Examen de Química Selectividad Cataluña 2021 · Juny Serie 2

En l'elaboració del vinagre es produeix àcid etanoic (anomenat habitualment àcid acètic) com a producte de la fermentació del vi per acció d'acetobàcters que combinen l'etanol del vi i l'oxigen de l'aire. El RD 661/2012, del 13 d'abril, estableix la norma per a l'elaboració i la comercialització del vinagre i fixa les concentracions mínimes d'àcid acètic:

Vinagre de vi: mínim, $60\text{ g/L}$.

Altres vinagres: mínim, $50\text{ g/L}$.

Dades

Masses atòmiques relatives: $\text{H} = 1{,}0$; $\text{C} = 12{,}0$; $\text{O} = 16{,}0$.

Constant d'acidesa de l'àcid acètic a $25\text{ }^{\circ}\text{C}$: $K_\text{a} = 1{,}78 \times 10^{-5}$.

Nota: Suposeu que l'acidesa dels vinagres és deguda només a l'àcid acètic.

a)

Escriviu la reacció de l'àcid acètic amb aigua. Digueu si un vinagre de vi pot tenir un pH de $3{,}0$, i justifiqueu, quantitativament, la resposta. [1,25 punts]

Sí

No

b)

En valorar $5{,}0\text{ mL}$ d'un vinagre de poma amb una solució d'hidròxid de sodi $0{,}100\text{ M}$ necessitem $43{,}3\text{ mL}$ d'aquesta base per a arribar al punt final. Escriviu la reacció de valoració i indiqueu raonadament si aquest vinagre compleix la normativa legal. [1,25 punts]

Sí

No

L’ airbag (o coixí de seguretat) està considerat, en combinació amb el cinturó de seguretat, com un dels millors sistemes per a reduir les lesions ocasionades per un accident de trànsit. Quan un vehicle rep un fort impacte, l’azida de sodi ($\mathrm{NaN_3}$) que porten els airbags es descompon ràpidament i forma nitrogen gasós, que omple el coixí i amorteix el cop dels ocupants.

a)

L'azida de sodi es prepara comercialment a partir de la reacció entre el monòxid de dinitrogen i l'amidur de sodi segons l'equació química següent:

$$\mathrm{N_2O(g) + 2\,NaNH_2(s) \rightarrow NaN_3(s) + NaOH(s) + NH_3(g)}$$

Quan reaccionen a pressió constant $4{,}0\text{ mol}$ de $\mathrm{NaNH_2}$ amb un excés de $\mathrm{N_2O}$, en condicions estàndard i a $298\text{ K}$, s'absorbeixen $111{,}6\text{ kJ}$ d'energia en forma de calor. Calculeu l'entalpia estàndard de formació de l'azida de sodi a aquesta temperatura.

[1,25 punts]

Dades a 298 K:

$\Delta H_f^\circ(\mathrm{N_2O, g}) = 82{,}0\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$; $\Delta H_f^\circ(\mathrm{NH_3, g}) = -46{,}1\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$;

$\Delta H_f^\circ(\mathrm{NaNH_2, s}) = -123{,}7\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$; $\Delta H_f^\circ(\mathrm{NaOH, s}) = -425{,}2\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$.

L’ airbag (o coixí de seguretat) està considerat, en combinació amb el cinturó de seguretat, com un dels millors sistemes per a reduir les lesions ocasionades per un accident de trànsit. Quan un vehicle rep un fort impacte, l’azida de sodi ($\mathrm{NaN_3}$) que porten els airbags es descompon ràpidament i forma nitrogen gasós, que omple el coixí i amorteix el cop dels ocupants.

b)

En la bibliografia podem trobar les dades següents amb relació als canvis de fase del nitrogen ($\mathrm{N_2}$):

Punt de fusió

Punt d'ebullició

Punt triple

1,00 atm

63,30 K

1,00 atm

77,40 K

0,123 atm

63,15 K

Definiu el terme punt triple d'una substància. Feu un dibuix aproximat del diagrama de fases del nitrogen, marqueu-hi els tres punts que figuren a la taula i indiqueu-hi les zones en què el nitrogen es troba en fase sòlida, líquida i gasosa. Raoneu si podem sublimar el nitrogen a pressió atmosfèrica.

[1,25 punts]

La reacció en cadena de la polimerasa (coneguda com a PCR) és una tècnica de biologia molecular que consisteix a sintetitzar moltes vegades un fragment de DNA utilitzant una polimerasa (enzim) que pot treballar a temperatures elevades. Quan fem una reacció de PCR, barregem en un tub d'assaig diferents ingredients, com per exemple la polimerasa i el DNA de l'organisme que volem estudiar, i, a més, fixem un pH i una concentració d'ions Mg 2+ perquè l'enzim treballi adequadament.

DADES:

Masses atòmiques relatives: $\mathrm{Mg} = 24{,}3$; $\mathrm{Cl} = 35{,}5$.

Producte de solubilitat de l'hidròxid de magnesi: $K_{\text{ps}} = 1{,}10 \times 10^{-12}$.

Constant d'ionització de l'aigua: $K_{\text{w}} = 1{,}00 \times 10^{-14}$.

a)

Suposem que en el tub on efectuem una PCR treballem amb una solució de $\mathrm{MgCl_2}$ $5{,}0 \times 10^{-3}\ \mathrm{M}$ i un pH fix de $8{,}3$. Digueu, a partir dels càlculs necessaris, si en aquestes condicions precipita l'hidròxid de magnesi i justifiqueu la resposta. [1,25 punts]

No

Sí

b)

Per a determinar la puresa d'una mostra que conté $\mathrm{MgCl_2(s)}$, podem efectuar una valoració de precipitació de l'ió clorur amb una solució de nitrat de plata:$$\mathrm{Cl^-(aq) + AgNO_3(aq) \rightarrow AgCl(s) + NO_3^-(aq)}$$Pesem $0{,}6255\ \mathrm{g}$ de mostra i la dissolem en aigua fins a obtenir $100{,}0\ \mathrm{mL}$ de solució. En valorar $10\ \mathrm{mL}$ d'aquesta solució, hem necessitat $8{,}3\ \mathrm{mL}$ de nitrat de plata $0{,}1550\ \mathrm{M}$ per a arribar al punt final de la valoració. Quina és la puresa de la mostra, expressada com a percentatge en massa de $\mathrm{MgCl_2}$? [1,25 punts]

%

4. L'hidrogen és un element abundant que generalment no es troba com a gas pur ($\mathrm{H_2}$), sinó unit a l'oxigen ($\mathrm{H_2O}$) o al carboni ($\mathrm{CH_4}$). En un article publicat per la revista Nature Chemistry, experts en nanotecnologia de Stanford i Aarhus expliquen com es pot alliberar l'hidrogen de l'aigua a escala industrial mitjançant l'ús de l'electròlisi, substituint l'elèctrode tradicional de platí (càtode) per un elèctrode de carboni grafit modificat químicament.

a)

Escriviu les semireaccions que tenen lloc a l'ànode i al càtode en l'electròlisi d'aigua lleugerament acidulada. Dibuixeu un esquema del muntatge experimental. [1,25 punts]

b)

Efectuem l'electròlisi de l'aigua durant vint hores emprant una intensitat de corrent de $3{,}0\text{ A}$. Quina pressió exercirà l'hidrogen obtingut, si el considerem un gas ideal, en introduir-lo en un recipient de $0{,}10\text{ L}$ on la temperatura és de $200\text{ K}$? Raoneu, mitjançant el model cineticomolecular dels gasos, per què la pressió real de l'hidrogen es desvia una mica d'aquest valor. [1,25 punts]

DADES:

Constant dels gasos ideals: $R = 0{,}082\text{ atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1} = 8{,}31\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$

Constant de Faraday: $F = 9{,}65\times 10^4\text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$

5. Les propietats periòdiques dels elements químics són propietats fisicoquímiques que es repeteixen amb una certa regularitat en els grups i períodes de la taula periòdica dels elements. La raó d'aquesta regularitat té a veure amb la configuració electrònica de l'element. La taula següent recull algunes propietats de quatre elements químics:

· $S$ · $Cl$ · $K^+$ · $F^-$

Primera energia d'ionització ($\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$) · 999,5 · 1 251

Radi iònic (Å) · · · 1,34 · 1,34

a)

Per què la primera energia d'ionització del clor és més gran que la del sofre? El quocient de radis atòmics del potassi i el fluor ($r_{\text{K}}/r_{\text{F}}$) és superior a 1? Justifiqueu les respostes basant-vos en les configuracions electròniques i en el model atòmic de càrregues elèctriques. [1,25 punts]

b)

Justifiqueu per què podem ionitzar el clor atòmic si li fem arribar radiació ultraviolada (UV). La radiació visible no és capaç d'ionitzar el clor, però sí d'excitar-lo. Què succeeix en aquest procés d'excitació? [1,25 punts]

DADES:

Nombres atòmics: $Z(\text{F}) = 9$; $Z(\text{S}) = 16$; $Z(\text{Cl}) = 17$; $Z(\text{K}) = 19$.

Nombre d'Avogadro: $N_A = 6,02 \times 10^{23}\text{ mol}^{-1}$.

Velocitat de la llum en el buit: $c = 3,00 \times 10^8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Constant de Planck: $h = 6,63 \times 10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}$.

Radiació ultraviolada (UV): longitud d'ona entre $15\text{ nm}$ i $400\text{ nm}$.

$1\text{ m} = 10^9\text{ nm}$.

El pentaòxid de dinitrogen és un compost altament reactiu que pot donar lloc a diferents reaccions de descomposició en fase gasosa, com per exemple:

$$2\ \mathrm{N_2O_5(g)} \rightarrow 4\ \mathrm{NO_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \quad \Delta H^\circ\ (\text{a } 298\text{ K}) > 0$$

a)

Raoneu, qualitativament, si la variació d'entropia estàndard ($\Delta S^\circ$) de la reacció anterior, a $298\text{ K}$, és positiva o negativa. Calculeu-ne el valor a partir de les dades de la taula termodinàmica següent:

Substància

$\mathrm{O_2(g)}$

$\mathrm{NO_2(g)}$

$\mathrm{N_2O_5(g)}$

Entropia estàndard absoluta ($S^\circ$) ($\mathrm{J\cdot K^{-1}\cdot mol^{-1}}$)

$205{,}0$

$240{,}1$

$355{,}7$

Digueu si la reacció de descomposició del $\mathrm{N_2O_5}$ en $\mathrm{NO_2}$ i $\mathrm{O_2}$ és espontània a temperatures altes o baixes, i justifiqueu, qualitativament, la resposta. Suposeu que els valors d'entalpia i d'entropia estàndard no varien amb la temperatura.

[1,25 punts]

El pentaòxid de dinitrogen és un compost altament reactiu que pot donar lloc a diferents reaccions de descomposició en fase gasosa, com per exemple:

$$2\ \mathrm{N_2O_5(g)} \rightarrow 4\ \mathrm{NO_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \quad \Delta H^\circ\ (\text{a } 298\text{ K}) > 0$$

b) En estudiar la cinètica de descomposició del $\mathrm{N_2O_5}$ en $\mathrm{NO_2}$ i $\mathrm{O_2}$, a la temperatura de $298\text{ K}$, hem obtingut les dades experimentals següents:

$[\mathrm{N_2O_5(g)}]\ (\mathrm{mol\cdot L^{-1}})$ · $5{,}00 \times 10^{-2}$ · $3{,}00 \times 10^{-2}$

$\text{Velocitat de reacció}\ (\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}})$ · $8{,}5 \times 10^{-5}$ · $5{,}1 \times 10^{-5}$

Raoneu, a partir d'un model cinètic, quin efecte té sobre la velocitat de reacció l'addició d'un catalitzador. [1,25 punts]

El clor és un dels elements més utilitzats en la nostra societat i forma part de molts productes que fem servir en la vida quotidiana. És utilitzat directament com a agent desinfectant i blanquejant, i també com a matèria primera en la producció de polímers com el PVC. En el procés Deacon, el clor s'obté industrialment per oxidació de l'àcid clorhídric segons la reacció química següent:

$$4\ \mathrm{HCl(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightleftharpoons 2\ \mathrm{H_2O(g)} + 2\ \mathrm{Cl_2(g)} \quad \Delta H^\circ < 0$$

Introduïm $32{,}85\text{ g}$ de $\mathrm{HCl}$ i $38{,}40\text{ g}$ de $\mathrm{O_2}$ en un reactor tancat de $10\text{ L}$ en el qual prèviament hem fet el buit. Escalfem la barreja de reacció a $390\ ^\circ\mathrm{C}$, i quan s'assoleix l'equilibri observem que hem obtingut $28{,}40\text{ g}$ de $\mathrm{Cl_2}$.

Dades:

Masses atòmiques relatives:

$\mathrm{H} = 1{,}0$; $\mathrm{O} = 16{,}0$; $\mathrm{Cl} = 35{,}5$.

a)

Calculeu la constant d'equilibri en concentracions ($K_c$) de la reacció, a $390\ ^\circ\mathrm{C}$. [1,25 punts]

b)

Raoneu com es veurien afectats el rendiment de la reacció i la constant d'equilibri en concentracions ($K_c$) si: [1,25 punts]