Examen de Química Selectividad Cataluña 2024 · Juny Serie 5

1. L’indi ($Z = 49$), el neodimi ($Z = 60$) i el tàntal ($Z = 73$) són elements que es troben a diferents blocs de la taula periòdica i que són clau en els components de les noves tecnologies. Aquests elements, tal com indica el fragment de la taula de la figura següent, actualment es troben en perill.

Les configuracions electròniques dels elements són: In: $\mathrm{[Kr]\, 4d^{10}\, 5s^2\, 5p^1}$; Nd: $\mathrm{[Xe]\, 4f^3\, 6s^2}$; Ta: $\mathrm{[Xe]\, 4f^{14}\, 5d^3\, 6s^2}$.

a)

Argumenteu, a partir de la seva configuració electrònica, a quin bloc i període pertany cadascun d’aquests tres elements, si es tracta d’elements de les anomenades terres rares i si la substància elemental és un metall o no. Representeu els electrons de la seva configuració electrònica i justifiqueu les representacions tenint en compte la regla de Hund i el principi d’exclusió de Pauli. [1,25 punts]

b)

Quines són i com s’enuncien les bases fonamentals del model atòmic mecanicoquàntic actual? Quins nombres quàntics ($n$, $l$, $m_l$) tindran els orbitals 5p d’un àtom d’indi? I l’orbital 6s d’un àtom de neodimi o tàntal? Argumenteu si la combinació dels nombres quàntics següents, $(4, 1, -1)$ i $(5, 3, 0)$, determinen algun orbital. En cas afirmatiu, de quin tipus d’orbital es tracta? [1,25 punts]

2. En la fermentació acètica del vi, per l'acció dels bacteris del gènere Acetobacter, l'alcohol etílic (també anomenat etanol) reacciona amb l'oxigen de l'aire i es transforma en àcid acètic (també anomenat àcid etanoic) i aigua. Aquesta dissolució dona lloc al vinagre.

DADES:

Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0.

Entalpies estàndard de formació a 298 K:

Substància

CH 3 CH 2 OH(l)

CH 3 COOH(l)

H 2 O(l)

O 2 (g)

$\Delta H_f^\circ\text{ (kJ}\cdot\text{mol}^{-1}\text{)}$

-277,6

-487,0

-285,8

0

Entropies estàndard absolutes a 298 K:

Substància

CH 3 CH 2 OH(l)

CH 3 COOH(l)

H 2 O(l)

O 2 (g)

$S^\circ\text{ (J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}\text{)}$

160,7

159,8

69,9

205,0

a)

Escriviu la reacció d'oxidació de l'etanol. Calculeu la quantitat d'energia absorbida o despresa en la síntesi de $10{,}0\text{ g}$ d'àcid acètic a partir de la fermentació acètica del vi a pressió constant. Justifiqueu si la reacció és exotèrmica o endotèrmica. [1,25 punts]

kJ

b)

Si deixem una ampolla de vi oberta, en uns dies el vi es fa malbé perquè l'alcohol es converteix en àcid acètic. Calculeu l'entropia estàndard i l'energia de Gibbs d'aquesta reacció a $25\text{ }^\circ\text{C}$. Determineu la influència de la temperatura en l'espontaneïtat d'aquesta reacció i raoneu la resposta. Considereu que l'entalpia i l'entropia estàndard no varien amb la temperatura. [1,25 punts]

El 10 de juliol de 2023 va entrar en erupció un volcà de la península de Reykjanes, a uns 30 km de Reykjavík. Una de les substàncies que arriben a l'atmosfera en una erupció volcànica és el diòxid de sofre ($\text{SO}_2$), que s'oxida en presència de l'oxigen de l'aire i esdevé triòxid de sofre ($\text{SO}_3$), i posteriorment es converteix en àcid sulfúric, una de les principals causes de l'anomenada pluja àcida. En la bibliografia també s'indica que la reacció de descomposició del triòxid de sofre és la següent:

$$\text{SO}_3(\text{g}) \rightleftharpoons \text{SO}_2(\text{g}) + \frac{1}{2}\text{O}_2(\text{g}) \quad \Delta H^\circ (\text{a } 298\text{ K}) > 0$$

a)

Els dies posteriors a l'erupció volcànica van ser inusualment calorosos a tota l'àrea de Reykjavík. Raoneu si aquest fet va afavorir la formació de pluja àcida. Escriviu la reacció de formació de l'àcid sulfúric a partir del triòxid de sofre. Expliqueu també si els canvis de pressió afecten aquest equilibri i, en cas que l'afectin, expliqueu com. Considereu que la temperatura es manté constant. [1,25 punts]

b)

En un recipient tancat de 10,0 L s'introdueixen 0,1 mol de triòxid de sofre i s'escalfen a una temperatura determinada. Un cop establert l'equilibri, queden a l'interior del recipient 0,017 mol de triòxid de sofre sense descompondre. Calculeu la constant d'equilibri en concentracions de la reacció ($K_c$) a aquesta temperatura. Raoneu també si la $K_c$ i la constant d'equilibri en pressions ($K_p$) d'aquesta reacció coincidiran i, en cas que no coincideixin, digueu quina serà més gran. [1,25 punts]

$K_c =$

4. L'electronegativitat és una propietat periòdica especialment rellevant per a explicar la capacitat d'un element de reaccionar amb altres elements i formar enllaços. Anomenem dos tipus d'elements A i B, amb els nombres atòmics 6 i 8, respectivament.

a)

Expliqueu què és l'electronegativitat. Escriviu les configuracions electròniques fonamentals d'aquests elements i justifiqueu, basant-vos en aquestes configuracions, quin dels dos elements tindrà el valor més petit d'electronegativitat. [1,25 punts]

b)

Utilitzant les configuracions electròniques dels elements A i B, raoneu quina és l'estructura de Lewis del compost $\mathrm{AB_2}$. Expliqueu quin tipus d'enllaç poden formar aquests dos àtoms. Determineu quina geometria i quins angles d'enllaç tindrà la molècula formada segons la teoria de repulsió dels parells d'electrons de la capa de valència (RPECV) i justifiqueu la resposta. Raoneu si aquesta molècula serà polar i si tindrà un punt d'ebullició alt o baix. [1,25 punts]

5. L’amoníac és una base feble que s’utilitza com a principi actiu de productes farmacèutics indicats per a l’alleujament local simptomàtic de la picor produïda per picades d’insectes. Actua modificant el pH i d’aquesta manera neutralitza la toxina introduïda per l’insecte.

Per a determinar el contingut d’amoníac d’un producte farmacèutic que tracta les picades de mosquit, es fa una valoració de $5{,}0\text{ mL}$ del producte diluït en aigua amb àcid clorhídric $0{,}1\text{ M}$ i es gasten $10{,}0\text{ mL}$.

a)

Escriviu la reacció de valoració. Calculeu la concentració de la solució d’amoníac i expresseu aquesta concentració en $\text{mg mL}^{-1}$. Expliqueu com realitzaríeu en el laboratori aquesta valoració, indicant tot el material i altres substàncies que utilitzaríeu. [1,25 punts]

b)

Si es mesura el pH de la solució inicial i és $11{,}27$, argumenteu qualitativament si el pH en el punt d’equivalència és àcid, neutre o bàsic. Raoneu com hauria de ser aproximadament la corba de valoració i dibuixeu-la. Indiqueu on es trobaria el punt d’equivalència. [1,25 punts]

DADES:

Masses atòmiques relatives: $\text{H} = 1{,}0$; $\text{N} = 14{,}0$.

6. El fosfà, abans conegut com a fosfina ($\text{PH}_3$), és un gas incolor a temperatura ambient amb una forta olor d'all o de peix podrit. S'utilitza en la fabricació de semiconductors, de materials ignífugs i de plàstics, i també com a pesticida en magatzems de gra. Un dels processos industrials d'obtenció de fosfà consisteix en la reacció directa entre fòsfor blanc ($\text{P}_4$) i hidrogen a altes pressions:

$$\text{P}_4(\text{s}) + \text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 4\,\text{PH}_3(\text{g})$$

Es van realitzar tres experiments per a determinar la velocitat inicial de la reacció d'obtenció del fosfà per reacció directa entre el fòsfor blanc i l'hidrogen a 298 K, recollits a la taula següent:

Experiment

Concentració de $\text{P}_4$

($\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$)

Concentració de $\text{H}_2$

($\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$)

Velocitat

($\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$)

1

0,0110

0,0075

$3{,}20 \times 10^{-4}$

2

0,0110

0,0150

$6{,}40 \times 10^{-4}$

3

0,0220

0,0150

$6{,}40 \times 10^{-4}$

a)

Determineu l'equació de velocitat de la reacció amb els ordres de reacció de cada reactiu i l'ordre de reacció global. Determineu el valor i les unitats de la constant de velocitat.

[1,25 punts]

b)

El fosfà és un compost immediatament perillós per a la vida o la salut, segons l'Institut Nacional de Seguretat i Salut Ocupacional (NIOSH) dels Estats Units, en concentracions per sobre de $50\,\text{mg}\cdot\text{L}^{-1}$ en l'ambient. A l'etiqueta d'un envàs que conté fosfà s'observen els quatre pictogrames següents. Expliqueu què volen dir aquests pictogrames i de quins perills ens alerten.

[1,25 punts]

7. Un alquè de fórmula molecular $\text{C}_4\text{H}_8$ és un gas incolor que es troba en el petroli cru. Aquest alquè es pot usar com a monòmer per a produir polibutè, però aquest polímer resulta més car que les seves alternatives amb cadenes més curtes de carboni, com el polipropilè.

a)

Escriviu la fórmula semidesenvolupada i el nom de tots els possibles isòmers estructurals i geomètrics de l'alquè amb fórmula molecular $\text{C}_4\text{H}_8$. Expliqueu què és una molècula quiral i escriviu la fórmula semidesenvolupada d'un exemple de molècula quiral. [1,25 punts]

b)

Escriviu, a sota de les figures següents, les fórmules semidesenvolupades i els noms dels monòmers a partir dels quals es formen els polímers A, B i C. Anonemeu els polímers A, B i C. El polímer D s'obté per reacció de l'àcid hexandioic ($\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_4-\text{COOH}$) i l'hexan-1,6-diamina ($\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2$). Expliqueu mitjançant quin tipus de reacció de polimerització s'obtenen els polímers A, B, C i D i justifiqueu la resposta. [1,25 punts]