Examen de Química UB 2013 · final - Gener 2013

Bloc 1 - Exercici 1.1. Enllaç químic per CLOA del $\text{N}_2$ i ions

Es coneixen les distàncies interatòmiques dels diferents enllaços nitrogen-nitrogen: l'enllaç simple $\text{N}-\text{N}$ mesura $145\pm$, el doble enllaç fa $123\pm$ i el triple enllaç té una longitud de $109{,}8\pm$.

Emprant exclusivament els electrons de la capa de valència ($Z(\text{N}) = 7$):

Bloc 1 - Exercici 1.1 (1 punt). Enllaç químic per CLOA del N₂ i ions

Es coneixen les distàncies interatòmiques dels diferents enllaços nitrogen-nitrogen: l'enllaç simple $\text{N}-\text{N}$ mesura $145\text{ pm}$, el doble enllaç fa $123\text{ pm}$ i el triple enllaç té una longitud de $109{,}8\text{ pm}$.

Emprant exclusivament els electrons de la capa de valència ($Z(\text{N}) = 7$):

a)

Estimeu, mitjançant la teoria d'orbitals moleculars pel mètode de Combinació Lineal d'Orbitals Atòmics (CLOA), l'ordre d'enllaç i predigueu la distància d'enllaç $\text{N}-\text{N}$ per a les espècies següents: $\text{N}_2$, $\text{N}_2^+$ i $\text{N}_2^{2+}$.

Espècie · Ordre d'enllaç (OE) · Distància d'enllaç estimada (pm)

$\text{N}_2$

$\text{N}_2^+$

$\text{N}_2^{2+}$

b)

Deduïu el comportament magnètic (diamagnètic o paramagnètic) de cadascuna de les espècies anteriors:

Espècie · Comportament magnètic

$\text{N}_2$

$\text{N}_2^+$

$\text{N}_2^{2+}$

Bloc 1 - Exercici 1.1. Enllaç químic per CLOA del $\text{N}_2$ i ions

Es coneixen les distàncies interatòmiques dels diferents enllaços nitrogen-nitrogen: l'enllaç simple $\text{N}-\text{N}$ mesura $145\pm$, el doble enllaç fa $123\pm$ i el triple enllaç té una longitud de $109{,}8\pm$.

Emprant exclusivament els electrons de la capa de valència ($Z(\text{N}) = 7$):

Bloc 1 - Exercici 1.2 (2 punts). Geometria molecular segons la RPECV

L'anió tetracloroiodat(I), $\text{ICl}_4^-$, adopta una disposició plano-quadrada, mentre que la molècula de tetraclorur de carboni, $\text{CCl}_4$, és tetraèdrica.

Justifiqueu aquesta diferència geomètrica basant-vos en la teoria de Repulsió de Parells d'Electrons de la Capa de València (RPECV).

Dades:

$\text{C} = [\text{He}]\,2s^2\,2p^2$; $\text{Cl} = [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5$; $\text{I} = [\text{Kr}]\,4d^{10}\,5s^2\,5p^5$

1.

2.

Bloc 1 - Exercici 1.1. Enllaç químic per CLOA del $\text{N}_2$ i ions

Es coneixen les distàncies interatòmiques dels diferents enllaços nitrogen-nitrogen: l'enllaç simple $\text{N}-\text{N}$ mesura $145\pm$, el doble enllaç fa $123\pm$ i el triple enllaç té una longitud de $109{,}8\pm$.

Emprant exclusivament els electrons de la capa de valència ($Z(\text{N}) = 7$):

Bloc 1 - Exercici 1.3 (3 punts). Termodinàmica de la combustió de l'etanol

Considereu la combustió d'etanol líquid a la temperatura de 25 °C a partir de la següent informació termodinàmica:

Substància

$\Delta H_f^\circ\ (\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1})$

$S^\circ\ (\text{J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1})$

Etanol (l)

-277,3

160,5

Oxigen (g)

0,0

205,0

Diòxid de carboni (g)

-393,5

213,6

Aigua (l)

-285,8

69,9

a.

Formuleu i ajusteu la reacció química de combustió de l'etanol.

b.

Calculeu $\Delta G^\circ$ a 25 °C. Raoneu si el procés és exotèrmic o endotèrmic i determineu si és espontani en aquestes condicions estàndard.

c.

Obtingueu el canvi en l'energia interna ($\Delta U^\circ$) a 25 °C.

d.

Justifiqueu si la reacció seguirà sent espontània a 727 °C, assumint que tant $\Delta H^\circ$ com $\Delta S^\circ$ romanen constants amb la temperatura.

Bloc 1 - Exercici 1.1. Enllaç químic per CLOA del $\text{N}_2$ i ions

Es coneixen les distàncies interatòmiques dels diferents enllaços nitrogen-nitrogen: l'enllaç simple $\text{N}-\text{N}$ mesura $145\pm$, el doble enllaç fa $123\pm$ i el triple enllaç té una longitud de $109{,}8\pm$.

Emprant exclusivament els electrons de la capa de valència ($Z(\text{N}) = 7$):

4. Bloc 1 - Exercici 1.4 (3 punts). Anàlisi del diagrama de fases sòlid-líquid Pt/Au

A continuació es presenta el diagrama de fases temperatura enfront de percentatge en pes de platí (% Pt) per a l'equilibri sòlid-líquid de l'aliatge platí-or (Pt/Au):

a.

Indiqueu el grau de miscibilitat entre ambdós metalls en estat líquid i en estat sòlid (totalment miscibles, parcialment miscibles o immiscibles).

b.

Determineu la temperatura de fusió dels dos metalls en estat pur.

c.

Per a un aliatge format per un 60% d'or en pes, determineu:

a.

b.

c.

La composició química de cadascuna de les fases en equilibri a 1500 °C:

d.

El percentatge ponderal de cada fase present a 1500 °C:

5. Bloc 1 - Exercici 1.5 (1 punt). Mescla azeotròpica CS₂/acetona

El sistema bivariant disulfur de carboni (CS₂)/acetona presenta desviació positiva respecte a la llei de Raoult, formant un azeòtrop a fracció molar $X_{\text{CS}_2} = 0{,}65$.

A 25 °C, les pressions de vapor de saturació de les substàncies pures són $P^\circ(\text{CS}_2) = 512\text{ mmHg}$ i $P^\circ(\text{acetona}) = 344\text{ mmHg}$.

a.

Dibuixeu de manera qualitativa el diagrama de temperatura d'ebullició enfront de la fracció molar ($T$ vs. $X_{\text{CS}_2}$), assenyalant quina de les dues espècies pures té un punt d'ebullició estàndard ($T_{\text{eb}}^*$) més baix.

Bloc 2 - Exercici 1.2 (4 punts). Neutralització d'aigües residuals àcides

Una instal·lació industrial genera un efluent líquid àcid que s'ha de neutralitzar abans del seu abocament. El procés de neutralització es duu a terme en un dipòsit de $5\text{ m}^3$ que conté àcid clorhídric de $\text{pH} = 1{,}2$, mitjançant la utilització d'hidròxid de calci d'una puresa del $87\%$ en pes.

Dades

Masses atòmiques: $M(\text{H}) = 1\text{ g/mol}$; $M(\text{N}) = 14\text{ g/mol}$; $M(\text{O}) = 16\text{ g/mol}$; $M(\text{Cl}) = 35{,}5\text{ g/mol}$; $M(\text{Ca}) = 40\text{ g/mol}$; $\text{p}K_\text{b}(\text{NH}_3) = 4{,}75$.

En un recipient tancat mantingut a la temperatura constant de 490 K, s'introdueix 1 mol de pentaclorur de fòsfor gasós ($\mathrm{PCl}_5$), el qual es dissocia parcialment segons:

$$\mathrm{PCl}_5\,(g) \rightleftharpoons \mathrm{PCl}_3\,(g) + \mathrm{Cl}_2\,(g)$$

Un cop assolit l'estat d'equilibri, la pressió total del sistema és d'1 atm i la mescla resultant és equimolecular en tots els seus components.

a.

Determineu el valor de la constant d'equilibri en pressions, $K_p$, a 490 K.

b.

Si es comprimeix isotèrmicament la mescla fins a assolir una pressió de 10 atm, calculeu la nova composició d'equilibri expressada en mols de cada component.

Bloc 2 - Exercici 1.2 (4 punts). Neutralització d'aigües residuals àcides

Una instal·lació industrial genera un efluent líquid àcid que s'ha de neutralitzar abans del seu abocament. El procés de neutralització es duu a terme en un dipòsit de $5\text{ m}^3$ que conté àcid clorhídric de $\text{pH} = 1{,}2$, mitjançant la utilització d'hidròxid de calci d'una puresa del $87\%$ en pes.

Dades

Masses atòmiques: $M(\text{H}) = 1\text{ g/mol}$; $M(\text{N}) = 14\text{ g/mol}$; $M(\text{O}) = 16\text{ g/mol}$; $M(\text{Cl}) = 35{,}5\text{ g/mol}$; $M(\text{Ca}) = 40\text{ g/mol}$; $\text{p}K_\text{b}(\text{NH}_3) = 4{,}75$.

Una instal·lació industrial genera un efluent líquid àcid que s'ha de neutralitzar abans del seu abocament. El procés de neutralització es duu a terme en un dipòsit de $5\ \text{m}^3$ que conté àcid clorhídric de $\text{pH} = 1{,}2$, mitjançant la utilització d'hidròxid de calci d'una puresa del 87% en pes.

Dades:

Masses atòmiques: $M(\mathrm{H}) = 1\ \text{g/mol}$; $M(\mathrm{N}) = 14\ \text{g/mol}$; $M(\mathrm{O}) = 16\ \text{g/mol}$; $M(\mathrm{Cl}) = 35{,}5\ \text{g/mol}$; $M(\mathrm{Ca}) = 40\ \text{g/mol}$; $\mathrm{p}K_b(\mathrm{NH}_3) = 4{,}75$.

a.

Calculeu la massa en quilograms d'hidròxid de calci comercial (87% de puresa) que cal afegir per tal de neutralitzar completament el residu àcid.

b.

Indiqueu el valor del pH assolit per la dissolució resultant d'aquesta neutralització.

c.

Calculeu quin volum de dissolució aquosa d'amoníac 0,2 M caldria emprar alternativament per a la neutralització de l'efluent.

d.

Trobeu el pH resultant exactament en el punt d'equivalència de la neutralització amb amoníac.

Bloc 2 - Exercici 1.2 (4 punts). Neutralització d'aigües residuals àcides

Una instal·lació industrial genera un efluent líquid àcid que s'ha de neutralitzar abans del seu abocament. El procés de neutralització es duu a terme en un dipòsit de $5\text{ m}^3$ que conté àcid clorhídric de $\text{pH} = 1{,}2$, mitjançant la utilització d'hidròxid de calci d'una puresa del $87\%$ en pes.

Dades

Masses atòmiques: $M(\text{H}) = 1\text{ g/mol}$; $M(\text{N}) = 14\text{ g/mol}$; $M(\text{O}) = 16\text{ g/mol}$; $M(\text{Cl}) = 35{,}5\text{ g/mol}$; $M(\text{Ca}) = 40\text{ g/mol}$; $\text{p}K_\text{b}(\text{NH}_3) = 4{,}75$.

Bloc 2 - Exercici 1.3 (3 punts). Cèl·lules galvàniques i reactivitat redox

Es disposa de tres elèctrodes metall/ió metàl·lic amb els següents potencials estàndard de reducció:

$$\mathcal{E}^\circ(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0,34\text{ V},\quad \mathcal{E}^\circ(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0,76\text{ V},\quad \mathcal{E}^\circ(\mathrm{Ag^{+}/Ag}) = +0,80\text{ V}$$

Dades addicionals: $\mathcal{E}^\circ(\mathrm{H^{+}/H_2}) = 0,00\text{ V}$; $\mathcal{E}^\circ(\mathrm{Cl_2/Cl^{-}}) = +1,36\text{ V}$; $\mathcal{E}^\circ(\mathrm{NO_3^{-}/NO_2}) = +0,90\text{ V}$.

Masses atòmiques: $M(\mathrm{Cu}) = 63,5\text{ g/mol}$; $M(\mathrm{Zn}) = 65,4\text{ g/mol}$; $M(\mathrm{Ag}) = 107,9\text{ g/mol}$.

a)

Quina combinació d'aquests elèctrodes permet constituir una pila amb una força electromotriu estàndard $\mathcal{E}^\circ > 1,5\text{ V}$? Indiqueu el valor d'aquest potencial de cel·la.

b)

Identifiqueu l'ànode i el càtode, escrivint les semireaccions corresponents i la reacció cel·lular global.

c)

Representeu l'esquema de la pila i escriviu la seva notació abreujada estàndard.

d)

Calculeu la constant d'equilibri ($K$) de la reacció redox global a $25\text{ }^\circ\text{C}$.

e)

Deduïu com es modifica el potencial de la pila si es duplica la concentració molar dels ions presents en ambdós compartiments.

f)

Determineu la variació de massa de cadascun dels elèctrodes després del pas d'una quantitat de càrrega de $0,01\text{ mols d'electrons}$ ($0,01\text{ Faradays}$).

g)

A partir dels potencials estàndard, justifiqueu quins dels tres metalls ($\mathrm{Cu}$, $\mathrm{Zn}$ i $\mathrm{Ag}$) poden reaccionar de forma espontània en contacte amb àcid clorhídric ($\mathrm{HCl}$) i amb àcid nítric ($\mathrm{HNO_3}$).

Bloc 2 - Exercici 1.2 (4 punts). Neutralització d'aigües residuals àcides

Una instal·lació industrial genera un efluent líquid àcid que s'ha de neutralitzar abans del seu abocament. El procés de neutralització es duu a terme en un dipòsit de $5\text{ m}^3$ que conté àcid clorhídric de $\text{pH} = 1{,}2$, mitjançant la utilització d'hidròxid de calci d'una puresa del $87\%$ en pes.

Dades

Masses atòmiques: $M(\text{H}) = 1\text{ g/mol}$; $M(\text{N}) = 14\text{ g/mol}$; $M(\text{O}) = 16\text{ g/mol}$; $M(\text{Cl}) = 35{,}5\text{ g/mol}$; $M(\text{Ca}) = 40\text{ g/mol}$; $\text{p}K_\text{b}(\text{NH}_3) = 4{,}75$.

Bloc 2 - Exercici 1.4 [1 punt]. Cinètica química: factors i llei de velocitat

a)

Quins són els factors més determinants que modifiquen la velocitat d'una reacció química?

b)

Formuleu una expressió matemàtica que relacioni de manera conjunta la velocitat de reacció amb la concentració dels reactius i la temperatura del sistema.