Examen de Química Bàsica Ii UB 2014 · reavaluació - Juliol 2014

Dades d'utilitat general:

$R = 0{,}08206\text{ atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 0{,}08314\text{ bar}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}314\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$

$1\text{ atm} = 760\text{ Torr} = 1{,}013\text{ bar}$

$F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$

$0\text{ }^\circ\text{C} = 273{,}15\text{ K}$

Pregunta 1 (10 punts). Variació d'entropia en l'escalfament i canvi de fase de l'aigua

Es disposa d'un sistema format per 27,0 g d'aigua inicialment a 90,0 °C, el qual s'escalfa de manera reversible sota una pressió constant d'1 atm fins a atènyer 115,0 °C.

Dades:

$c_p(\mathrm{H_2O(l)}) = 4,18\text{ kJ}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$; $c_p(\mathrm{H_2O(g)}) = 2,00\text{ kJ}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$; $\Delta_{\text{vap}}H^\circ(\mathrm{H_2O(l)}) = 2259\text{ J}\cdot\text{g}^{-1}$ (a 100 °C, o corregible per Kirchhoff).

a.

Determineu la variació d'entropia que experimenta el sistema en aquest procés.

b.

Dibuixeu un gràfic esquemàtic aproximat de com evoluciona l'entropia del sistema ($S$) en funció de la temperatura ($T$) al llarg de l'escalfament.

c.

Justifiqueu de quina manera canviaria el valor calculat a l'apartat 1.1 si la transformació s'hagués dut a terme mitjançant un camí irreversible.

Dades d'utilitat general:

$R = 0{,}08206\text{ atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 0{,}08314\text{ bar}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}314\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$

$1\text{ atm} = 760\text{ Torr} = 1{,}013\text{ bar}$

$F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$

$0\text{ }^\circ\text{C} = 273{,}15\text{ K}$

Pregunta 2 (10 punts). Pressió de vapor i equilibris en recipients connectats

Dos recipients de vidre (A i B) d'1 L de volum cadascun es troben units mitjançant un conducte proveït d'una clau de pas (C), tal com s'il·lustra a l'esquema:

A l'inici de l'assaig, ambdós recipients contenen aire a 1 atm amb la clau C tancada. S'introdueixen $2{,}0 \cdot 10^{-2}\text{ mol}$ de dietilèter en un petit vas situat dins del recipient A, es refreda el conjunt fins a -45 ºC i s'espera a assolir l'equilibri.

Dades:

Pressió de vapor del dietilèter a -45 ºC = 57 Torr; pressió de vapor del dietilèter a 25 ºC = 534 Torr.

a.

Un cop establert l'equilibri a -45 ºC, quina és la pressió a l'interior del flascó A?

b.

Si el sistema s'escalfa a continuació fins a 25 ºC (mantenint la clau C tancada), quin valor tindrà la pressió total dins d'A?

c.

Si es torna a refredar el sistema a -45 ºC i s'obre la clau de pas C, quina serà la pressió final a l'interior dels dos recipients en assolir novament l'equilibri?

Dades d'utilitat general:

$R = 0{,}08206\text{ atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 0{,}08314\text{ bar}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}314\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$

$1\text{ atm} = 760\text{ Torr} = 1{,}013\text{ bar}$

$F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$

$0\text{ }^\circ\text{C} = 273{,}15\text{ K}$

Pregunta 3 (10 punts). Equilibri químic de dissociació de l'amoníac

S'introdueix una certa quantitat d'amoníac pur dins d'un reactor tancat i s'escalfa fins a una temperatura de $400\text{ K}$. Un cop assolit l'equilibri químic:

$$2\text{ NH}_3(\text{g}) \rightleftharpoons 3\text{ H}_2(\text{g}) + \text{N}_2(\text{g})$$

es constata que la pressió total és de $0{,}630\text{ bar}$ i que el grau de dissociació de l'amoníac és del $40\,\%$.

a)

Calculeu la pressió parcial de cadascun dels gasos presents a l'equilibri.

b)

Determineu el valor de la constant d'equilibri $K_p$ a $400\text{ K}$.

c)

La constant d'equilibri $K_p$ per a la síntesi d'amoníac ($3\text{ H}_2(\text{g}) + \text{N}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{ NH}_3(\text{g})$) a $25\text{ }^\circ\text{C}$ és de $6{,}8\cdot 10^5$. Raoneu si la reacció de síntesi és endotèrmica o exotèrmica i determineu l'entalpia estàndard d'aquesta reacció, així com l'entalpia estàndard de formació de l'amoníac.

Endotèrmica

Exotèrmica

Pregunta 4 (10 punts). Valoració àcid-base d'amoníac amb àcid clorhídric

Es valoren 20,0 mL d'una dissolució 0,100 M d'amoníac mitjançant una dissolució 0,100 M d'àcid clorhídric.

Dades

$K_b(\mathrm{NH_3}) = 1,79\cdot 10^{-5}$; $K_w = 1,00\cdot 10^{-14}$.

a)

Trobeu el pH inicial de la dissolució d'amoníac 0,100 M.

b)

Calculeu el pH un cop afegits 5, 10 i 20 mL de la solució valorant d'àcid clorhídric.

c)

Dibuixeu de manera aproximada la corba de valoració corresponent.

d)

Definiu el concepte de solució tampó i raoneu si la mescla obtinguda en afegir 8 mL d'àcid clorhídric 0,100 M als 20 mL inicials d'amoníac 0,100 M constituirà una bona dissolució amortidora.

Pregunta 5 (5 punts). Precipitació selectiva de sulfat i fluorur

Mitjançant l'addició controlada d'una solució concentrada de clorur de bari a una dissolució que conté simultàniament sulfat de sodi 0,10 M i fluorur de potassi 0,10 M, es pretén realitzar la separació selectiva dels anions fluorur i sulfat presents.

Dades:

Es considera que una precipitació és selectiva (o quantitativa) si, en el moment d'iniciar-se la precipitació de la segona sal, la concentració residual de l'anió que forma la sal menys soluble s'ha reduït a la mil·lèsima part ($10^{-3}$) o menys del seu valor inicial.

$K_{\mathrm{ps}}(\mathrm{BaF}_2) = 1{,}63\cdot 10^{-6}$; $K_{\mathrm{ps}}(\mathrm{BaSO}_4) = 1{,}15\cdot 10^{-10}$.

a)

Suposant que el volum de la dissolució no varia de manera significativa per l'addició del reactiu concentrat, calculeu la concentració restant de l'anió de la sal més insoluble en el moment just en què comença a precipitar la sal de l'altre anió.

b)

Raoneu si sota aquestes condicions és viable aconseguir una separació quantitativa dels anions sulfat i fluorur.

Dades d'utilitat general:

$R = 0{,}08206\text{ atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 0{,}08314\text{ bar}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}314\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$

$1\text{ atm} = 760\text{ Torr} = 1{,}013\text{ bar}$

$F = 96485\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$

$0\text{ }^\circ\text{C} = 273{,}15\text{ K}$

Pregunta 6 (10 punts). Pila galvànica ferro-alumini i potencials estàndard

Es munta una pila submergint una làmina metàl·lica de ferro en una dissolució $2{,}50 \cdot 10^{-3}\text{ M}$ de sulfat de ferro(III), i una làmina d'alumini en una dissolució $0{,}125\text{ M}$ de sulfat d'alumini, interconnectant ambdues mitjançant un pont salí de clorur de potassi.

Dades:

$E^\circ(\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}) = -0{,}04\text{ V}$; $E^\circ(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}66\text{ V}$.

a)

Escriviu el diagrama convencional de la pila indicant les reaccions als elèctrodes.

b)

Calculeu el potencial o força electromotriu (fem) que subministra aquesta pila a $25\text{ }^\circ\text{C}$.

c)

Raoneu detalladament si el ferro és un metall amb major poder reductor que l'alumini.

d)

Sabent que el potencial estàndard de reducció de la semipila $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ a $25\text{ }^\circ\text{C}$ és de $0{,}77\text{ V}$, determineu el potencial estàndard de reducció de la semipila $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$.

Pregunta 7 (5 punts). Cinètica química mitjançant velocitats inicials

En estudiar la cinètica de la reacció química:

$$2\ \mathrm{A(g)} + \mathrm{B(g)} + \mathrm{C(g)} \rightarrow 2\ \mathrm{G(g)} + 4\ \mathrm{F(g)}$$

s'ha mesurat la velocitat inicial de formació del producte G ($v_0$) per a diferents combinacions de concentracions inicials dels reactius, obtenint-se la taula següent:

Experiment

$[\mathrm{A}]_0 / 10^{-3}\ \mathrm{M}$

$[\mathrm{B}]_0 / 10^{-3}\ \mathrm{M}$

$[\mathrm{C}]_0 / 10^{-3}\ \mathrm{M}$

$v_0 / 10^{-3}\ \mathrm{M\cdot s^{-1}}$

1

10

100

700

2

2

20

100

300

4

3

20

200

200

16

4

10

100

400

2

a)

Determineu l'equació de velocitat de la reacció (ordres parcials i valor de la constant cinètica amb unitats).

b)

Calculeu la velocitat inicial de desaparició del reactiu A en unes condicions inicials tals que $[\mathrm{A}]_0 = 4{,}62\ \mathrm{mmol\cdot L^{-1}}$, $[\mathrm{B}]_0 = 0{,}177\ \mathrm{mmol\cdot L^{-1}}$ i $[\mathrm{C}]_0 = 12{,}4\ \mathrm{mmol\cdot L^{-1}}$.