Examen de Química PAU Baleares 2024 · Extraordinaria

El premi Nobel de Química de l'any 2023 va ser concedit als investigadors Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov (figura 1) pel descobriment i la síntesi de punts quàntics, els quals poden ser utilitzats no només per fabricar pantalles de televisió LED sinó també, en el camp de la medicina, per a la detecció precoç de diferents tipus de tumors.

Al nivell quàntic, els orbitals dels àtoms es caracteritzen per tres nombres quàntics: $n$, $\ell$ i $m_\ell$. Aquests nombres determinen el nivell energètic, la mida, la forma i l'orientació de l'orbital a l'espai.

Considera les següents combinacions de nombres quàntics ($n$, $\ell$, $m_\ell$):

$$(3, 3, -3) \qquad (4, 3, 0) \qquad (2, 0, -1)$$

Considera les següents combinacions de nombres quàntics $(n, \ell, m_\ell)$:

$(3, 3, -3) \quad (4, 3, 0) \quad (2, 0, -1)$

i)

Indica de forma raonada quina és l'única combinació possible.

ii)

Per a l'única combinació possible, indica a quin orbital correspon.

El premi Nobel de Química de l'any 2023 va ser concedit als investigadors Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov (figura 1) pel descobriment i la síntesi de punts quàntics, els quals poden ser utilitzats no només per fabricar pantalles de televisió LED sinó també, en el camp de la medicina, per a la detecció precoç de diferents tipus de tumors.

Al nivell quàntic, els orbitals dels àtoms es caracteritzen per tres nombres quàntics: $n$, $\ell$ i $m_\ell$. Aquests nombres determinen el nivell energètic, la mida, la forma i l'orientació de l'orbital a l'espai.

Considera les següents combinacions de nombres quàntics ($n$, $\ell$, $m_\ell$):

$$(3, 3, -3) \qquad (4, 3, 0) \qquad (2, 0, -1)$$

1A. b) Anomena el compost següent:

i)

$\mathrm{H_2CO_3}$

El premi Nobel de Química de l'any 2023 va ser concedit als investigadors Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov (figura 1) pel descobriment i la síntesi de punts quàntics, els quals poden ser utilitzats no només per fabricar pantalles de televisió LED sinó també, en el camp de la medicina, per a la detecció precoç de diferents tipus de tumors.

Al nivell quàntic, els orbitals dels àtoms es caracteritzen per tres nombres quàntics: $n$, $\ell$ i $m_\ell$. Aquests nombres determinen el nivell energètic, la mida, la forma i l'orientació de l'orbital a l'espai.

Considera les següents combinacions de nombres quàntics ($n$, $\ell$, $m_\ell$):

$$(3, 3, -3) \qquad (4, 3, 0) \qquad (2, 0, -1)$$

1A. b) Anomena el compost següent:

ii)

$\mathrm{CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3}$

2A. (2 punts)

Als cellers de la DO Binissalem Mallorca, quan s'elabora el vi, en concret durant el procés de fermentació del most, se sent un xiuxiueig constant que trenca el silenci, allò que en el món de l'enologia es coneix amb l'expressió «el vi bull».

En aquest procés, el sucre (glucosa) present al most es converteix en etanol i, alhora, es produeix diòxid de carboni gasós d'acord amb la següent reacció química ajustada:

$$\mathrm{C_6H_{12}O_6\,(aq) \rightarrow 2\,CH_3CH_2OH\,(aq) + 2\,CO_2\,(g)}$$

a)

Sabem que les entalpies estàndard de combustió de la glucosa i de l'etanol són, respectivament, $-2816{,}8\text{ kJ mol}^{-1}$ i $-1366{,}9\text{ kJ mol}^{-1}$. Calcula la calor que es desprèn, a pressió constant, quan es forma un mol d'etanol per fermentació de la glucosa.

b)

Escriu la reacció química corresponent a l'entalpia estàndard de formació d'etanol gasós, i calcula'n el valor a partir de les següents dades d'energia d'enllaç:

Tipus d'enllaç

C—C

C—O

C—H

H—H

O—H

O=O

Energia d'enllaç ($\text{kJ mol}^{-1}$)

347

360

414

436

464

498

3A. (2 punts)

L'oxigen ($\mathrm{O_2}$) s'obtingué per primera vegada l'any 1772 quan el químic anglès Joseph Priestley escalfà òxid de mercuri (II) sòlid. Actualment, sabem que quan aquest compost s'escalfa es descompon de forma reversible en vapor de mercuri i oxigen gasós, segons el següent equilibri químic heterogeni:

$$2\ \mathrm{HgO\ (s)} \rightleftharpoons 2\ \mathrm{Hg\ (g)} + \mathrm{O_2\ (g)} \quad \text{amb } \Delta H^\circ\ (\text{a } 400\ ^\circ\mathrm{C}) > 0$$

a)

Introduïm $0{,}10\ \mathrm{mol}$ d'òxid de mercuri (II) en un recipient inicialment buit d'una capacitat de $10\ \mathrm{L}$. Posteriorment, el tapam i l'escalfam fins a arribar a $400\ ^\circ\mathrm{C}$. Determina la massa d'oxigen que s'obté quan s'assoleix l'equilibri.

b)

Si l'experiment de l'apartat anterior es realitza escalfant el recipient només fins a $300\ ^\circ\mathrm{C}$, sense modificar la quantitat d'òxid de mercuri (II) que hi introduïm ni el volum del recipient; obtindrem més o menys massa d'oxigen? Haurà canviat el valor de la constant d'equilibri en concentracions, $K_c$? Justifica les respostes.

Dades:

$K_c\ (\text{a } 400\ ^\circ\mathrm{C}) = 1{,}19 \cdot 10^{-7}$; masses atòmiques: $\mathrm{O} = 16\ \mathrm{u}$, $\mathrm{Hg} = 200{,}6\ \mathrm{u}$.

4A. (2 punts)

Justifica si les següents afirmacions són vertaderes o falses:

a)

El pH d'una dissolució d'un àcid fort sempre és major que el pH d'una dissolució d'un àcid feble.

Vertader

Fals

b)

Quan es dissol en aigua la sal $\mathrm{NH_4Br}$, s'obté una dissolució amb un valor de $\text{pH} < 7$.

Vertader

Fals

c)

Un àcid feble mai no pot tenir un grau de dissociació igual a 1.

Vertader

Fals

d)

El valor de la constant de basicitat ($K_b$) del $\mathrm{NH_3}$ coincideix amb el valor de la constant d'acidesa ($K_a$) del seu àcid conjugat $\mathrm{NH_4^+}$.

Vertader

Fals

Dades: $K_a\ (\mathrm{NH_4^+}) = 5{,}6 \times 10^{-10}$

5A. (2 punts)

Considera les molècules següents: $\mathrm{SCl_2}$ i $\mathrm{BeCl_2}$

a)

Representa les estructures de Lewis per a ambdues molècules.

b)

Justifica la geometria i la polaritat de la molècula $\mathrm{SCl_2}$ segons la teoria de repulsió de parells electrònics de la capa de valència (TRPECV).

c)

Quina és la hibridació de l'àtom central de la molècula de $\mathrm{BeCl_2}$? Justifica la resposta.

1B. (2 punts)

Un dels projectes relacionats amb les energies renovables més importants a les Illes Balears és la posada en funcionament d'una planta de fabricació de dihidrogen verd a Lloseta.

El dihidrogen verd es produeix utilitzant energia renovable, com per exemple la produïda per les plaques solars fotovoltaiques, per aconseguir l'electròlisi de l'aigua segons el procés següent:

$$\mathrm{H_2O\ (l) \rightarrow H_2\ (g) + \frac{1}{2}\ O_2\ (g)}$$

a)

Indica de forma raonada per què l'electròlisi de l'aigua és un procés redox.

b)

Escriu les semireaccions que tenen lloc tant a l'ànode com al càtode.

c)

Si per aquest procés electrolític obtenim, en un determinat interval de temps, 6000 L d'oxigen a una pressió d'una atmosfera i a una temperatura de 30 ºC, quin volum de dihidrogen obtindrem en les mateixes condicions?

2B. (2 punts)

El sulfur de carbonil (COS) és una molècula capaç de catalitzar la formació de pèptids a partir d'aminoàcids; per aquest motiu es pensa que va tenir un paper fonamental en l'origen de la vida a la Terra.

Una de les possibles vies d'obtenció del COS és mitjançant la reacció de diòxid de carboni ($\mathrm{CO_2}$) i sulfur d'hidrogen ($\mathrm{H_2S}$), en què es dona l'equilibri químic següent:

$$\mathrm{CO_2\ (g) + H_2S\ (g) \rightleftharpoons COS\ (g) + H_2O\ (g)}$$

En un recipient inicialment buit de $3\ \mathrm{L}$ de capacitat s'introdueixen $15{,}4\ \mathrm{g}$ de $\mathrm{CO_2}$ i una quantitat desconeguda de $\mathrm{H_2S}$. Seguidament, la mescla s'escalfa fins a $425\ ^\circ\mathrm{C}$. Una vegada assolit l'equilibri a aquesta temperatura, la pressió total del sistema és d'$11{,}5\ \mathrm{atm}$ i s'obtenen $12\ \mathrm{g}$ de $\mathrm{COS}$.

Calcula:

a)

Els mols de $\mathrm{H_2S}$ que es varen introduir inicialment dins el recipient.

b)

El valor de la constant d'equilibri en concentracions (Kc) a $425\ ^\circ\mathrm{C}$.

c)

El valor de la constant d'equilibri en pressions (Kp) a $425\ ^\circ\mathrm{C}$.

3B. (2 punts)

L'òxid de sofre (VI) ($\mathrm{SO_3}$), a $25\ ^\circ\mathrm{C}$ i $1\text{ atm}$, és un gas que actua com a contaminant important i és l'agent principal de la pluja àcida. La font antropogènica més important del $\mathrm{SO_3}$ té l'origen en la crema de combustibles fòssils.

Aquest compost es produeix a partir de l'oxidació de l'òxid de sofre (IV) ($\mathrm{SO_2}$) amb oxigen d'acord amb la següent reacció química ajustada:

$$2\ \mathrm{SO_2\ (g)} + \mathrm{O_2\ (g)} \rightarrow 2\ \mathrm{SO_3\ (g)}$$

Aquesta reacció és de tercer ordre respecte al $\mathrm{SO_2}$ i de primer ordre respecte a l'oxigen. A partir d'aquesta informació, contesta de forma raonada a les qüestions següents:

a)

Escriu l'expressió de l'equació de velocitat de reacció i indica l'ordre global de la reacció.

b)

Com pots aconseguir un major augment de la velocitat de la reacció, duplicant la concentració de $\mathrm{SO_2}$ o duplicant la concentració d'oxigen? Raona la resposta.

c)

Podem assegurar que la velocitat de reacció romandrà constant durant el transcurs de la reacció? Raona la resposta.

d)

Es va determinar l'energia d'activació ($E_a$) de la reacció utilitzant diferents catalitzadors i s'obtingueren els valors següents:

Catalitzador A: $E_a = 35\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$

Catalitzador B: $E_a = 52\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$

Catalitzador C: $E_a = 27\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$

Quin dels anteriors catalitzadors utilitzaries per aconseguir que la reacció sigui més ràpida? Raona la resposta.

4B. (2 punts)

L'àcid cloroacètic és un àcid monopròtic de fórmula $\text{ClCH}_2\text{COOH}$. Es tracta d'un àcid irritant de la pell que s'empra en dermatologia per fer exfoliacions químiques; amb aquest procediment s'eliminen les cèl·lules mortes de la capa més superficial de la pell.

a)

Segons la normativa europea, el pH d'aquest tipus de tractament cutani no pot ser inferior a 1,5. Calcula quina és la concentració (en mol/L) d'àcid cloroacètic que pot contenir com a màxim una dissolució aquosa de 100,0 mL d'aquest àcid per complir la normativa europea.

b)

El compost $\text{ClCH}_2\text{COOH}$ es valora amb hidròxid de sodi ($\text{NaOH}$). Escriu la reacció de valoració de l'àcid cloroacètic amb $\text{NaOH}$ i explica, de manera breu i clara, el procediment necessari per poder dur a terme la valoració d'aquest àcid al laboratori.

Dades:

Constant d'acidesa ($K_a$) de l'àcid cloroacètic: $K_a = 1,35 \times 10^{-3}$

5B. (2 punts)

5B. (1,5 punts)

a)

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

b)

Explica de manera raonada el tipus d'isomeria que presenten els composts següents:

i) $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$ i $\text{CH}_3\text{CHOHCH}_3$

ii) $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$ i $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_3$

5B. (2 punts)

c)

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