a l'hivern) amb els següents resultats:

$$\mathrm{HNO_3\cdot nH_2O_{(s)} \rightarrow HNO_{3(g)} + nH_2O_{(g)}}$$

$n$

1

2

$\Delta_r G^\circ\text{ (kJ mol}^{-1}\text{)}$

46,2

69,4

$\Delta_r H^\circ\text{ (kJ mol}^{-1}\text{)}$

127

188

Calculeu l'energia de Gibbs de reacció estàndard a $0\text{ }^\circ\text{C}$ per a cada hidrat d'àcid nítric, considerant que la reacció es produeix a pressió constant i que $\Delta_r H^\circ$ es manté constant en aquest interval de temperatures.

10 Problema 2 (10 punts). Volums molars parcials i propietats de mescla

Una dissolució binària ($x_{\text{A}} = 0{,}3$) té uns volums molars parcials de $40\text{ cm}^3\text{ mol}^{-1}$ (component A) i $85\text{ cm}^3\text{ mol}^{-1}$ (component B).

a.

Calculeu el volum de $2\text{ kg}$ d'aquesta dissolució.

b.

Quin és el canvi de volum experimentat per la dissolució de l'apartat anterior, si $V_{\text{m,A}}^* = 44\text{ cm}^3\text{ mol}^{-1}$ i $V_{\text{m,B}}^* = 89\text{ cm}^3\text{ mol}^{-1}$?

c.

Què podeu dir sobre el tipus d'interacció entre A i B en aquesta dissolució?

Dades

$M_{\text{A}} = 144\text{ g mol}^{-1}$;

$M_{\text{B}} = 75\text{ g mol}^{-1}$

Problema 3 (10 punts). Propietats col·ligatives d'una dissolució diluïda

El gràfic de la figura mostra el diagrama $P/T$ per a un dissolvent pur i per a una dissolució diluïda d'un solut no volàtil que conté 17,7 g de solut per kg del dissolvent.

Les constants crioscòpica i ebullioscòpica del dissolvent són, respectivament, 5,12 i $2,53\text{ K kg mol}^{-1}$.

Calculeu:

a.

La massa molecular del solut.

b.

La temperatura normal d'ebullició de la dissolució.

c.

La pressió de vapor de la dissolució a 80,2 °C.

Dada: $M_{\text{dissolvent}} = 78\text{ g mol}^{-1}$.

Problema 4 (10 punts). Variació de la temperatura de fusió amb la pressió hidrostàtica

La base d'una columna d'1 m d'altura que conté una substància líquida (punt normal de fusió 290 K), està col·locada a nivell del mar. Calculeu la diferència entre el punt de congelació de la substància en la superfície i en la base de la columna.

Dades

A 290 K les densitats del sòlid i del líquid són $13,6\text{ g cm}^{-3}$ i $11,5\text{ g cm}^{-3}$, respectivament, i l'entalpia de fusió val $98\text{ J kg}^{-1}$. Considereu que el valor de l'entalpia és independent de la temperatura i de la pressió.