Examen de Química Bàsica I UB 2021 · Avaluació continuada de (Gener 2021)

Pregunta 1 (3 punts). Excitació electrònica de l'hidrogen

Es fa incidir una radiació amb energia $E_{\text{rad}}$ sobre una mostra formada per un mol d'àtoms d'hidrogen en l'estat fonamental ($n = 1$). L'estat final de l'electró excitat presenta una energia de $-1{,}36 \times 10^{-19}\text{ J}$.

Dades:

$h = 6{,}626 \times 10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}$; $R = 3{,}290 \times 10^{15}\text{ Hz}$; $N_A = 6{,}022 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Contesteu raonadament als següents apartats:

a.

b.

c.

Feu una representació esquemàtica del procés indicant les dades energètiques rellevants.

d.

fotons

e.

f.

Pregunta 2 (3 punts). Efecte fotoelèctric en mercuri metàl·lic

La funció de treball ($W_0$ o $\Phi$) del mercuri metàl·lic té un valor de $435\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$. Respon les següents qüestions:

a.

És possible produir efecte fotoelèctric sobre el mercuri metàl·lic utilitzant radiació en el rang de la llum visible (350–750 nm)?

b.

Calculeu l'energia cinètica (en Joules) que tindran els electrons expulsats quan s'il·lumina el metall amb una radiació de longitud d'ona de 215 nm.

c.

Si s'incrementa la longitud d'ona de la radiació incident, com afectarà aquest canvi a la velocitat dels fotoelectrons emesos?

Pregunta 3 (4 punts). Justificació de propietats periòdiques

Justifiqueu de forma raonada les següents afirmacions basant-vos en l'estructura electrònica i les propietats periòdiques:

a.

En qualsevol element químic, la segona energia d'ionització és sempre superior a la primera.

b.

El radi atòmic de l'alumini és més petit que el del magnesi.

c.

El caràcter metàl·lic de l'alumini és inferior al del sodi.

d.

Es coneixen compostos químics estables que contenen xenó, però no se'n coneix cap de format per neó.

Pregunta 4 (3 punts). Enllaç i estructura en àcid fosfòric i fosfat

Considereu l'àcid fosfòric ($\mathrm{H_3PO_4}$) i l'anió fosfat ($\mathrm{PO_4^{3-}}$):

a.

Dibuixeu les estructures de Lewis més representatives per a cadascuna d'aquestes dues espècies.

b.

S'ha mesurat experimentalment que la longitud de l'enllaç $\mathrm{P-O}$ en l'ió fosfat és idèntica per a tots els enllaços i val $160\pm$. En canvi, per a l'àcid fosfòric s'observen dues longituds diferents: $148\pm$ i $161\pm$. Justifiqueu acuradament aquests fets.

c.

En l'anió fosfat, presenten tots els àtoms d'oxigen la mateixa càrrega elèctrica? Raoneu la resposta.

Sí

No

Pregunta 5 (4 punts). Geometria i enllaç en el nitrat de metil

El nitrat de metil, $\mathrm{CH_3ONO_2}$, té un angle d'enllaç $\mathrm{C-O-N}$ de $105^\circ$ i un dels angles $\mathrm{O-N-O}$ és de $125^\circ$. Una de les distàncies $\mathrm{N-O}$ és de $136\pm$ i les altres dues fan $126\pm$.

a.

Dibuixeu i indiqueu el nom de la geometria electrònica i de la forma molecular al voltant de cada àtom central ($\mathrm{C}$, l'oxigen que fa de pont i $\mathrm{N}$), justificant els valors dels angles d'enllaç mesurats experimentalment.

b.

Indiqueu l'estat d'hibridació de cadascun dels àtoms centrals, així com els orbitals atòmics o híbrids implicats en cada tipus d'enllaç i la seva naturalesa ($\sigma$ o $\pi$).

c.

Expliqueu per què no són iguals totes les longituds d'enllaç $\mathrm{N-O}$.

d.

Quins àtoms de la molècula estan obligats a romandre sempre en un mateix pla?

Pregunta 6 (3 punts). Teoria d'orbitals moleculars d'oxigen i peròxid

Considereu la molècula d'oxigen diatòmic ($\mathrm{O_2}$) i l'anió peròxid ($\mathrm{O_2^{2-}}$):

a.

Dibuixeu el diagrama d'energies d'orbitals moleculars per a cadascuna i escriviu la seva configuració electrònica d'orbitals moleculars.

b.

Indiqueu raonadament quina de les dues espècies té l'enllaç més fort.

c.

Determineu si cadascuna d'aquestes espècies és diamagnètica o paramagnètica.

Pregunta 7 [3 punts]. Factor de compressibilitat per a età i hidrogen

A la gràfica següent es representa la variació del factor de compressibilitat ($Z$) en funció de la pressió per als gasos metà/età i hidrogen:

a)

Definiu què és el factor de compressibilitat ($Z$).

b)

Assigneu de manera raonada cadascuna de les dues corbes de la gràfica al gas corresponent (età i hidrogen).

c)

Indiqueu i descriviu com es representaria en aquesta mateixa gràfica el comportament d'un gas ideal.

Pregunta 8 (4 punts). Forces intermoleculars i punts d'ebullició

A continuació es mostren quatre substàncies juntament amb els seus punts d'ebullició respectius:

Trimetilamina: $3\ ^\circ\mathrm{C}$

1,3-propanodiol: $215\ ^\circ\mathrm{C}$

Dimetilamina: $7\ ^\circ\mathrm{C}$

Metà: $-162\ ^\circ\mathrm{C}$

a)

Justifiqueu detalladament les diferències observades en els punts d'ebullició a partir de les forces intermoleculars presents en cada espècie.

b)

Quina d'aquestes substàncies és la més volàtil?

c)

Quina d'aquestes espècies és d'esperar que sigui la més viscosa?

Pregunta 9 (3 punts). Tipus de sòlids i propietats físiques

Considereu les substàncies químiques següents: $\text{SiO}_2$, $\text{CO}_2$, $\text{CaO}$ i $\text{CuZn}$ (llautó). Indiqueu de manera raonada quina o quines d'aquestes espècies presenten cadascuna de les propietats següents:

a.

Conductor del corrent elèctric en estat fos.

b.

Punt de fusió elevat.

c.

Conductor del corrent elèctric en estat sòlid.

d.

Conductor tèrmic en estat sòlid.

e.

Gas en condicions normals de pressió i temperatura (CNPT).

f.

Duresa elevada.

g.

Dóna lloc a una dissolució aquosa àcida.

Pregunta 10 (3 punts). Cinètica química de la reacció NO amb brom

Per a la reacció en fase gas $2\text{NO}(\text{g}) + \text{Br}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NOBr}(\text{g})$, s'han realitzat experiments a una temperatura constant de $820\ ^\circ\text{C}$ mesurant les velocitats inicials a diferents pressions parcials:

$P(\text{NO})/\text{Torr}$

$P(\text{Br}_2)/\text{Torr}$

$v_0/(\text{Torr}\cdot\text{s}^{-1})$

600

10

0,360

600

20

0,720

10

600

0,006

20

600

0,024

a.

Determineu l'equació de la llei de velocitat (ordres parcials i ordre total).

b.

Calculeu el valor numèric de la constant de velocitat indicant clarament les seves unitats.

c.

Quina serà la velocitat inicial de la reacció quan la pressió parcial de cadascun dels dos gasos reactius sigui de 100 Torr?

Pregunta 11 (3 punts). Consistència de mecanismes de reacció amb la llei de velocitat

La reacció global $2\mathrm{A} + \mathrm{B}_2 \rightarrow 2\mathrm{AB}$ té una llei de velocitat determinada experimentalment de $v = k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}_2]$. Indiqueu de manera raonada quins dels següents mecanismes proposats són consistents amb aquesta llei experimental:

a.

$\mathrm{A} + \mathrm{A} + \mathrm{B}_2 \rightarrow 2\mathrm{AB}$ (etapa elemental única)

b.

Etapa 1: $\mathrm{B}_2 \rightleftharpoons 2\mathrm{B}$ (equilibri ràpid)

Etapa 2: $\mathrm{A} + \mathrm{B} \rightarrow \mathrm{AB}$ (lenta)

c.

Etapa 1: $\mathrm{B}_2 \rightarrow 2\mathrm{B}$ (lenta)

Etapa 2: $\mathrm{A} + \mathrm{B} \rightarrow \mathrm{AB}$ (ràpida)

d.

Etapa 1: $2\mathrm{A} \rightleftharpoons \mathrm{A}_2$ (equilibri ràpid)

Etapa 2: $\mathrm{B}_2 + \mathrm{A}_2 \rightarrow 2\mathrm{AB}$ (lenta)

Pregunta 12 (4 punts). Qüestions de cinètica química (cert o fals)

Justifiqueu si cadascuna de les següents afirmacions és certa o falsa:

a.

En una cinètica amb llei de velocitat de segon ordre, el temps de semivida (temps de vida mitjana) depèn de la temperatura.

Certa

Falsa

b.

La llei de velocitat d'una reacció química, amb presència o sense de catalitzador, és sempre la mateixa llevat del valor de la constant de velocitat, la qual disminueix en presència del catalitzador.

Certa

Falsa

c.

Des d'un punt de vista cinètic, la constant d'equilibri d'una reacció exotèrmica disminueix en augmentar la temperatura.

Certa

Falsa

d.

La constant de velocitat d'una reacció en fase gasosa depèn únicament de la freqüència de les col·lisions entre molècules de reactius i de l'energia que posseeixen aquestes molècules quan xoquen.

Certa

Falsa