Examen de Química PAU Baleares 2026 · Extraordinaria

El premi Nobel de Química de l'any 2025 va ser concedit als investigadors Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi (figura 1) pel desenvolupament de xarxes metal·loorgàniques (MOF). Aquests materials són xarxes poroses formades per ions metàl·lics units per lligands orgànics, i presenten aplicacions revolucionàries en l'emmagatzematge de gasos, la catàlisi o l'alliberament controlat de fàrmacs. Un precursor orgànic molt utilitzat en la síntesi de MOF és l'àcid benzoic (figura 2).

a)

Determina la fórmula molecular de l'àcid benzoic a partir de la seva estructura química (figura 2).

b)

Les MOF poden emmagatzemar gasos dins els porus. Suposa que una determinada MOF és capaç d'omplir completament els seus porus amb $\text{CO}_2$ a $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ i $1\text{ atm}$. Si el volum total de porus disponibles és de $5{,}0\text{ L}$, calcula la massa de $\text{CO}_2$ (en grams) que podria quedar adsorbida en aquestes condicions.

c)

Per sintetitzar una MOF al laboratori, es necessita una dissolució aquosa de $\text{Zn(NO}_3)_2$ $0{,}10\text{ M}$, ja que els ions $\text{Zn}^{2+}$ actuaran com a centres metàl·lics en l'estructura del material. Calcula la massa de $\text{Zn(NO}_3)_2$ sòlid necessària per preparar $250\text{ mL}$ d'aquesta dissolució.

El premi Nobel de Química de l'any 2025 va ser concedit als investigadors Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi (figura 1) pel desenvolupament de xarxes metal·loorgàniques (MOF). Aquests materials són xarxes poroses formades per ions metàl·lics units per lligands orgànics, i presenten aplicacions revolucionàries en l'emmagatzematge de gasos, la catàlisi o l'alliberament controlat de fàrmacs. Un precursor orgànic molt utilitzat en la síntesi de MOF és l'àcid benzoic (figura 2).

d.i)

Anomena el compost $\text{CH}_3\text{-CH}_2\text{-COO-CH}_3$, el qual s'utilitza en estudis relacionats amb MOF.

El premi Nobel de Química de l'any 2025 va ser concedit als investigadors Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi (figura 1) pel desenvolupament de xarxes metal·loorgàniques (MOF). Aquests materials són xarxes poroses formades per ions metàl·lics units per lligands orgànics, i presenten aplicacions revolucionàries en l'emmagatzematge de gasos, la catàlisi o l'alliberament controlat de fàrmacs. Un precursor orgànic molt utilitzat en la síntesi de MOF és l'àcid benzoic (figura 2).

d.ii)

Anomena el compost $\text{Zn(NO}_3)_2$, utilitzat com a precursor en la síntesi de MOF.

2A. (2 punts) L'àcid fòrmic ($\mathrm{HCOOH}$), present a les picades de formigues i en alguns productes de neteja, és un àcid feble monopròtic d'interès en química i biologia. A $25\ ^{\circ}\mathrm{C}$, una dissolució aquosa d'àcid fòrmic de concentració $0{,}10\ \mathrm{M}$ té un $\mathrm{pH}$ de $2{,}38$.

a)

Calcula la constant d'acidesa ($K_a$) de l'àcid fòrmic.

b)

Es valoren $25{,}0\ \mathrm{mL}$ d'una dissolució de $\mathrm{HCOOH}\ 0{,}10\ \mathrm{M}$ amb una dissolució d'hidròxid de sodi ($\mathrm{NaOH}$) de concentració $0{,}15\ \mathrm{M}$.

i) Escriu la reacció de neutralització de l'àcid fòrmic amb l'hidròxid de sodi.

ii) Calcula el volum de dissolució de $\mathrm{NaOH}\ 0{,}15\ \mathrm{M}$ necessari per assolir el punt d'equivalència a la valoració anterior.

2B. (2 punts) En determinats processos industrials i de laboratori, el diòxid de carboni ($\mathrm{CO_2}$) es pot obtenir mitjançant reaccions d'oxidació controlada de composts orgànics. Un mètode clàssic consisteix a fer reaccionar permanganat de potassi ($\mathrm{KMnO_4}$) amb àcid oxàlic ($\mathrm{H_2C_2O_4}$) en medi àcid.

En aquesta reacció redox, l'ió permanganat ($\mathrm{MnO_4^-}$), de color violeta intens, actua com a agent oxidant i es redueix a $\mathrm{Mn^{2+}}$, mentre que l'àcid oxàlic s'oxida a diòxid de carboni ($\mathrm{CO_2}$).

Aquesta reacció s'utilitza habitualment en pràctiques de laboratori per estudiar processos redox, cinètica química i tècniques de valoració.

a)

Escriu i ajusta pel mètode de l'ió-electró la reacció química, en forma iònica, que té lloc en aquest procés.

b)

Calcula la massa de sulfat de manganès (II) que s'obtindrà si reaccionen $250\ \mathrm{mL}$ d'una dissolució de $\mathrm{KMnO_4}\ 0{,}50\ \mathrm{M}$ amb àcid oxàlic en excés, suposant un rendiment del $75\%$.

Justifica si les afirmacions següents són vertaderes o falses:

3A. (2 punts) Considera les espècies químiques següents: $\text{C}_6\text{H}_{14}$ (hexà), $\text{SiO}_2$ (sílice o diòxid de silici), $\text{Al}$ (alumini), $\text{CaCl}_2$ (clorur de calci).

Per a cadascuna de les situacions descrites a continuació, selecciona una espècie química de la llista anterior, la que millor s'hi adapti, i justifica la teva elecció basant-te en el tipus d'enllaç o forces intermoleculars.

a)

Un compost molecular que, en estat líquid, només presenta forces de dispersió com a força intermolecular dominant.

b)

Un material amb un punt de fusió molt elevat (>1600 °C) que, en estat sòlid, no condueix l'electricitat.

c)

Una substància que, en estat sòlid, presenta un «núvol d'electrons» deslocalitzats que li confereix alta conductivitat tèrmica.

d)

Un compost que, en dissolució aquosa, condueix l'electricitat a causa de la seva dissociació en ions.

Justifica si les afirmacions següents són vertaderes o falses:

a)

El radi iònic de l'ió $\text{S}^{2-}$ és menor que el radi atòmic de l'oxigen ($\text{O}$).

Vertader

Fals

b)

L'ió $\text{Cl}^-$ i l'àtom d'argó ($\text{Ar}$) són espècies isoelectròniques.

Vertader

Fals

c)

La càrrega nuclear efectiva que experimenten els electrons de valència és major en l'ió $\text{S}^{2-}$ que en l'ió $\text{Cl}^-$.

Vertader

Fals

Justifica si les afirmacions següents són vertaderes o falses:

d)

La molècula $\text{SCl}_2$ és lineal i, per tant, apolar.

Vertader

Fals

En la indústria química i energètica, els composts orgànics tenen un paper fonamental. El metà ($\text{CH}_4$), per exemple, és el component principal del gas natural i constitueix un combustible essencial. D'altra banda, hidrocarburs com els alquens i cicloalcans, així com alcohols, àcids carboxílics i èsters, són matèries primeres bàsiques en la síntesi de plàstics, dissolvents, combustibles i additius alimentaris.

4A. (2 punts) La pedra calcària, principalment formada per carbonat de calci ($\text{CaCO}_3$), ha estat un material fonamental en la construcció al llarg de la història. Quan s'escalfa a temperatures molt elevades experimenta una descomposició tèrmica per produir calç viva ($\text{CaO}$) i diòxid de carboni ($\text{CO}_2$), segons la reacció:

$$\text{CaCO}_3\text{ (s)} \rightleftharpoons \text{CaO (s)} + \text{CO}_2\text{ (g)} \quad \text{amb } \Delta H^0 > 0$$

En un recipient tancat i inicialment buit de $2{,}0\text{ L}$, s'introdueixen $20\text{ g}$ de $\text{CaCO}_3$ pur. S'escalfa a $900\text{ }^\circ\text{C}$ i s'espera fins que s'assoleix l'equilibri químic. En aquestes condicions, la constant d'equilibri $K_p$ té un valor de $0{,}22\text{ atm}$.

a)

Calcula la pressió de $\text{CO}_2$ en l'equilibri químic.

b)

Determina la massa de $\text{CaCO}_3$ que haurà reaccionat.

c)

Calcula el valor de $K_c$ per a aquest equilibri a $900\text{ }^\circ\text{C}$.

d)

Una vegada assolit l'equilibri químic a $900\text{ }^\circ\text{C}$, es refreda el sistema fins a $800\text{ }^\circ\text{C}$. Indica, de forma raonada, si la quantitat de $\text{CaCO}_3\text{(s)}$ augmenta o disminueix.

Augmenta

Disminueix

En la indústria química i energètica, els composts orgànics tenen un paper fonamental. El metà ($\text{CH}_4$), per exemple, és el component principal del gas natural i constitueix un combustible essencial. D'altra banda, hidrocarburs com els alquens i cicloalcans, així com alcohols, àcids carboxílics i èsters, són matèries primeres bàsiques en la síntesi de plàstics, dissolvents, combustibles i additius alimentaris.

a)

Indica el tipus d'hibridació que presenta el carboni en la molècula de metà ($\text{CH}_4$) i explica la seva geometria molecular.

En la indústria química i energètica, els composts orgànics tenen un paper fonamental. El metà ($\text{CH}_4$), per exemple, és el component principal del gas natural i constitueix un combustible essencial. D'altra banda, hidrocarburs com els alquens i cicloalcans, així com alcohols, àcids carboxílics i èsters, són matèries primeres bàsiques en la síntesi de plàstics, dissolvents, combustibles i additius alimentaris.

b) En la indústria petroquímica i en la química orgànica és freqüent trobar composts amb la mateixa fórmula molecular, però amb estructures diferents. Indica, de forma raonada, per a cada parell de composts següents, si són isòmers. En cas afirmatiu, especifica el tipus d'isomeria que presenten:

i)

but-1-è i propanol

ii)

àcid propanoic i etanoat de metil

L'acetat de metil ($\mathrm{CH_3COOCH_3}$) és un èster amb aroma de fruita, utilitzat com a additiu alimentari i com a dissolvent industrial. Es pot obtenir a partir d'àcid acètic ($\mathrm{CH_3COOH}$) i metanol ($\mathrm{CH_3OH}$) segons la reacció química següent:

$$\mathrm{CH_3COOH(l) + CH_3OH(l) \rightleftharpoons CH_3COOCH_3(l) + H_2O(l)}$$

A partir de les següents reaccions i les seves entalpies estàndard de combustió:

i) · $\mathrm{CH_3COOH(l) + 2\,O_2(g) \rightarrow 2\,CO_2(g) + 2\,H_2O(l)}$ · $\Delta H_\mathrm{I}^\circ = -847{,}2\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$

ii) · $\mathrm{2\,CH_3OH(l) + 3\,O_2(g) \rightarrow 2\,CO_2(g) + 4\,H_2O(l)}$ · $\Delta H_\mathrm{II}^\circ = -1452{,}2\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$

iii) · $\mathrm{2\,CH_3COOCH_3(l) + 7\,O_2(g) \rightarrow 6\,CO_2(g) + 6\,H_2O(l)}$ · $\Delta H_\mathrm{III}^\circ = -3182{,}8\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$

a)

Calcula l'entalpia estàndard de reacció ($\Delta H^\circ$) per a la formació d'acetat de metil a partir d'àcid acètic i metanol.

b)

Calcula l'energia alliberada o absorbida en la producció de $500\text{ g}$ d'acetat de metil.

L'acetat de metil ($\mathrm{CH_3COOCH_3}$) és un èster amb aroma de fruita, utilitzat com a additiu alimentari i com a dissolvent industrial. Es pot obtenir a partir d'àcid acètic ($\mathrm{CH_3COOH}$) i metanol ($\mathrm{CH_3OH}$) segons la reacció química següent:

$$\mathrm{CH_3COOH(l) + CH_3OH(l) \rightleftharpoons CH_3COOCH_3(l) + H_2O(l)}$$

A partir de les següents reaccions i les seves entalpies estàndard de combustió:

i) · $\mathrm{CH_3COOH(l) + 2\,O_2(g) \rightarrow 2\,CO_2(g) + 2\,H_2O(l)}$ · $\Delta H_\mathrm{I}^\circ = -847{,}2\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$

ii) · $\mathrm{2\,CH_3OH(l) + 3\,O_2(g) \rightarrow 2\,CO_2(g) + 4\,H_2O(l)}$ · $\Delta H_\mathrm{II}^\circ = -1452{,}2\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$

iii) · $\mathrm{2\,CH_3COOCH_3(l) + 7\,O_2(g) \rightarrow 6\,CO_2(g) + 6\,H_2O(l)}$ · $\Delta H_\mathrm{III}^\circ = -3182{,}8\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$

c)

Indica, de forma raonada, com es desplaça l'equilibri químic anterior si s'elimina $\mathrm{H_2O}$ del sistema.

El fosgen ($\text{COCl}_2$), també conegut com a clorur de carbonil, és un gas tòxic que va ser utilitzat com a arma química durant la Primera Guerra Mundial. Actualment, s'utilitza en la síntesi industrial de poliuretans i pesticides.

Aquest compost es pot descompondre segons la reacció química següent:

$$\text{COCl}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons \text{CO (g)} + \text{Cl}_2\text{ (g)}$$

Dades

Entalpies estàndard de formació a $298\text{ K}$:

$\Delta H_\text{f}^\circ (\text{COCl}_2\text{, g}) = -219{,}1\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$

$\Delta H_\text{f}^\circ (\text{CO, g}) = -110{,}5\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$

a)

Calcula l'entalpia estàndard de reacció ($\Delta H^\circ$) a $298\text{ K}$ per a la descomposició del fosgen.

b)

Indica si la reacció anterior és endotèrmica o exotèrmica. Justifica la resposta.

Endotèrmica

Exotèrmica

c)

Es pot afirmar que la variació d'entropia ($\Delta S^\circ$) de la reacció química anterior és negativa? Justifica la resposta.

Sí

No

El fosgen ($\text{COCl}_2$), també conegut com a clorur de carbonil, és un gas tòxic que va ser utilitzat com a arma química durant la Primera Guerra Mundial. Actualment, s'utilitza en la síntesi industrial de poliuretans i pesticides.

Aquest compost es pot descompondre segons la reacció química següent:

$$\text{COCl}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons \text{CO (g)} + \text{Cl}_2\text{ (g)}$$

Dades

Entalpies estàndard de formació a $298\text{ K}$:

$\Delta H_\text{f}^\circ (\text{COCl}_2\text{, g}) = -219{,}1\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$

$\Delta H_\text{f}^\circ (\text{CO, g}) = -110{,}5\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$

d)

A la fitxa de seguretat del compost $\mathrm{COCl_2}$ apareix el pictograma següent. Indica'n el significat.