Examen de Química Física I UB 2021 · Segon Parcial (Novembre 2021)

Exercici 1 (2 punts). Mescla metanol-etanol i equilibri líquid-vapor

En un recipient rígid en el qual prèviament s'ha fet el buit s'injecta una certa quantitat de metanol pur. A continuació, se submergeix en un bany termostàtic a $300\text{ K}$ i, en assolir l'equilibri, s'observa presència de fase líquida amb una pressió a l'interior de $18700\text{ Pa}$. Posteriorment, s'introdueix etanol fins a assolir una composició equimolar a la mescla líquida; un cop restablert l'equilibri, la pressió total mesurada és de $15172\text{ Pa}$. Assumiu comportament ideal per a la mescla.

a.

Determineu el valor de la pressió de vapor del metanol pur a $300\text{ K}$.

b.

Calculeu la composició molar de la fase vapor en equilibri amb la mescla líquida a $300\text{ K}$, justificant les aproximacions emprades.

c.

Calculeu la pressió de vapor que tindria l'etanol pur a $300\text{ K}$.

Exercici 2 (2,5 punts). Tensió superficial de solucions aquoses

A la figura es representa la variació de la tensió superficial ($\gamma$) a $25\ ^\circ\mathrm{C}$ de dissolucions aquoses de tres soluts diferents en funció de la concentració molar: dodecilsulfat sòdic ($\mathrm{CH_3-(CH_2)_{11}-O-SO_2-ONa}$), $n$-butanol i clorur de sodi ($\mathrm{NaCl}$).

Dades de pendents obtingudes:

Pendent (a) = $+0{,}110\ \mathrm{N\cdot m^{-1}\cdot M^{-1}}$

Pendent (b) = $-0{,}073\ \mathrm{N\cdot m^{-1}\cdot M^{-1}}$

Pendent (c) = $-5{,}190\ \mathrm{N\cdot m^{-1}\cdot M^{-1}}$

a)

Associeu cada corba amb el solut corresponent i classifiqueu-los segons el tipus d'efecte que produeixen sobre la tensió superficial de l'aigua en contacte amb l'aire.

b)

Analitzeu raonadament per a cada substància el signe i la magnitud relativa de la concentració superficial d'excés ($\Gamma$).

c)

Quin dels tres compostos escolliríeu per tal d'estabilitzar una interfase oli/aigua? Per quin motiu?

d)

Si es buida un estalagmòmetre amb cadascuna d'aquestes solucions, quin solut donarà lloc a un menor nombre de gotes? Raoneu la resposta.

e)

Quan sigui possible, feu una estimació de l'àrea superficial ocupada per cada molècula a la interfase.

Exercici 3 (2 punts). Diagrama de fases i compressió del iode

Un mol de iode a $457{,}6\text{ K}$ i $0{,}0987\text{ atm}$ és sotmès a un procés de compressió isotèrmica fins que arriba a condensar totalment. Se sap que el punt triple del iode es troba a $P_t = 0{,}1194\text{ atm}$ i $T_t = 386{,}6\text{ K}$, i que el punt crític se situa a $P_c = 115{,}47\text{ atm}$ i $T_c = 819{,}0\text{ K}$.

Dades addicionals:

• Sòlid: $T_{\text{fusió}}(1\text{ atm}) = 386{,}85\text{ K}$; $\Delta H^\circ_{\text{fusió}} = 15{,}52\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$; $C_p \approx 54{,}44\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$.

• Líquid: $T_{\text{ebullició}}(1\text{ atm}) = 457{,}6\text{ K}$; $\Delta H^\circ_{\text{vap}} = 41{,}57\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.

• Gas (comportament ideal): $C_p \approx 20{,}78\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$.

a)

Representeu de forma esquemàtica el procés sobre un diagrama de fases P-T de l'iode, identificant els estats inicial i final.

b)

Calculeu el volum que ocupa el sistema a l'inici i la pressió que s'assoleix al final del procés.

c)

Determineu les variacions d'entalpia ($\Delta H$) i d'entropia ($\Delta S$) del procés.

d)

Indiqueu de manera raonada què succeiria si es descomprimeix iode sòlid a $25\text{ }^\circ\text{C}$ i $1\text{ atm}$.

e)

Quina és la pressió mínima que permetria obtenir iode líquid mitjançant el refredament isobàric del seu vapor?

Exercici 4 [2 punts]. Estabilitat de sistemes col·loidals

a.

Expliqueu la naturalesa col·loidal de la llet i descriviu els factors en què es fonamenta la seva estabilitat.

b.

Si el sistema col·loidal consistís en un sòl aquós d'un òxid metàl·lic, expliqueu el mecanisme que n'assegura l'estabilitat i proposeu mètodes per desestabilitzar-lo.

Exercici 5 (1,5 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és veritable o falsa, tot aportant una justificació breu. Les respostes sense justificació o amb justificació incorrecta no seran valorades.

a.

Una dissolució es considera ideal quan està tan diluïda que no hi ha interaccions entre les molècules de dissolvent i les de solut.

Veritable

Fals

b.

En una mescla condensada ideal, el vapor en equilibri sempre és més ric en el compost més volàtil.

Veritable

Fals

e.

Si l'energia de Gibbs de mescla és negativa, la mescla és ideal.

Veritable

Fals

Exercici 5 (1,5 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és veritable o falsa, tot aportant una justificació breu. Les respostes sense justificació o amb justificació incorrecta no seran valorades.

c.

En un procés de quimisorció es forma exclusivament una única capa de compost adsorbit sobre la superfície.

Veritable

Fals

Exercici 5 (1,5 punts). Qüestions de vertader o fals

Indiqueu si cadascuna de les afirmacions següents és veritable o falsa, tot aportant una justificació breu. Les respostes sense justificació o amb justificació incorrecta no seran valorades.

d.

S'introdueix aigua líquida en un recipient tancat. Si en arribar a l'equilibri encara s'observa líquid, la humitat relativa a l'interior és del 100%.

Veritable

Fals