Examen de Química Bàsica I UB 2020 · final. (Gener 2020)

Problema 1. Efecte fotoelèctric

En un experiment d'efecte fotoelèctric sobre una superfície metàl·lica s'irradia amb dues radiacions monocromàtiques diferents, mesurant-se l'energia cinètica dels fotoelectrons emesos en cada cas:

Per a una longitud d'ona $\lambda_1 = 300\text{ nm}$, l'energia cinètica màxima mesurada és $E_{c,1} = 2,935 \cdot 10^{-19}\text{ J}$.

Per a una longitud d'ona $\lambda_2 = 400\text{ nm}$, l'energia cinètica màxima mesurada és $E_{c,2} = 1,280 \cdot 10^{-19}\text{ J}$.

A partir d'aquestes dades experimentals, determineu:

a)

El valor de la constant de Planck ($h$).

b)

La funció de treball o treball d'extracció ($W_0$) del metall.

c)

La freqüència llindar ($\nu_0$) necessària per a produir emissió electrònica.

Pregunta 2. Qüestions de teoria atòmica i enllaç

Indiqueu raonadament si cadascuna de les següents afirmacions és veritable o falsa:

Indiqueu raonadament si cadascuna de les següents afirmacions és veritable o falsa:

a.

Els ions $\mathrm{F^-}$ i $\mathrm{Na^+}$ tenen radis iònics idèntics perquè comparteixen la mateixa configuració electrònica (són isoelectrònics).

Veritable

Falsa

c.

L'oxigen presenta una afinitat electrònica més favorable (més exotèrmica) que el xenó.

Veritable

Falsa

Pregunta 2. Qüestions de teoria atòmica i enllaç

Indiqueu raonadament si cadascuna de les següents afirmacions és veritable o falsa:

Indiqueu raonadament si cadascuna de les següents afirmacions és veritable o falsa:

b.

Per a un orbital $2p_z$ orientat al llarg de l'eix $z$, el pla $xz$ és un pla nodal.

Veritable

Falsa

e.

Els electrons d'un orbital $2s$ són menys estables i més energètics que els d'un orbital $2p$ a causa de la penetració electrònica.

Veritable

Falsa

Pregunta 2. Qüestions de teoria atòmica i enllaç

Indiqueu raonadament si cadascuna de les següents afirmacions és veritable o falsa:

d.

L'energia d'ionització de l'àtom d'hidrogen en fase gas des del seu estat fonamental ($n = 1$) equival numèricament a la constant de Rydberg ($R_H$).

Problema 3. Orbitals moleculars del fluorur d'hidrogen

Considereu una molècula diatòmica heteronuclear amb una massa molecular de $20\text{ g/mol}$ formada per elements dels primers períodes:

a.

Identifiqueu la molècula.

b.

Proposeu el diagrama d'orbitals moleculars (TOM) a partir dels orbitals atòmics de valència corresponents. Indiqueu quins orbitals es combinen i quins queden com a no enllaçants.

c.

Escriviu la configuració electrònica molecular i indiqueu si la substància presenta propietats paramagnètiques o diamagnètiques.

d.

Calculeu l'ordre d'enllaç de la molècula neutra.

e.

Prediu raonadament com variaria la distància d'enllaç si s'arrenca un electró ($\text{HF}^+$) o si se n'afegeix un altre ($\text{HF}^-$).

Problema 4. Enllaç i hibridació de l'àcid fòrmic

Considereu la molècula d'àcid fòrmic (HCOOH):

a)

Indiqueu l'estat d'hibridació de l'àtom de carboni i de cadascun dels dos àtoms d'oxigen (l'oxigen carbonílic, $\text{O}_1$, i l'oxigen hidroxílic, $\text{O}_2$).

b)

Descriviu com es formen els enllaços $\sigma$ i $\pi$ segons la teoria d'enllaç de valència (TEV), detallant quins orbitals atòmics o híbrids intervenen en cadascun.

Problema 5. Estructures de Lewis i ordres d'enllaç de ClO4- i HClO4

Per a l'anió perclorat ($\text{ClO}_4^-$) i l'àcid perclòric ($\text{HClO}_4$):

a.

Dibuixeu les estructures de Lewis més representatives (incloent les formes ressonants rellevants si s'escau) minimitzant les càrregues formals.

b.

Calculeu l'ordre d'enllaç mitjà de l'enllaç Cl-O per a cada espècie i justifiqueu quina correlació existeix entre l'ordre d'enllaç i la distància d'enllaç tenint en compte els següents valors experimentals: 146 pm, 150 pm i 171 pm.

pm

pm

pm

Problema 6. Tipus de sòlids, forces intermoleculars i propietats

Considereu les següents substàncies pures: carboni diamant (C), brom molecular ($\text{Br}_2$), amoníac ($\text{NH}_3$), ferro (Fe) i hidròxid de potassi (KOH).

a)

Classifiqueu cada substància segons el tipus de sòlid que forma i identifiqueu les forces o tipus d'enllaç que mantenen unides les seves partícules.

b)

Indiqueu quines d'aquestes substàncies condueixen el corrent elèctric (en estat sòlid o fos/dissolt).

c)

Justifiqueu la solubilitat en aigua de cadascuna de les substàncies.

d)

Compareu els punts d'ebullició del $\text{Br}_2$ i del $\text{NH}_3$ en relació a les seves forces intermoleculars.

Problema 7. Comportament de gasos i molècula d'aigua a alta pressió

Es disposa d'1 mol d'aigua en fase gas a una pressió inicial d'1 atm i una temperatura de 400 K, amb un angle d'enllaç $\alpha(\text{H-O-H}) = 103{,}6^\circ$. A continuació, s'augmenta la pressió isotèrmicament fins a 50 atm.

a.

Com varia l'angle d'enllaç $\alpha(\text{H-O-H})$ amb l'augment de pressió?

b.

Com varia el volum molar del gas en comparació amb el que prediu el model de gas ideal? Raoneu la resposta en funció del factor de compressibilitat.

Problema 8. Cinètica de descomposició del pentòxid de dinitrogen

En un recipient tancat de volum $V = 0{,}5\text{ L}$ a una temperatura constant de $T = 303\text{ K}$, s'introdueixen $0{,}1\text{ mol}$ de pentòxid de dinitrogen gasós, produint-se la reacció de descomposició següent:

$$2\text{ N}_2\text{O}_5\text{(g)} \longrightarrow 4\text{ NO}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)}$$

Se sap que el temps de semivida de la reacció és de $t_{1/2} = 2{,}4\text{ h}$ i que la reacció segueix una cinètica de primer ordre.

a.

Calculeu la pressió inicial ($P_i$) exercida pel $\text{N}_2\text{O}_5$ abans que comenci a descompondre's (prenent $R = 0{,}082\text{ atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$).

b.

Determineu la constant cinètica de velocitat $k$ expressada en $\text{s}^{-1}$.

s⁻¹

c.

Calculeu les pressions parcials de cadascun dels gasos presents al recipient en el temps de semivida ($t = 2{,}4\text{ h}$).

d.

Determineu el temps que ha de transcórrer perquè la pressió parcial de $\text{N}_2\text{O}_5$ es redueixi fins a un 8% del seu valor inicial ($P = 0{,}08\,P_i$).

Problema 9. Determinació experimental de la llei de velocitat i mecanisme

Es considera la reacció redox en medi bàsic:

$$\text{ClO}^-\text{(aq)} + \text{I}^-\text{(aq)} \longrightarrow \text{IO}^-\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)}$$

A partir d'una sèrie d'experiments de velocitats inicials s'obtenen les dades següents:

Experiment · $[\text{ClO}^-]$ (M) · $[\text{I}^-]$ (M) · $[\text{OH}^-]$ (M) · $v$ ($\text{M}\cdot\text{s}^{-1}$)

1 · 0,004 · 0,002 · 1 · $4{,}8\cdot 10^{-4}$

2 · 0,002 · 0,002 · 1 · $2{,}4\cdot 10^{-4}$

3 · 0,002 · 0,004 · 1 · $4{,}8\cdot 10^{-4}$

4 · 0,002 · 0,002 · 0,5 · $4{,}8\cdot 10^{-4}$

a.

Determineu els ordres parcials de reacció respecte a $\text{ClO}^-$, $\text{I}^-$ i $\text{OH}^-$, i escriviu l'equació de la llei de velocitat.

b.

Calculeu el valor numèric de la constant de velocitat $k$ amb les seves unitats.

c.

Es proposa el següent mecanisme per a aquesta reacció:

Etapa 1 (ràpida, equilibri): $\text{ClO}^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HClO} + \text{OH}^-\quad (k_1, k_{-1})$

Etapa 2 (lenta): $\text{HClO} + \text{I}^- \longrightarrow \text{HIO} + \text{Cl}^-\quad (k_2)$

Etapa 3 (ràpida): $\text{HIO} + \text{OH}^- \longrightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{IO}^-\quad (k_3)$

Demostreu si aquest mecanisme és coherent amb la llei experimental de velocitat obtinguda.

d.

L'espècie $\text{HClO}$ actua com a catalitzador en aquesta reacció? Raoneu la resposta.