Examen de Química Selectividad Cataluña 2022 · Juny Serie 5

1. En una activitat experimental realitzada a l'aula de ciències, un grup d'alumnes estudien la reacció redox següent:

$$\mathrm{Zn(s) + CuSO_4(aq) \rightarrow ZnSO_4(aq) + Cu(s)}$$

a)

Expliqueu un procediment experimental que podrien seguir al laboratori per a muntar una pila en què es produís la reacció anterior, i indiqueu els reactius i materials que necessitarien. [1,25 punts]

b)

Calculeu la variació d'energia de Gibbs estàndard d'aquesta reacció redox a $25\ ^{\circ}\mathrm{C}$ i raoneu si la reacció és espontània o no en aquestes condicions. [1,25 punts]

DADES:

Potencials estàndard de reducció a $25\ ^{\circ}\mathrm{C}$:

$E^{\circ}(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = 0{,}34\ \mathrm{V}$; $E^{\circ}(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0{,}76\ \mathrm{V}$.

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

Sí

No

2. L'aigua de consum domèstic conté una certa quantitat d'ions fluorur ($\mathrm{F^-}$). Per a la prevenció de la càries és possible afegir-n'hi més quantitat, però cal tenir en compte que la legislació fixa una concentració màxima recomanada de fluorur en aquest tipus d'aigua d'1,5 mg L -1.

a)

Suposeu que l'aigua de consum domèstic conté ions fluorur només a causa de la solubilització del mineral fluorita (fluorur de calci, $\mathrm{CaF_2}$). Escriviu l'equació de l'equilibri de solubilitat de la fluorita i raoneu, quantitativament, si la concentració d'ions fluorur en aquesta aigua serà superior o inferior a la concentració màxima recomanada. [1,25 punts]

Superior

Inferior

b)

L'aigua de consum domèstic d'un municipi és dura, ja que conté 50 mg L -1 d'ions calci. Es podria produir la precipitació de fluorur de calci a les canonades si la concentració d'ions fluorur en aquesta aigua fos igual a la concentració màxima recomanada? Justifiqueu, quantitativament, la resposta. [1,25 punts]

Sí

No

DADES:

Masses atòmiques relatives: $\mathrm{F = 19,0}$; $\mathrm{Ca = 40,0}$.

Constant del producte de solubilitat: $K_{\mathrm{ps}}(\mathrm{CaF_2}) = 3,2 \times 10^{-11}$.

En la fermentació de la cervesa, la glucosa sòlida —$\mathrm{C_6H_{12}O_6(s)}$— del malt es transforma en etanol líquid i diòxid de carboni gasós mitjançant un procés anaeròbic (en absència d'oxigen).

DADES:

Masses atòmiques relatives:

$\mathrm{H = 1{,}0}$; $\mathrm{C = 12{,}0}$; $\mathrm{O = 16{,}0}$.

Constant universal dels gasos ideals:

$R = 8{,}31\ \mathrm{J\cdot K^{-1}\cdot mol^{-1}}$.

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

Substància · etanol(l) · $\mathrm{CO_2(g)}$ · $\mathrm{C_6H_{12}O_6(s)}$

$\Delta H_f^\circ\ (\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}})$ · $-277{,}7$ · $-393{,}5$ · $-1\,273{,}0$

a)

Escriviu i ajusteu l'equació de la reacció que es produeix en la fermentació de la cervesa. Justifiqueu que aquesta reacció és exotèrmica, en condicions estàndard i a $298\ \mathrm{K}$, i calculeu la calor que es desprèn quan s'obté $1\ \mathrm{kg}$ d'etanol si efectuem la reacció a pressió constant. [1,25 punts]

b)

Digueu si la calor alliberada seria superior, inferior o igual en el cas que efectuéssim la reacció a volum constant, i justifiqueu-ho, qualitativament o quantitativament. [1,25 punts]

4. L’acidosi i l’alcalosi són alteracions consistents en la disminució o l’augment, respectivament, del pH del plasma sanguini. Així, es diu que una persona pateix acidosi quan el pH del seu plasma cau per sota de 7,35 i que pateix alcalosi quan el pH supera el valor de 7,45. Aquests canvis del pH poden ser induïts per alteracions respiratòries o metabòliques que provoquen variacions rellevants en les concentracions d’algunes substàncies en el plasma.

a)

El plasma sanguini d’un pacient presenta un valor de concentració d’ió hidròxid de $3{,}02 \times 10^{-9}\text{ g}\cdot\text{mL}^{-1}$ a $25\text{ }^\circ\text{C}$. Digueu si el pacient pateix acidosi o alcalosi, i justifiqueu-ho. [1,25 punts]

b)

Al plasma sanguini hi actuen diversos sistemes reguladors del pH, el més important dels quals és el sistema àcid carbònic - ió hidrogencarbonat. En un experiment realitzat al laboratori hem agafat quatre tubs d’assaig: en els dos primers (A i B) hi hem introduït plasma, i en els altres dos (C i D), aigua destil·lada. En mesurar el pH de cada tub, obtenim els valors que es mostren en la figura següent:

Posteriorment, hem afegit al tub A i al tub C unes quantes gotes d’una solució de $\text{HCl}$, mentre que al tub B i al tub D hi hem afegit unes quantes gotes d’una solució de $\text{NaOH}$. Justifiqueu, qualitativament, com es modificaran els valors del pH en cadascun dels quatre tubs. [1,25 punts]

Dades:

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

Constant d’ionització de l’aigua a $25\text{ }^\circ\text{C}$: $K_w = 1{,}00 \times 10^{-14}$.

5. La indústria d'obtenció de clor i hidròxid de sodi és, actualment, una de les indústries electroquímiques més importants de tot el món. Aquests dos compostos s'obtenen conjuntament com a productes principals de l'electròlisi de la salmorra (solució aquosa de clorur de sodi) segons la reacció global següent:

$$2\text{ NaCl(aq)} + 2\text{ H}_2\text{O(l)} \rightarrow 2\text{ NaOH(aq)} + \text{Cl}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{(g)}$$

a)

Escriviu les semireaccions que tenen lloc a l'ànode i al càtode, i indiqueu la polaritat de cada elèctrode. [1,25 punts]

b)

Calculeu quantes hores hauria de funcionar aquest procés electrolític per a poder omplir una bombona de 10 litres amb clor gasós, mesurat a $22\text{ }^\circ\text{C}$ i $1{,}5\text{ atm}$, si circula un corrent constant de $5{,}00\text{ A}$ per la cel·la electrolítica. [1,25 punts]

DADES:

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

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

6. La taula següent proporciona algunes dades sobre l'energia d'ionització dels elements liti i beril·li:

Liti

Beril·li

Primera energia d'ionització ($\text{eV}\cdot\text{àtom}^{-1}$)

5,4

9,3

Segona energia d'ionització ($\text{eV}\cdot\text{àtom}^{-1}$)

75,2

18,2

a)

Indiqueu, a partir dels càlculs necessaris, si en fer incidir llum visible sobre àtoms de liti gasós en estat fonamental en provocaríem la ionització. [1,25 punts]

b)

Per què la primera energia d'ionització del beril·li és més gran que la del liti? Per què la diferència entre la segona energia d'ionització i la primera és molt més gran en el liti que en el beril·li? Justifiqueu les respostes a partir de les configuracions electròniques i el model atòmic de càrregues elèctriques. [1,25 punts]

DADES:

Nombres atòmics: $Z(\text{Li}) = 3$; $Z(\text{Be}) = 4$.

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

Velocitat de la llum en el buit: $c = 3{,}0 \times 10^8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Radiació electromagnètica visible: longitud d'ona entre $400\text{ nm}$ i $750\text{ nm}$.

Equivalència: $1\text{ eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\text{ J}$.

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

L'any 1772, el químic anglès Joseph Priestley obtingué per primera vegada oxigen escalfant òxid de mercuri(II) sòlid. Actualment, sabem que quan aquest compost s'escalfa es descompon reversiblement en vapor de mercuri i oxigen gasós, segons l'equilibri heterogeni següent:

$$2\ \mathrm{HgO(s)} \rightleftharpoons 2\ \mathrm{Hg(g)} + \mathrm{O_2(g)} \quad K_c(\text{a } 400\,^\circ\mathrm{C}) = 1{,}19 \times 10^{-7};\ \Delta H^\circ(\text{a } 400\,^\circ\mathrm{C}) > 0$$

a)

Introduïm $0{,}10\ \mathrm{mol}$ d'òxid de mercuri(II) en un recipient rígid de $10\ \mathrm{L}$. Posteriorment, el tapem i l'escalfem fins a $400\,^\circ\mathrm{C}$. Determineu la massa d'oxigen que obtenim quan s'assoleix l'equilibri. [1,25 punts]

b)

Suposeu que realitzem l'experiment de l'apartat anterior 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, $K_c$? Justifiqueu les respostes. [1,25 punts]

Dada:

Massa atòmica relativa:

$\mathrm{O} = 16{,}0$