Examen de Química UB 2014 · Setembre

Exercici 1 (2 punts). Orbitals moleculars i estructures de Lewis

Part A. Per a les molècules homonuclears diatòmiques $\text{C}_2$ i $\text{O}_2$:

a.

Dibuixeu el diagrama d'orbitals moleculars corresponent als electrons de la capa de valència per a cada espècie.

b.

Indiqueu i calculeu l'ordre d'enllaç de cadascuna.

c.

Justifiqueu si presenten propietats diamagnètiques o paramagnètiques.

d.

Determineu raonadament quina de les dues molècules tindrà una distància d'enllaç més gran.

Exercici 1 (2 punts). Orbitals moleculars i estructures de Lewis

Part B. Dibuixeu l'estructura de Lewis per a cadascuna de les espècies següents: $\mathrm{SO}_2$, $\mathrm{SO}_3$ i $\mathrm{SO}_4^{2-}$. Per a cadascuna, deduïu:

a. La geometria molecular (segons el model VSEPR).

b. El nombre de parells electrònics solitaris (no enllaçants) situats sobre l'àtom central de sofre.

c. L'estat d'hibridació de l'àtom de sofre central.

d. La distribució i valor de les càrregues formals en la representació més representativa.

e. Si l'espècie és polar o apolar.

Dades:

$Z(\mathrm{O}) = 8$; configuració electrònica del sofre: $\mathrm{S} = [\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^4$.

Dibuix de les estructures de Lewis

Deducció per a $\mathrm{SO}_2$

Deducció per a $\mathrm{SO}_3$

Deducció per a $\mathrm{SO}_4^{2-}$

Exercici 2 (2 punts). Termodinàmica i equilibri de la descomposició de l'amoníac

La reacció de descomposició de l'amoníac en fase gasosa produeix nitrogen gas i hidrogen gas.

Dades:

$\Delta H_f^\circ(\mathrm{NH_3}(g)) = -46{,}4\ \mathrm{kJ/mol}$

$S^\circ(\mathrm{NH_3}(g)) = +192{,}7\ \mathrm{J/(K\cdot mol)}$

$S^\circ(\mathrm{N_2}(g)) = +191{,}5\ \mathrm{J/(K\cdot mol)}$

$S^\circ(\mathrm{H_2}(g)) = +130{,}6\ \mathrm{J/(K\cdot mol)}$

Suposeu que $\Delta H^\circ$ i $\Delta S^\circ$ romanen constants amb la temperatura.

a)

Escriviu i ajusteu l'equació química corresponent:

b)

Calculeu $\Delta H^\circ$, $\Delta S^\circ$ i $\Delta G^\circ$ a 298 K per a la reacció donada. Indiqueu si el procés és espontani o no a aquesta temperatura en condicions estàndard:

Sí

No

c)

En el cas que no sigui espontània, deduïu el valor de la temperatura a partir de la qual la reacció esdevindrà espontània:

d)

Calculeu la constant d'equilibri de la reacció a 900 °C:

Exercici 3 (2 punts). Dissolució aigua-etanol i desviacions de la llei de Raoult

A $25\ ^\circ\mathrm{C}$ la pressió de vapor de l'aigua pura i de l'etanol pur són respectivament $0{,}3169\ \mathrm{atm}$ i $0{,}7893\ \mathrm{atm}$.

Dades:

Masses atòmiques: $M(\mathrm{H}) = 1\ \mathrm{g/mol}$; $M(\mathrm{C}) = 12\ \mathrm{g/mol}$; $M(\mathrm{O}) = 16\ \mathrm{g/mol}$.

a.

Assumint un comportament ideal segons la llei de Raoult, calculeu la pressió de vapor parcial de cada component i la pressió total sobre una mescla líquida equimolar ($x = 0{,}5$).

b.

Trobeu la fracció molar de cada substància a la fase vapor en equilibri amb la mescla anterior. Justifiqueu si la destil·lació seria un mètode adequat per separar ambdós components.

c.

Experimentalment es determina que per a la mescla equimolar ($x = 0{,}5$) a la mateixa temperatura, les pressions parcials reals són $P_{\text{aigua}} = 0{,}2305\ \mathrm{atm}$ i $P_{\text{etanol}} = 0{,}4914\ \mathrm{atm}$. Indiqueu si la mescla és ideal o quin tipus de desviació presenta, argumentant la causa física en funció de les interaccions intermoleculars.

Exercici 4 (2 punts). pH de dissolució tampó d'àcid benzoic i benzoat de sodi

Es dissolen $61{,}06\text{ g}$ d'àcid benzoic ($\mathrm{HC_7H_5O_2}$) i $72{,}6\text{ g}$ de benzoat de sodi ($\mathrm{NaC_7H_5O_2}$) en aigua fins a completar $1\text{ litre}$ de dissolució.

Dades:

Masses atòmiques: $M(\mathrm{H}) = 1\text{ g/mol}$, $M(\mathrm{C}) = 12\text{ g/mol}$, $M(\mathrm{O}) = 16\text{ g/mol}$, $M(\mathrm{Na}) = 23\text{ g/mol}$.

Constant d'acidesa de l'àcid benzoic: $K_a(\mathrm{HC_7H_5O_2}) = 6{,}4 \times 10^{-5}$.

Calculeu el pH de la dissolució obtinguda. A continuació, determineu quin serà el pH quan sobre una porció de $100\text{ mL}$ d'aquesta dissolució inicial:

a.

S'afegeixen $10\text{ mL}$ d'aigua pura.

b.

S'afegeixen $10\text{ mL}$ d'hidròxid de sodi $0{,}1\text{ M}$.

c.

S'afegeixen $10\text{ mL}$ d'àcid clorhídric $0{,}1\text{ M}$.

Exercici 5 (2 punts). Pila electroquímica Zn/Ag i efecte de precipitació

Es munta una pila galvànica formada per un elèctrode de plata submergit en $50\text{ mL}$ d'una dissolució aquosa de nitrat de plata $0{,}2\text{ M}$ i un elèctrode de zinc submergit en $50\text{ mL}$ d'una dissolució aquosa de sulfat de zinc $0{,}5\text{ M}$.

Dades:

$E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = +0{,}80\text{ V}$; $E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\text{ V}$; $K_{\text{ps}}(\text{AgCl}) = 1{,}8 \times 10^{-10}$.

a)

Indiqueu les semireaccions que tenen lloc a l'ànode i al càtode:

b)

Indiqueu la reacció global de la cel·la i calculeu la força electromotriu estàndard ($\varepsilon^\circ$) i el potencial inicial ($\varepsilon$) de la pila:

c)

Escriviu el diagrama de notació formal de la pila:

d)

Si a la dissolució catòdica s'afegeixen $2\text{ mL}$ d'una dissolució de clorur de sodi $0{,}05\text{ M}$, quin serà el nou potencial de la pila?