Examen de Química Aplicada II UB 2021 · final - Abril 2021

Pregunta 1 (10 punts). Precipitació del sulfat de bari

El sulfat de bari constitueix una sal particularment insoluble ($K_{\mathrm{ps}} = 1{,}10 \times 10^{-10}$). En posar en contacte $50\text{ mL}$ d'una dissolució d'àcid sulfúric amb $3\text{ mL}$ d'una dissolució de clorur de bari $0{,}2\text{ M}$, precipiten exactament $0{,}0934\text{ g}$ de sulfat de bari.

Dades

Masses atòmiques ($\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$): H: 1,0; S: 32,1; O: 16,0; Ba: 137,3; Cl: 35,5.

a)

b)

c)

Calculeu la concentració molar dels ions $\mathrm{Ba}^{2+}$ i $\mathrm{Cl}^-$ que resten en solució en finalitzar la precipitació:

Pregunta 2 (10 punts). Identificació de cations

Una solució aquosa conté cations $\mathrm{Ag}^+$, $\mathrm{Cu}^{2+}$ i $\mathrm{Hg}_2^{2+}$. En afegir-hi àcid clorhídric, s'obté un precipitat blanc (1). Es filtra aquest sòlid blanc i el filtrat líquid resultant presenta un to blau cel (2).

Posteriorment, en afegir amoníac sobre el precipitat blanc (1) retingut al paper de filtre, es genera una solució incolora (3) i alhora el residu sòlid s'enfosqueix adoptant un color gris-negre (4).

En paral·lel, quan s'afegeix un excés d'amoníac al filtrat blavós (2), aquest vira cap a un blau elèctric molt intens.

Identifiqueu les espècies químiques presents a 1, 2, 3 i 4, i especifiqueu quin tipus de transformació química té lloc a cada etapa:

1.

2.

3.

4.

Es prepara 1 L d'una solució aquosa d'hidròxid de potassi aproximadament 0,15 M i s'estandarditza amb hidrogenftalat de potassi ($\text{C}_8\text{H}_5\text{KO}_4$) com a patró primari.

a)

Expliqueu què és un patró primari i quins requisits fonamentals ha de satisfer.

b)

Calculeu la massa d'hidrogenftalat de potassi que cal pesar per tal de consumir aproximadament un volum de 15 mL de la solució de $\text{KOH}$ durant l'estandardització.

Un cop estandarditzada, la dissolució de $\text{KOH}$ resulta tenir una concentració exacta de 0,145 M. S'utilitza per valorar una mostra problema d'àcid sulfúric d'uns 1,5 M aplicant el següent procediment de laboratori:

Es prenen 15 mL (1) de la solució d'àcid sulfúric problema i es dilueixen fins a un volum de 200 mL (2), homogeneïtzant la mescla. A continuació, es transfereixen 10 mL (3) a un matràs erlenmeyer, s'hi afegeixen aproximadament 100 mL (4) d'aigua desionitzada i es procedeix a valorar amb la solució de $\text{KOH}$ (5). L'assaig es fa per triplicat, obtenint els següents volums de reactiu valorant consumits:

$$V_1 = 14{,}4\text{ mL},\quad V_2 = 14{,}7\text{ mL},\quad V_3 = 14{,}8\text{ mL}$$

Dades de masses atòmiques (g/mol)

K: 39,1; C: 12,0; O: 16,0; H: 1,0; S: 32,1.

c)

Indiqueu el material volumètric adient per dur a terme cadascun dels passos de l'1 al 5.

d)

Escriviu l'equació química ajustada de la valoració de l'àcid sulfúric amb hidròxid de potassi.

e)

Calculeu la concentració molar exacta de la solució inicial concentrada d'àcid sulfúric.

f)

En la valoració anterior, comenteu raonadament si la quantitat d'aigua destil·lada afegida al matràs erlenmeyer modifica el volum de punt final.

Es vol determinar l'equivalent en aigua d'un calorímetre. Amb aquesta finalitat, s'introdueixen a l'interior de l'aparell $45\text{ mL}$ d'una solució aquosa d'àcid nítric $0,25\text{ M}$ i $45\text{ mL}$ d'una solució aquosa d'hidròxid de potassi $0,1\text{ M}$. Totes dues solucions es troben inicialment a una temperatura de $21,20\ ^\circ\text{C}$. En barrejar-les, s'observa que la temperatura del sistema s'eleva fins a $21,73\ ^\circ\text{C}$.

Apartat a. Determineu la massa (en grams) de llenties de $\text{KOH}$ i el volum (en mil·lilitres) de solució comercial d'àcid nítric ($1{,}41\text{ g/mL}$ a $25\ ^\circ\text{C}$, $70\%$ en pes) que caldrien per preparar per separat $250\text{ mL}$ de cadascuna d'aquestes dues solucions ($\text{HNO}_3$ $0{,}25\text{ M}$ i $\text{KOH}$ $0{,}1\text{ M}$).

Masses atòmiques (g/mol)

K: 39,1; O: 16,0; H: 1,0; N: 14,0.

1.

2.

Es vol determinar l'equivalent en aigua d'un calorímetre. Amb aquesta finalitat, s'introdueixen a l'interior de l'aparell $45\text{ mL}$ d'una solució aquosa d'àcid nítric $0,25\text{ M}$ i $45\text{ mL}$ d'una solució aquosa d'hidròxid de potassi $0,1\text{ M}$. Totes dues solucions es troben inicialment a una temperatura de $21,20\ ^\circ\text{C}$. En barrejar-les, s'observa que la temperatura del sistema s'eleva fins a $21,73\ ^\circ\text{C}$.

b)

Calculeu l'equivalent en aigua del calorímetre sabent que l'entalpia estàndard de neutralització és:$$\text{H}_3\text{O}^+(\text{aq}) + \text{OH}^-(\text{aq}) \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \quad \Delta H = -13{,}6\text{ kcal}\cdot\text{mol}^{-1}$$ Suposeu que la densitat i la calor específica de totes les solucions diluïdes coincideixen amb les de l'aigua pura: $1\text{ g}\cdot\text{mL}^{-1}$ i $1\text{ cal}\cdot\text{g}^{-1}\cdot{^\circ}\text{C}^{-1}$, respectivament.

c)

Expliqueu breument què s'entén físicament per equivalent en aigua d'un calorímetre i per quin motiu és imprescindible tenir-lo en compte.

Es vol determinar l'equivalent en aigua d'un calorímetre. Amb aquesta finalitat, s'introdueixen a l'interior de l'aparell $45\text{ mL}$ d'una solució aquosa d'àcid nítric $0,25\text{ M}$ i $45\text{ mL}$ d'una solució aquosa d'hidròxid de potassi $0,1\text{ M}$. Totes dues solucions es troben inicialment a una temperatura de $21,20\ ^\circ\text{C}$. En barrejar-les, s'observa que la temperatura del sistema s'eleva fins a $21,73\ ^\circ\text{C}$.

d.

Trobeu el pH de la solució d'hidròxid de potassi 0,1 M utilitzada.

e.

Quin pH tindrà la mescla de reacció un cop finalitzat l'experiment calorimètric? Trieu l'opció correcta i justifiqueu-la de manera raonada sense necessitat de fer càlculs numèrics precisos.

Pregunta 5 (15 punts). Pila galvànica

Es munta una cel·la electroquímica galvànica connectant dos vasos de precipitats mitjançant un pont salí farcit de solució de $\mathrm{KCl}\ 3\text{ M}$. En un vas s'introdueixen $60{,}5\text{ mL}$ d'una dissolució d'$\mathrm{AgNO_3}\ 0{,}15\text{ M}$ amb un fil de plata metàl·lica submergit. A l'altre vas es posen $57{,}8\text{ mL}$ de solució de $\mathrm{CuSO_4}\ 0{,}11\text{ M}$ en contacte amb una làmina de coure.

Potencials estàndard de reducció: $E^\circ(\mathrm{Ag^+/Ag}) = 0{,}799\text{ V}$; $E^\circ(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = 0{,}337\text{ V}$.

a)

Dibuixeu o indiqueu el diagrama de la pila segons la convenció electroquímica estàndard.

b)

Escriviu les semireaccions d'oxidació i de reducció, així com la reacció global en equilibri electroquímic.

c)

Quina és la finalitat fonamental del pont salí en aquesta cel·la?

d)

Calculeu la força electromotriu (FEM) que es mesuraria mitjançant un potenciòmetre a $25\ ^\circ\mathrm{C}$. Negligiu qualsevol potencial d'unió líquida.

Dades: $R = 8{,}314\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 0{,}0821\text{ atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$; $F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$.

Pregunta 6 (15 punts). Síntesi orgànica i estequiometria

A continuació es descriu el protocol experimental per a l'obtenció del 3-cloro-4-hidroxifenilacetat de 2,4,5-triclorofenil:

Completeu els buits del text amb la paraula tècnica o el valor numèric adequat:

En un baló de [1] mL es dissolen 4,7 g ( [2] mmols) de 2,4,5-triclorofenil i 4,9 g de DCC ( [3] mmols) en 22 mL de diclorometà. A continuació s'addiciona lentament una solució de 4,0 g d'àcid 3-cloro-4-hidroxifenilacètic en 130 mL d'acetat d'etil ( [4] M). El reactiu limitant és el [5].

La mescla de reacció s'agita durant tota la nit a temperatura ambient. S'observa l'aparició d'un precipitat que correspon a la N,N' -diciclohexilurea (DCU) que es forma a partir de la DCC a mesura que va evolucionant la reacció. Aquest precipitat es separa per [6] utilitzant un [7] i un [8]. Per afavorir la precipitació, la mescla de reacció es [9] en un [10] i es torna a filtrar per eliminar completament la DCU. El filtrat es transvasa a un [11] i es renta tres cops amb bicarbonat de sodi (la fórmula del bicarbonat de sodi és [12]). La fase orgànica, que és [13] densa que la fase aquosa, s'asseca amb sulfat de magnesi anhidre i es filtra utilitzant un [14] i un [15]. S'elimina el dissolvent a pressió [16] utilitzant un [17]. La puresa del producte s'analitza per CCF utilitzant com a eluent una mescla AcOEt/hexà 2:8. S'observa que el producte queda massa retingut i que cal [18] la polaritat de l'eluent. El grau de puresa del producte és força elevat però queden restes d'un dels reactius de partida que és menys polar perquè té un R f [19] al del producte. Un cop purificat el producte per cromatografia en columna s'obtenen 8 mmols de producte pur, que suposa un rendiment del [20] %.

Pregunta 7 (15 punts). Utillatge, seguretat, residus i formulació

Pregunta 7. Utillatge, seguretat, residus i formulació

a.

Utillatge de laboratori: Identifiqueu el nom i la principal aplicació de cadascun dels següents elements de material de vidre:

Dibuix

Nom i aplicació

b.

Seguretat: Relacioneu els compostos següents emprats al laboratori amb les combinacions de pictogrames corresponents, explicant breument el significat dels pictogrames:

acetona — àcid acètic — àcid sulfúric — permanganat de potassi

Pictogrames

Compost assignat i interpretació

c.

Tractament de residus: Indiqueu en quin contenidor cal dipositar cadascun dels residus següents, especificant si cal un tractament previ o si es pot abocar directament a l'aigüera:

Pregunta 7 (15 punts). Utillatge, seguretat, residus i formulació

d. Formulació i nomenclatura: Completeu la taula amb el nom sistemàtic o la fórmula/estructura corresponent:

Fórmula o Nom · Estructura / Nom corresponent

anhídrid acètic

diclorometà

bismutat de sodi

cromat de potassi

NaOOC-COONa

$\mathrm{K_4[Fe(CN)_6]}$

$\mathrm{NH_4Cl}$