Examen de Química PAU Baleares 2023 · Ordinaria

El premi Nobel de Química de l'any 2022 va ser concedit als investigadors Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal i K. Barry Sharpless (figura 1), pel descobriment de noves tècniques, com per exemple la química del clic, les quals permeten construir molècules complexes, utilitzades com a fàrmacs i també com a nous materials, a partir de molècules molt més senzilles.

Un dels reactius d'estructura senzilla utilitzats per aquests investigadors fou l'acetat de coure (II) (figura 2), el qual es pot obtenir a partir de l'àcid acètic o àcid etanoic ($\mathrm{CH}_3\mathrm{COOH}$).

Per determinar la concentració de l'àcid acètic, al laboratori es duu a terme una valoració amb $\text{NaOH}$. Proposa, de manera raonada, quin indicador de la següent taula utilitzaries per identificar el punt final de la valoració i justifica quin canvi de color observaries.

Indicador · Interval de pH de canvi de color · Canvi de coloració

Violeta de metil · 0,5 - 1,6 · Groc-blau

Blau de timol · 1,2 - 2,8 · Vermell-groc

Fenolftaleïna · 8,2 - 10,0 · Incolor-rosa

i)

ii)

El premi Nobel de Química de l'any 2022 va ser concedit als investigadors Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal i K. Barry Sharpless (figura 1), pel descobriment de noves tècniques, com per exemple la química del clic, les quals permeten construir molècules complexes, utilitzades com a fàrmacs i també com a nous materials, a partir de molècules molt més senzilles.

Un dels reactius d'estructura senzilla utilitzats per aquests investigadors fou l'acetat de coure (II) (figura 2), el qual es pot obtenir a partir de l'àcid acètic o àcid etanoic ($\mathrm{CH}_3\mathrm{COOH}$).

Anomena el compost següent:

i)

El premi Nobel de Química de l'any 2022 va ser concedit als investigadors Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal i K. Barry Sharpless (figura 1), pel descobriment de noves tècniques, com per exemple la química del clic, les quals permeten construir molècules complexes, utilitzades com a fàrmacs i també com a nous materials, a partir de molècules molt més senzilles.

Un dels reactius d'estructura senzilla utilitzats per aquests investigadors fou l'acetat de coure (II) (figura 2), el qual es pot obtenir a partir de l'àcid acètic o àcid etanoic ($\mathrm{CH}_3\mathrm{COOH}$).

Anomena el compost següent:

ii)

El difluorur de sofre, $\mathrm{SF_2}$, a temperatura ambient és un gas incolor molt inestable, el qual reacciona de forma molt ràpida amb l'aigua.

a)

Escriu la configuració electrònica del sofre (S) i indica a quin bloc i període de la taula periòdica pertany.

b)

Ordena, de manera raonada, els dos elements, F i S, de major a menor radi atòmic.

El difluorur de sofre, $\mathrm{SF_2}$, a temperatura ambient és un gas incolor molt inestable, el qual reacciona de forma molt ràpida amb l'aigua.

c)

Explica la geometria de la molècula de $\mathrm{SF_2}$ segons la teoria de la repulsió de parells electrònics de la capa de valència (TRPECV).

d)

Indica si la molècula de $\mathrm{SF_2}$ és polar o apolar. Justifica la resposta.

Polar

Apolar

El clorur de nitrosil ($\mathrm{NOCl}$) és un gas de color groc que es troba com a component de l' aigua règia (nom que els alquimistes del segle XVI donaren a una mescla d'àcid clorhídric i àcid nítric, en proporció volumètrica de 3 a 1, la qual és capaç de dissoldre metalls com l'or i el platí).

Aquest gas es dissocia i dona monòxid de nitrogen ($\mathrm{NO}$) i diclor ($\mathrm{Cl_2}$) segons el següent equilibri químic:

$$2\ \mathrm{NOCl\ (g)} \rightleftharpoons 2\ \mathrm{NO\ (g)} + \mathrm{Cl_2\ (g)} \quad \text{amb } \Delta H < 0$$

En un recipient d'1 litre, inicialment buit, s'introdueixen $131\ \text{g}$ de $\mathrm{NOCl}$ i s'escalfen a $450\ ^\circ\text{C}$, de manera que, una vegada assolit l'equilibri, el $\mathrm{NOCl}$ es dissocia en un $33\,\%$.

a)

Determina la constant d'equilibri en concentracions ($K_c$) a $450\ ^\circ\text{C}$.

b)

Quin efecte tindrà sobre la concentració de $\mathrm{Cl_2}$, present a la mescla gasosa en equilibri, un augment de la temperatura del sistema? Justifica la resposta.

c)

En quin sentit es desplaçarà l'equilibri químic si, una vegada assolit l'equilibri, hi afegim més mols de $\mathrm{NOCl}$, sense variar ni el volum ni la temperatura? Justifica la resposta.

L'àcid benzoic ($\mathrm{C_6H_5\text{-}COOH}$) és un àcid carboxílic monopròtic que s'utilitza com a conservant dels aliments, ja que inhibeix el creixement microbià.

a)

Calcula el pH d'una dissolució aquosa d'àcid benzoic de concentració $8,1\ \text{g}\ \text{L}^{-1}$.

b)

Una indústria ha adquirit una dissolució aquosa d'àcid benzoic. Per conèixer la concentració exacta d'aquesta dissolució se'n valoren $25,0\ \text{mL}$ amb una dissolució aquosa d'hidròxid de sodi ($\mathrm{NaOH}$). Escriu la reacció de valoració i indica quin material de vidre utilitzaries al laboratori per dur a terme aquesta valoració.

Dades

Constant d'acidesa de l'àcid benzoic a $25\ ^\circ\text{C}$: $K_a = 6,3 \times 10^{-5}$

Donades les següents reaccions químiques i els valors corresponents a les seves entalpies estàndard ($\Delta\text{H}^\circ$):

(1) · $2\text{ H}_2\text{S (g)} + \text{SO}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons 3\text{ S (s)} + 2\text{ H}_2\text{O (l)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = -233{,}5\text{ kJ mol}^{-1}$

(2) · $\text{N}_2\text{ (g)} + 3\text{ Cl}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons 2\text{ NCl}_3\text{ (l)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = +230{,}0\text{ kJ mol}^{-1}$

(3) · $\text{I}_2\text{ (s)} \rightleftharpoons \text{I}_2\text{ (g)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = +62{,}2\text{ kJ mol}^{-1}$

a)

Quina de les reaccions químiques anteriors no és un procés redox? Justifica la resposta.

Donades les següents reaccions químiques i els valors corresponents a les seves entalpies estàndard ($\Delta\text{H}^\circ$):

(1) · $2\text{ H}_2\text{S (g)} + \text{SO}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons 3\text{ S (s)} + 2\text{ H}_2\text{O (l)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = -233{,}5\text{ kJ mol}^{-1}$

(2) · $\text{N}_2\text{ (g)} + 3\text{ Cl}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons 2\text{ NCl}_3\text{ (l)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = +230{,}0\text{ kJ mol}^{-1}$

(3) · $\text{I}_2\text{ (s)} \rightleftharpoons \text{I}_2\text{ (g)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = +62{,}2\text{ kJ mol}^{-1}$

b)

En quina de les reaccions químiques anteriors la variació d'entropia presenta un valor positiu? Justifica la resposta.

c)

Quina de les reaccions anteriors mai no serà espontània? Justifica la resposta.

Donades les següents reaccions químiques i els valors corresponents a les seves entalpies estàndard ($\Delta\text{H}^\circ$):

(1) · $2\text{ H}_2\text{S (g)} + \text{SO}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons 3\text{ S (s)} + 2\text{ H}_2\text{O (l)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = -233{,}5\text{ kJ mol}^{-1}$

(2) · $\text{N}_2\text{ (g)} + 3\text{ Cl}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons 2\text{ NCl}_3\text{ (l)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = +230{,}0\text{ kJ mol}^{-1}$

(3) · $\text{I}_2\text{ (s)} \rightleftharpoons \text{I}_2\text{ (g)}$ · $\Delta\text{H}^\circ = +62{,}2\text{ kJ mol}^{-1}$

d)

Quina de les reaccions anteriors es desplaçarà cap als productes quan disminueixi la temperatura? Justifica la resposta.

OPCIÓ B

1B. (2 punts) El monòxid de nitrogen (NO) destrueix la capa d'ozó de l'atmosfera perquè catalitza la descomposició de l'ozó segons la reacció química següent:

$\mathrm{O_3\,(g) + NO\,(g) \rightarrow NO_2\,(g) + O_2\,(g)} \quad; \quad \Delta H^0 = -198{,}7\text{ kJ mol}^{-1}$

S'han dut a terme diferents experiments al laboratori i s'ha comprovat que la reacció química anterior és de primer ordre tant respecte a l'ozó ($\mathrm{O_3}$) com al monòxid de nitrogen ($\mathrm{NO}$).

Experiment

Conc. inicial $\mathrm{O_3}$

($\text{mol L}^{-1}$)

Conc. inicial $\mathrm{NO}$

($\text{mol L}^{-1}$)

Velocitat inicial

($\text{mol L}^{-1}\text{ s}^{-1}$)

1

0,020

0,025

42,0

2

0,015

x

12,6

a)

Escriu l'expressió de la velocitat de reacció per a aquest procés químic.

b)

Quin és l'ordre total de la reacció? Justifica la resposta.

c)

Determina el valor de la constant de velocitat amb les seves unitats.

d)

Determina el valor de la concentració inicial de NO (g) a l'experiment 2 de la taula anterior.

2B. (2 punts)

Els fascinants colors del nitrat de coure ($\mathrm{Cu(NO_3)_2}$) fan que aquesta sal s'utilitzi com a additiu a les ceràmiques, a les superfícies metàl·liques, en alguns focs artificials i també a la indústria tèxtil.

Una de les maneres d'obtenir aquesta sal és a partir de la reacció del coure metàl·lic amb àcid nítric ($\mathrm{HNO_3}$) segons la següent reacció química ajustada:

$$3\ \mathrm{Cu\ (s)} + 8\ \mathrm{HNO_3\ (aq)} \rightarrow 2\ \mathrm{NO\ (g)} + 3\ \mathrm{Cu(NO_3)_2\ (aq)} + 4\ \mathrm{H_2O\ (l)}$$

a)

Indica el nombre d'oxidació del nitrogen a les espècies $\mathrm{Cu(NO_3)_2}$ i $\mathrm{NO}$.

b)

Quina és l'espècie oxidant? I l'espècie reductora? Raona les respostes.

c)

Quin volum de $\mathrm{HNO_3}$, del 30% en pes i densitat $1{,}18\ \mathrm{g\ mL^{-1}}$, es necessita per reaccionar completament amb $12{,}7\ \mathrm{g}$ de coure?

3B. (2 punts)

El pentaclorur de fòsfor ($\text{PCl}_5$) és un compost químic que s'utilitza per fabricar nombroses substàncies en diferents camps com la metal·lúrgia o la indústria farmacèutica.

En un recipient buit d'un litre de capacitat s'introdueixen $0{,}01$ mols de $\text{PCl}_5$ i s'escalfen fins als $250\text{ }^{\circ}\text{C}$. Quan s'assoleix l'equilibri químic següent:

$$\text{PCl}_5\text{ (g)} \rightleftharpoons \text{PCl}_3\text{ (g)} + \text{Cl}_2\text{ (g)}$$

es comprova que s'han format $0{,}005$ mols de $\text{PCl}_3$.

Amb aquestes dades:

a)

Calcula el valor de la pressió parcial de $\text{Cl}_2$ a l'equilibri.

b)

Calcula el valor de la constant d'equilibri en pressions ($K_p$) a $250\text{ }^{\circ}\text{C}$.

c)

Per aconseguir una major dissociació del $\text{PCl}_5$, ara el procés es duu a terme en un recipient de més volum sense variar cap altra condició. Justifica per què es fa aquesta operació.

4B. (2 punts)

Donades les molècules següents:

$$\text{CF}_4,\ \text{LiF},\ \text{F}_2\ \text{i}\ \text{HF}$$

Contesta:

a)

Quin tipus d'hibridació presenta l'àtom de carboni a la molècula de $\text{CF}_4$? Justifica la resposta.

b)

Es pot afirmar que la molècula de $\text{F}_2$ és molt soluble en aigua? Justifica la resposta.

Sí

No

c)

Quin és l'únic compost que presenta enllaços iònics? Raona la resposta.

d)

Comparant les molècules $\text{F}_2$ i $\text{HF}$, indica de manera raonada quina presentarà un punt d'ebullició més elevat.

5B. (1,5 punts)

$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$

a)

Anomena el compost següent: $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$

b)

Formula un isòmer de funció del compost de l'apartat a).

c)

Formula un isòmer de cadena del compost de l'apartat a).

5B.d) Pictograma de seguretat (0,5 punts)

$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$

d) A la fitxa de seguretat del compost de l'apartat a) hi apareix el següent pictograma. Explica'n el significat.