Examen de Química PAU Baleares 2022 · Extraordinaria

El premi Nobel de Química de l'any 2021 va ser concedit als investigadors Benjamin List i David WC MacMillan (figura 1) pel desenvolupament d'un nou tipus de catalitzadors, els quals regulen l'obtenció de molècules d'una forma més eficient i més respectuosa amb el medi ambient.

En concret, aquests investigadors utilitzaren la prolina (figura 2) com a catalitzador per a la producció de nous compostos de gran interès per a la indústria farmacèutica.

a) Anomena els grups funcionals que apareixen a la prolina.

El premi Nobel de Química de l'any 2021 va ser concedit als investigadors Benjamin List i David WC MacMillan (figura 1) pel desenvolupament d'un nou tipus de catalitzadors, els quals regulen l'obtenció de molècules d'una forma més eficient i més respectuosa amb el medi ambient.

En concret, aquests investigadors utilitzaren la prolina (figura 2) com a catalitzador per a la producció de nous compostos de gran interès per a la indústria farmacèutica.

b) Indica, de forma raonada, la veracitat de l'afirmació següent: «l'ús d'un catalitzador disminueix la constant de velocitat de la reacció».

El premi Nobel de Química de l'any 2021 va ser concedit als investigadors Benjamin List i David WC MacMillan (figura 1) pel desenvolupament d'un nou tipus de catalitzadors, els quals regulen l'obtenció de molècules d'una forma més eficient i més respectuosa amb el medi ambient.

En concret, aquests investigadors utilitzaren la prolina (figura 2) com a catalitzador per a la producció de nous compostos de gran interès per a la indústria farmacèutica.

c) Anomena els composts següents: $\mathrm{HNO_3}$ i $\mathrm{NH_4Cl}$.

El trihidrur de fòsfor, $\text{PH}_3$ (també conegut com a fosfina), a temperatura ambient és un gas incolor que es reconeix fàcilment per la forta olor d'all.

a) Explica la geometria de la molècula de $\mathrm{PH_3}$ segons la teoria de la repulsió de parells electrònics de la capa de valència (TRPECV).

b) Indica si es tracta d'una molècula polar o apolar. Justifica la resposta.

c) Justifica, de forma raonada, per què el punt d'ebullició de l'amoníac, $\mathrm{NH_3}$ ($-33\ ^\circ\mathrm{C}$), és més elevat que el punt d'ebullició del $\mathrm{PH_3}$ ($-87{,}7\ ^\circ\mathrm{C}$).

El trihidrur de fòsfor, $\text{PH}_3$ (també conegut com a fosfina), a temperatura ambient és un gas incolor que es reconeix fàcilment per la forta olor d'all.

Quin és el significat del següent pictograma, el qual apareix a la fitxa tècnica del $\text{PH}_3$?

3A. (2 punts) El toluè ($\text{C}_7\text{H}_8$) és un hidrocarbur aromàtic que s'utilitza per a la producció d'explosius, com el TNT, colorants, detergents i altres productes. El toluè es pot obtenir a partir de la deshidrogenació del metilciclohexà ($\text{C}_7\text{H}_{14}$) mitjançant la reacció química següent:$$\text{C}_7\text{H}_{14 (g)} \rightleftharpoons \text{C}_7\text{H}_{8 (g)} + 3\text{ H}_{2 (g)} \quad; \quad \Delta H > 0$$En un recipient d'1 litre, inicialment buit, s'introdueixen 0,6 mols de metilciclohexà i s'escalfen a 700 K, de forma que, una vegada assolit l'equilibri, hi ha 0,45 mols de dihidrogen dins la mescla gasosa.

a)

b)

c)

4A. (2 punts) La indústria química produeix grans quantitats d'àcid cianhídric (HCN) arreu del món. S'utilitza per fabricar explosius, fibres sintètiques, plàstics, pesticides, etc. Una dissolució aquosa d'aquest compost, a 25 °C, presenta un $\text{pH} = 4,3$.

Dades: constant d'acidesa de l'àcid cianhídric a 25 °C, $K_a = 6,2 \times 10^{-10}$

a)

b)

c)

5A. (2 punts) Indica, de forma raonada, la veracitat de les següents afirmacions relacionades amb l'estructura atòmica i les propietats periòdiques dels elements:

a)

b)

c)

d)

Una indústria química obté alumini metàl·lic, $\text{Al (s)}$, a partir del mineral criolita. Posteriorment, i per protegir-lo de la corrosió, la capa superficial d’alumini metàl·lic es transforma en $\text{Al}_2\text{O}_3\text{ (s)}$ mitjançant la reacció química no ajustada següent:

$$\text{Al (s)} + \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\text{ (aq)} + \text{H}^+\text{ (aq)} \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3\text{ (s)} + \text{Cr}^{3+}\text{ (aq)} + \text{H}_2\text{O (l)}$$

Dades: potencials estàndard de reducció a $25\text{ }^\circ\text{C}$, $E^0(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}66\text{ V}$ i $E^0(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}) = -2{,}37\text{ V}$.

1B. Una indústria química obté alumini metàl·lic, $\text{Al}_{(s)}$, a partir del mineral criolita. Posteriorment, i per protegir-lo de la corrosió, la capa superficial d'alumini metàl·lic es transforma en $\text{Al}_2\text{O}_{3\text{ (s)}}$ mitjançant la reacció química no ajustada següent:$$\text{Al}_{\text{(s)}} + \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\text{ (aq)} + \text{H}^+\text{ (aq)} \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_{3}\text{ (s)} + \text{Cr}^{3+}\text{ (aq)} + \text{H}_2\text{O}\text{ (l)}$$

a)

Ajusta la reacció iònica mitjançant el mètode ió-electró.

b)

Indica quina és l'espècie que actua com a oxidant. Justifica la resposta.

Una indústria química obté alumini metàl·lic, $\text{Al (s)}$, a partir del mineral criolita. Posteriorment, i per protegir-lo de la corrosió, la capa superficial d’alumini metàl·lic es transforma en $\text{Al}_2\text{O}_3\text{ (s)}$ mitjançant la reacció química no ajustada següent:

$$\text{Al (s)} + \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\text{ (aq)} + \text{H}^+\text{ (aq)} \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3\text{ (s)} + \text{Cr}^{3+}\text{ (aq)} + \text{H}_2\text{O (l)}$$

Dades: potencials estàndard de reducció a $25\text{ }^\circ\text{C}$, $E^0(\text{Al}^{3+}/\text{Al}) = -1{,}66\text{ V}$ i $E^0(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}) = -2{,}37\text{ V}$.

1B. c) Explica, de forma raonada, per què en les mateixes condicions ambientals és més fàcil que es corroeixi el magnesi ($\text{Mg}$) que l'alumini ($\text{Al}$).

L'àcid salicílic ($\mathrm{C_7H_6O_3}$) és un compost que es troba present en molts productes utilitzats en medicina. A una temperatura de $473\text{ K}$, aquest àcid es descompon i produeix fenol ($\mathrm{C_6H_6O}$) i diòxid de carboni, segons la reacció química ajustada següent:

Al laboratori, introduïm $0{,}345\text{ g}$ d'àcid salicílic en un recipient de $50\text{ mL}$ i l'escalfam a $473\text{ K}$. Una vegada la mescla assoleix l'equilibri químic, recollim el $\mathrm{CO_2}$ gasós obtingut en un altre recipient i comprovam que aquest gas ocupa un volum de $48{,}9\text{ mL}$, mesurat a $1\text{ atm}$ i a $298\text{ K}$.

a)

Calcula la constant d'equilibri en concentracions ($K_c$) corresponent a la reacció de descomposició de l'àcid salicílic a 473 K.

b)

Si féssim el mateix experiment en un recipient de 1000 mL, mantenint la temperatura a 473 K, augmentaria la descomposició d'àcid salicílic? Justifica la resposta.

L'àcid salicílic ($\mathrm{C_7H_6O_3}$) és un compost que es troba present en molts productes utilitzats en medicina. A una temperatura de $473\text{ K}$, aquest àcid es descompon i produeix fenol ($\mathrm{C_6H_6O}$) i diòxid de carboni, segons la reacció química ajustada següent:

Al laboratori, introduïm $0{,}345\text{ g}$ d'àcid salicílic en un recipient de $50\text{ mL}$ i l'escalfam a $473\text{ K}$. Una vegada la mescla assoleix l'equilibri químic, recollim el $\mathrm{CO_2}$ gasós obtingut en un altre recipient i comprovam que aquest gas ocupa un volum de $48{,}9\text{ mL}$, mesurat a $1\text{ atm}$ i a $298\text{ K}$.

2B. c) Indica, de forma raonada, si aquest procés és espontani a qualsevol temperatura.

3B. (2 punts)

L'àcid sulfúric ($\text{H}_2\text{SO}_4$) és, probablement, un dels reactius més utilitzats en un laboratori de química.

a)

Quin volum es necessita d'una dissolució d'àcid sulfúric concentrat, el qual té una riquesa del 96% (en pes) i una densitat d'$1{,}82\text{ g/mL}$, per preparar $250\text{ mL}$ d'una dissolució d'àcid sulfúric de concentració $70\text{ g/L}$?

b)

Explica el procediment i el material de laboratori necessari per preparar la dissolució de l'apartat anterior.

4B. (2 punts)

L'àcid benzoic ($\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}$) és un àcid carboxílic monopròtic que s'utilitza en l'elaboració de cosmètics, tints, plàstics i repel·lents d'insectes. La constant d'acidesa ($K_a$) de l'àcid benzoic, a $25\text{ }^\circ\text{C}$, presenta un valor de $6{,}4 \times 10^{-5}$.

a)

Al laboratori es preparen $500\text{ mL}$ d'una solució aquosa que conté $6{,}10\text{ g}$ d'àcid benzoic. Calcula el pH d'aquesta dissolució a $25\text{ }^\circ\text{C}$.

b)

Una indústria química ha comprat una solució aquosa d'àcid benzoic. Per conèixer-ne la concentració, es valoren $25\text{ mL}$ d'aquesta solució amb una solució aquosa d'hidròxid sòdic ($\text{NaOH}$) $0{,}115\text{ M}$, i es consumeixen $38{,}6\text{ mL}$ d'aquesta base per arribar al punt final de la valoració.

Escriu la reacció de neutralització que té lloc i calcula la concentració de la solució aquosa d'àcid benzoic, expressada en $\text{g/L}$.

5B. (Apartats a i b) (1 punt)

Dos elements químics, A i B, presenten les configuracions electròniques següents:

A: $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^5$

B: $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^1$

a)

Indica, de forma raonada, la posició (grup i període) de cada un d'aquests dos elements a la taula periòdica.

b)

Si se sap que els valors de les primeres energies d'ionització són $496$ i $1250\text{ kJ/mol}$, justifica quin és el valor que correspon a cada un dels dos elements (A i B).

Dos elements químics, A i B, presenten les configuracions electròniques següents:

A: $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^5$

B: $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^1$

c)

Raona quin dels dos elements presenta més tendència a formar enllaços de caràcter metàl·lic.

d)

Explica, de forma raonada, el tipus d'enllaç que presentarà la molècula A 2.