Examen de Química Selectividad Cataluña 2023 · Juny Serie 1

La hidrazina ($N_2H_4$) i la dimetilhidrazina ($N_2H_2(CH_3)_2$) són combustibles líquids. La hidrazina reacciona amb l'oxigen i s'obté $H_2O(g)$ i $N_2(g)$. La dimetilhidrazina reacciona amb l'oxigen i s'obté $H_2O(g)$, $N_2(g)$ i $CO_2(g)$.

a)

Escriviu les dues reaccions de combustió. Calculeu l'entalpia estàndard de reacció de cada combustible a $298\text{ K}$. Si us demanessin consell en l'elecció d'un dels dos combustibles per a fer senyals d'un vaixell, considerant que la bodega del vaixell està gairebé al límit del pes permès, quin dels dos aconsellaríeu? Justifiqueu la resposta.

b)

Representeu el diagrama entàlpic del procés de combustió de la hidrazina. A l'etiqueta d'un envàs que conté hidrazina, s'observen els dos pictogrames següents. Expliqueu què volen dir aquests pictogrames i de quins perills ens alerten.

DADES:

Masses atòmiques relatives: $H = 1{,}0$; $C = 12$; $N = 14{,}0$; $O = 16{,}0$.

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

Substància · $N_2H_4(l)$ · $N_2H_2(CH_3)_2(l)$ · $H_2O(g)$ · $CO_2(g)$

$\triangle H_f^\theta\text{ (kJ mol}^{-1}\text{)}$ · $50{,}6$ · $42{,}0$ · $-241{,}8$ · $-393{,}5$

2. En una empresa química que produeix dissolvents tenen un problema d'identificació de dos lots elaborats, un d'etanol i un altre d'acetona, també anomenada propanona. Per poder identificar quin dissolvent hi ha en cada lot, realitzen un espectre de masses d'una mostra de cada un dels lots.

a)

Formuleu l'etanol i l'acetona. Indiqueu quin és el pic base i el pic de l'ió molecular dels espectres de cada mostra. Quina informació ens donen aquests pics? Quin espectre correspon a cada dissolvent? Justifiqueu les respostes. [1,25 punts]

Mostra I

Pic base ($m/z$):

Pic de l'ió molecular ($m/z$):

Mostra II

Pic base ($m/z$):

Pic de l'ió molecular ($m/z$):

b)

El pic característic per a identificar una cetona en un espectre d'absorció infraroig (IR) correspon a un nombre d'ona de $1\,700\ \text{cm}^{-1}$. Calculeu la longitud d'ona, la freqüència i l'energia corresponents a aquest pic. [1,25 punts]

DADES:

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

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

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

El clorur de sulfuril ($\mathrm{SO_2Cl_2}$) és un líquid a temperatura ambient d'olor punyent que sovint s'utilitza com a font de clor gasós, ja que pel fet de ser un líquid és més fàcil d'emmagatzemar i manipular. És molt emprat en la síntesi de compostos orgànics per a transformar enllaços $\mathrm{C-H}$ en enllaços $\mathrm{C-Cl}$. També s'ha utilitzat, en el tractament de la roba de llana, perquè no s'encongeixi. El clorur de sulfuril s'obté industrialment per reacció entre el clor i el diòxid de sofre, emprant carbó actiu com a catalitzador. S'ha realitzat la reacció d'obtenció de $\mathrm{SO_2Cl_2}$ en un recipient tancat d'$1{,}0\text{ L}$ a $400\text{ K}$:

$$\mathrm{Cl_2(g) + SO_2(g) \rightleftharpoons SO_2Cl_2(g)} \quad \Delta H^\circ < 0$$

a)

Quan la reacció ha arribat a l'equilibri, s'ha comprovat que el recipient contenia $0{,}40\text{ mol}$ de $\mathrm{SO_2Cl_2}$, $0{,}10\text{ mol}$ de $\mathrm{SO_2}$ i $0{,}50\text{ mol}$ de $\mathrm{Cl_2}$. Determineu el valor de la constant d'equilibri en concentracions ($K_c$). Si, després d'assolir l'equilibri, s'addicionen $0{,}30\text{ mol}$ de $\mathrm{SO_2}$ a la mescla de reacció, quina és la nova concentració de clorur de sulfuril en l'equilibri? [1,25 punts]

b)

Raoneu quin efecte tindria sobre el rendiment de la reacció:

— un augment de la temperatura del recipient;

— un augment del volum del recipient;

— l'eliminació del catalitzador.

Raoneu també quin efecte tindrien sobre el valor de la $K_c$ les tres accions mencionades anteriorment. [1,25 punts]

L'àcid hipoclorós ($\mathrm{HClO}$) es considera un dels desinfectants més potents i és utilitzat en centres sanitaris amb la voluntat d'extremar les mesures de desinfecció de les seves instal·lacions arran de la covid-19. Sovint aquest àcid feble s'utilitza com a desinfectant en solucions de concentració $0{,}05\text{ M}$.

a)

Calculeu la constant d'acidesa de l'àcid hipoclorós, sabent que una solució aquosa $0{,}30\text{ M}$ d'aquest àcid té un pH de $4{,}02$ a $25\text{ }^\circ\text{C}$. Un altre àcid, l'àcid clorós ($\mathrm{HClO_2}$), té una constant d'acidesa $K_\mathrm{a}$ d'$1{,}00 \times 10^{-2}$. Quin pH tindrà una solució de concentració $0{,}30\text{ M}$ d'aquest segon àcid? [1,25 punts]

b)

En valorar $40{,}0\text{ mL}$ d'una solució de desinfectant, de concentració d'àcid hipoclorós desconeguda, amb una solució aquosa d'hidròxid de sodi ($\mathrm{NaOH}$) $0{,}05\text{ M}$, necessitem $33{,}0\text{ mL}$ d'aquesta base per a arribar al punt final. Escriviu la reacció de valoració. Quina és la concentració d'àcid hipoclorós en el desinfectant? Aquesta concentració és major o menor que la concentració habitual dels desinfectants emprats més freqüentment? Digueu si el pH en el punt d'equivalència serà àcid, neutre o bàsic, i justifiqueu la resposta. [1,25 punts]

Menor

Major

Àcid

Neutre

Bàsic

Dades:

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

5. L’acetaldehid ($\text{CH}_3\text{CHO}$) es descompon en metà i monòxid de carboni segons la reacció següent:$$\text{CH}_3\text{CHO(g)} \rightarrow \text{CH}_4\text{(g)} + \text{CO(g)} \quad \Delta H^\circ (298\text{ K}) = -20\text{ kJ mol}^{-1}$$Aquesta reacció té una energia d’activació de $188\text{ kJ mol}^{-1}$ sense emprar cap catalitzador i una energia d’activació de $135\text{ kJ mol}^{-1}$ emprant iode com a catalitzador.

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

Substància · $\text{CH}_4\text{(g)}$ · $\text{CO(g)}$

$\Delta H_f^\circ\text{ (kJ mol}^{-1}\text{)}$ · $-75$ · $-111$

a)

Justifiqueu si es tracta d’una reacció endotèrmica o exotèrmica. Calculeu el valor de l’entalpia estàndard de formació de l’acetaldehid a $298\text{ K}$. Dibuixeu en un mateix gràfic l’energia de la reacció en funció de la coordenada de reacció de la reacció catalitzada i no catalitzada, tot indicant la posició dels estats de transició, les energies d’activació i l’entalpia de reacció. [1,25 punts]

b)

Determineu les energies d’activació de la reacció de síntesi de l’acetaldehid a partir de metà i monòxid de carboni del procés catalitzat i no catalitzat. Què és un catalitzador? Raoneu, a partir del model cinètic de l’estat de transició, com afecta un catalitzador a la velocitat de la reacció. [1,25 punts]

6. El sulfat de bari ($\mathrm{BaSO_4}$) és un compost poc soluble en aigua que s'utilitza com a contrast radiològic en anàlisis de raigs X de l'esòfag, l'estómac i els intestins. Generalment, cal beure una suspensió de sulfat de bari una o dues vegades abans de l'anàlisi radiològica.

DADES:

Constants del producte de solubilitat a 25 °C: $K_{\mathrm{ps}}(\mathrm{BaSO_4}) = 1{,}1 \times 10^{-10}$; $K_{\mathrm{ps}}(\mathrm{BaCO_3}) = 3{,}2 \times 10^{-9}$

Masses atòmiques relatives: $\mathrm{Ba} = 137{,}3$; $\mathrm{S} = 32{,}1$; $\mathrm{O} = 16{,}0$

a)

Calculeu la solubilitat molar del sulfat de bari en aigua. Calculeu quina quantitat d'ió bari ($\mathrm{Ba^{2+}}$), en mg, s'ingereix si es prenen 200 mL d'una solució saturada de sulfat de bari abans d'una anàlisi radiològica. [1,25 punts]

b)

Alguns estudis indiquen que aproximadament el 2 % de la població és al·lèrgica a l'ió bari. En el cas que un pacient sigui al·lèrgic a l'ió bari, raoneu si afegir una certa quantitat de sulfat de sodi ($\mathrm{Na_2SO_4}$) a la suspensió de sulfat de bari que cal prendre seria bo per a disminuir els efectes de l'al·lèrgia. A les persones al·lèrgiques a l'ió bari, quina suspensió els provocarà més al·lèrgia: una de sulfat de bari o una de carbonat de bari ($\mathrm{BaCO_3}$)? Justifiqueu la resposta. [1,25 punts]

El recobriment electrolític amb crom s'utilitza per a protegir superfícies metàl·liques de la corrosió, així com per a millorar-ne l'aspecte i les prestacions.

a)

Es vol cromar un objecte d'acer rectangular que té una superfície de $1\,400\text{ cm}^2$ amb una capa de crom de $0{,}1\text{ mm}$ de gruix. Per a fer-ho, es col·loca aquest objecte com a càtode en una cubeta d'electròlisi que conté ions $\text{Cr}^{3+}$ en solució. Escriviu la reacció d'electrodeposició del crom. Si el corrent és de $20{,}0\text{ A}$, quantes hores ha de durar l'electròlisi? [1,25 punts]

b)

Els ànodes de sacrifici també s'utilitzen com a sistema de protecció anticorrosiu. Aquests recobriments s'oxiden abans que el metall que protegeixen. Justifiqueu quins dels metalls de la taula següent podrien utilitzar-se com a ànodes de sacrifici per a protegir una superfície que conté ferro. Definiu oxidant i reductor. En la vida quotidiana, quins són els principals agents causants de la corrosió dels metalls? [1,25 punts]

Potencials estàndard de reducció a 298 K: $E^\circ(\text{Cu}^+/\text{Cu})$ · $E^\circ(\text{Co}^{2+}/\text{Co})$ · $E^\circ(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe})$ · $E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn})$ · $E^\circ(\text{Al}^{3+}/\text{Al})$ · $E^\circ(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg})$

$0{,}52\text{ V}$ · $-0{,}28\text{ V}$ · $-0{,}44\text{ V}$ · $-0{,}76\text{ V}$ · $-1{,}66\text{ V}$ · $-2{,}37\text{ V}$

DADES:

Densitat del crom: $7{,}1\text{ g cm}^{-3}$.

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

Massa atòmica relativa: $\text{Cr} = 52{,}0$.