Examen de Química Selectividad Cataluña 2025 · Setembre Serie 3

Exercici 1

Una font important de contaminació atmosfèrica causada pel trànsit a les ciutats és la formació d'òxids de nitrogen. El monòxid de nitrogen s'origina per la combustió del nitrogen de l'aire a elevades temperatures en els motors dels vehicles. Es produeix mitjançant la reacció següent:

$$\mathrm{N_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2\,NO(g)}$$

La constant d'equilibri en concentracions ($K_c$) d'aquesta reacció és $1,0 \times 10^{-30}$ a $298\text{ K}$, però a una temperatura de $1100\text{ K}$ és $1,0 \times 10^{-5}$.

a)

Si aquesta reacció es duu a terme dins un recipient tancat que té un volum fix de $500\text{ cm}^3$, a $1100\text{ K}$, i en el qual s'han introduït $0,5\text{ mol}$ de nitrogen i $0,5\text{ mol}$ d'oxigen, quines seran les concentracions dels tres gasos una vegada assolit l'equilibri? [1,25 punts]

b)

Justifiqueu si la reacció és endotèrmica o exotèrmica i raoneu si el rendiment de la reacció és més gran a temperatures altes o baixes. Raoneu com afecta a l'equilibri i al rendiment de la reacció un augment de la pressió a temperatura constant dins el recipient. Calculeu la constant d'equilibri $K_p$ a $1100\text{ K}$. [1,25 punts]

DADES:

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

La determinació de propietats atòmiques i la modelització de les estructures formades per interacció entre àtoms han estat essencials en la construcció del coneixement de la química. El desenvolupament de noves substàncies i materials i l'anàlisi estructural continuen sent focus d'atenció en projectes de recerca i innovació.

L'enllaç covalent i l'enllaç iònic són models molt útils per a interpretar les propietats de les substàncies, però els enllaços reals tenen un percentatge d'enllaç covalent i iònic que es basa sobretot en la diferència d'electronegativitat. En general, si la diferència d'electronegativitat entre els àtoms és superior a 1,7, l'enllaç tindrà més d'un 50 % de caràcter iònic, mentre que si és inferior a 1,7, el percentatge de caràcter iònic serà de menys del 50 %.

Dades

Àtom · Nombre atòmic (Z) · Electronegativitat

H · 1 · 2,1

Li · 3 · 1,0

Be · 4 · 1,5

O · 8 · 3,5

Cl · 17 · 3,0

a)

Expliqueu a quin tipus d'enllaç corresponen aquestes imatges (A i B) i justifiqueu la geometria o estructura d'aquests compostos i quin tipus d'enllaç hi predomina, utilitzant les dades d'electronegativitat de la taula adjunta. Representeu les estructures de Lewis del BeCl₂ i del H₂O. Justifiqueu, mitjançant la teoria de repulsió dels parells d'electrons de la capa de valència (RPECV), les geometries de les molècules de clorur de beril·li (imatge A) i de l'aigua, i raoneu si es tracta de molècules polars o apolars. [1,25 punts]

b)

Els valors de les primeres energies d'ionització del liti i del beril·li són, respectivament, 520,3 i 899,5 kJ mol⁻¹. Raoneu per què les energies d'ionització tenen signe positiu. Indiqueu a quin grup i període pertany cadascun dels elements. Expliqueu, a partir de la seva configuració electrònica i el model atòmic de càrregues elèctriques, per què és més gran l'energia d'ionització del beril·li que la del liti. [1,25 punts]

Exercici 3

L'àcid metanoic ($\mathrm{HCOOH}$), anomenat habitualment àcid fòrmic, és un àcid carboxílic monopròtic d'un sol àtom de carboni i té una constant d'acidesa ($K_\mathrm{a}$) a $25\ ^\circ\mathrm{C}$ d'$1{,}77\times 10^{-4}$. Va ser aïllat i identificat per primera vegada en la destil·lació aquosa de formigues vermelles. Es troba present en el mecanisme de defensa de diversos insectes i plantes.

a)

Calculeu el $\mathrm{pH}$ d'una solució $0{,}20\ \mathrm{M}$ d'àcid metanoic i escriviu la reacció de valoració de l'àcid metanoic amb hidròxid de sodi. Calculeu també el volum de solució d'hidròxid de sodi $0{,}15\ \mathrm{M}$ que serà necessari per a valorar $25\ \mathrm{mL}$ de la solució de l'àcid metanoic. [1,25 punts]

b)

Raoneu qualitativament si el $\mathrm{pH}$ en el punt d'equivalència de la valoració anterior serà àcid, bàsic o neutre, i digueu quin dels indicadors de la taula de sota es pot utilitzar per a detectar el punt final d'aquesta valoració. Justifiqueu la resposta. Expliqueu com duríeu a terme en el laboratori aquest procediment, i indiqueu quin material i quines substàncies utilitzaríeu. [1,25 punts]

Indicador · Interval del $\mathrm{pH}$ · Canvi de color

Àcid · Alcalí

Verd de bromocresol · 3,8-5,4 · groc · verd blavós

Blau de bromotimol · 6,0-7,6 · groc · blau

Fenolftaleïna · 8,0-9,5 · incolor · fúcsia

L’etanol i l’èter dimetílic, o dimetil èter, són dos compostos orgànics amb la mateixa fórmula molecular ($\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$), però amb estructures i propietats químiques molt diferents.

L’etanol és un alcohol amb un grup funcional hidroxil que li confereix una polaritat significativa i la capacitat de formar enllaços d’hidrogen amb altres molècules. És conegut per ser l’alcohol que es troba en les begudes alcohòliques, però també té usos com a antisèptic i dissolvent, i en la producció de biocombustible.

L’èter dimetílic, en canvi, pertany a la família dels èters. Aquest compost és menys polar que l’etanol i no pot formar enllaços d’hidrogen entre les seves pròpies molècules. S’utilitza sobretot com a propel·lent en esprais i com a possible substitut del dièsel en alguns motors. L’entalpia de combustió d’1 mol d’èter dimetílic és de $-1\text{ }292\text{ kJ}\text{ mol}^{-1}$.

En resum, l’etanol i l’èter dimetílic són exemples excel·lents de com compostos amb la mateixa fórmula molecular poden presentar propietats molt diferents a causa dels seus grups funcionals i estructures. Aquesta distinció fa que les seves aplicacions, comportament químic i consideracions de seguretat també siguin únics per a cadascun d’ells.

L’espectrometria d’infraroig (IR) és la tècnica ideal per a identificar ràpidament els tipus de grups funcionals presents en un determinat compost orgànic. Per tant, és una eina que permet distingir aquestes dues substàncies.

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

Enllaç · C—C · C—H · C—O · O—H · O=O · C=O

Entalpia d’enllaç a $25\text{ }^\text{o}\text{C}$ i $1\text{ atm}$ ($\text{kJ}\text{ mol}^{-1}$) · 348 · 412 · 358 · 463 · 498 · 799

Dades espectroscòpiques a la regió de l’infraroig

Enllaç · Interval del nombre d’ona ($\text{cm}^{-1}$)

O—H · 3 550 - 3 200

C—H · 3 000 - 2 850

C=O · 1 750 - 1 650

C=C · 1 650 - 1 500

C—O—C (èter) · 1 300 - 1 000

C—O (alcohol) · 1 260 - 1 000

Substància · $\text{CH}_3\text{OCH}_3(\text{g})$ · $\text{CO}_2(\text{g})$ · $\text{O}_2(\text{g})$ · $\text{H}_2\text{O}(\text{g})$

Entropia estàndard absoluta a $298\text{ K}$

$S^\text{o}\text{ }(\text{J}\text{ mol}^{-1}\text{ K}^{-1})$ · 267,34 · 213,6 · 205,0 · 188,8

a)

Calculeu l'entalpia de combustió d'1 mol d'etanol utilitzant les energies d'enllaç. Raoneu, després de fer els càlculs adients, quin dels dos combustibles (etanol o èter dimetílic) resulta més eficient des del punt de vista energètic per unitat de massa, en condicions estàndard a 25 °C. [1,25 punts]

L’etanol i l’èter dimetílic, o dimetil èter, són dos compostos orgànics amb la mateixa fórmula molecular ($\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$), però amb estructures i propietats químiques molt diferents.

L’etanol és un alcohol amb un grup funcional hidroxil que li confereix una polaritat significativa i la capacitat de formar enllaços d’hidrogen amb altres molècules. És conegut per ser l’alcohol que es troba en les begudes alcohòliques, però també té usos com a antisèptic i dissolvent, i en la producció de biocombustible.

L’èter dimetílic, en canvi, pertany a la família dels èters. Aquest compost és menys polar que l’etanol i no pot formar enllaços d’hidrogen entre les seves pròpies molècules. S’utilitza sobretot com a propel·lent en esprais i com a possible substitut del dièsel en alguns motors. L’entalpia de combustió d’1 mol d’èter dimetílic és de $-1\text{ }292\text{ kJ}\text{ mol}^{-1}$.

En resum, l’etanol i l’èter dimetílic són exemples excel·lents de com compostos amb la mateixa fórmula molecular poden presentar propietats molt diferents a causa dels seus grups funcionals i estructures. Aquesta distinció fa que les seves aplicacions, comportament químic i consideracions de seguretat també siguin únics per a cadascun d’ells.

L’espectrometria d’infraroig (IR) és la tècnica ideal per a identificar ràpidament els tipus de grups funcionals presents en un determinat compost orgànic. Per tant, és una eina que permet distingir aquestes dues substàncies.

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

Enllaç · C—C · C—H · C—O · O—H · O=O · C=O

Entalpia d’enllaç a $25\text{ }^\text{o}\text{C}$ i $1\text{ atm}$ ($\text{kJ}\text{ mol}^{-1}$) · 348 · 412 · 358 · 463 · 498 · 799

Dades espectroscòpiques a la regió de l’infraroig

Enllaç · Interval del nombre d’ona ($\text{cm}^{-1}$)

O—H · 3 550 - 3 200

C—H · 3 000 - 2 850

C=O · 1 750 - 1 650

C=C · 1 650 - 1 500

C—O—C (èter) · 1 300 - 1 000

C—O (alcohol) · 1 260 - 1 000

Substància · $\text{CH}_3\text{OCH}_3(\text{g})$ · $\text{CO}_2(\text{g})$ · $\text{O}_2(\text{g})$ · $\text{H}_2\text{O}(\text{g})$

Entropia estàndard absoluta a $298\text{ K}$

$S^\text{o}\text{ }(\text{J}\text{ mol}^{-1}\text{ K}^{-1})$ · 267,34 · 213,6 · 205,0 · 188,8

b)

Raoneu si l'etanol i l'èter dimetílic presenten algun tipus d'isomeria. Si és el cas, justifiqueu quins tipus d'isòmers són. Expliqueu de quina manera la seva estructura afecta la seva temperatura d'ebullició, i raoneu quin dels dos compostos tindrà la temperatura d'ebullició més elevada. [1,25 punts]

L’etanol i l’èter dimetílic, o dimetil èter, són dos compostos orgànics amb la mateixa fórmula molecular ($\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$), però amb estructures i propietats químiques molt diferents.

L’etanol és un alcohol amb un grup funcional hidroxil que li confereix una polaritat significativa i la capacitat de formar enllaços d’hidrogen amb altres molècules. És conegut per ser l’alcohol que es troba en les begudes alcohòliques, però també té usos com a antisèptic i dissolvent, i en la producció de biocombustible.

L’èter dimetílic, en canvi, pertany a la família dels èters. Aquest compost és menys polar que l’etanol i no pot formar enllaços d’hidrogen entre les seves pròpies molècules. S’utilitza sobretot com a propel·lent en esprais i com a possible substitut del dièsel en alguns motors. L’entalpia de combustió d’1 mol d’èter dimetílic és de $-1\text{ }292\text{ kJ}\text{ mol}^{-1}$.

En resum, l’etanol i l’èter dimetílic són exemples excel·lents de com compostos amb la mateixa fórmula molecular poden presentar propietats molt diferents a causa dels seus grups funcionals i estructures. Aquesta distinció fa que les seves aplicacions, comportament químic i consideracions de seguretat també siguin únics per a cadascun d’ells.

L’espectrometria d’infraroig (IR) és la tècnica ideal per a identificar ràpidament els tipus de grups funcionals presents en un determinat compost orgànic. Per tant, és una eina que permet distingir aquestes dues substàncies.

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

Enllaç · C—C · C—H · C—O · O—H · O=O · C=O

Entalpia d’enllaç a $25\text{ }^\text{o}\text{C}$ i $1\text{ atm}$ ($\text{kJ}\text{ mol}^{-1}$) · 348 · 412 · 358 · 463 · 498 · 799

Dades espectroscòpiques a la regió de l’infraroig

Enllaç · Interval del nombre d’ona ($\text{cm}^{-1}$)

O—H · 3 550 - 3 200

C—H · 3 000 - 2 850

C=O · 1 750 - 1 650

C=C · 1 650 - 1 500

C—O—C (èter) · 1 300 - 1 000

C—O (alcohol) · 1 260 - 1 000

Substància · $\text{CH}_3\text{OCH}_3(\text{g})$ · $\text{CO}_2(\text{g})$ · $\text{O}_2(\text{g})$ · $\text{H}_2\text{O}(\text{g})$

Entropia estàndard absoluta a $298\text{ K}$

$S^\text{o}\text{ }(\text{J}\text{ mol}^{-1}\text{ K}^{-1})$ · 267,34 · 213,6 · 205,0 · 188,8

c)

L'espectre d'IR de la pàgina següent correspon a una de les dues substàncies (etanol o èter dimetílic). Indiqueu quins són els enllaços característics de cada substància. Raoneu quin o quins senyals de l'espectre serien comuns en les dues substàncies, i quin o quins senyals us permeten identificar la substància de la qual es tracta. [1,25 punts]

L’etanol i l’èter dimetílic, o dimetil èter, són dos compostos orgànics amb la mateixa fórmula molecular ($\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$), però amb estructures i propietats químiques molt diferents.

L’etanol és un alcohol amb un grup funcional hidroxil que li confereix una polaritat significativa i la capacitat de formar enllaços d’hidrogen amb altres molècules. És conegut per ser l’alcohol que es troba en les begudes alcohòliques, però també té usos com a antisèptic i dissolvent, i en la producció de biocombustible.

L’èter dimetílic, en canvi, pertany a la família dels èters. Aquest compost és menys polar que l’etanol i no pot formar enllaços d’hidrogen entre les seves pròpies molècules. S’utilitza sobretot com a propel·lent en esprais i com a possible substitut del dièsel en alguns motors. L’entalpia de combustió d’1 mol d’èter dimetílic és de $-1\text{ }292\text{ kJ}\text{ mol}^{-1}$.

En resum, l’etanol i l’èter dimetílic són exemples excel·lents de com compostos amb la mateixa fórmula molecular poden presentar propietats molt diferents a causa dels seus grups funcionals i estructures. Aquesta distinció fa que les seves aplicacions, comportament químic i consideracions de seguretat també siguin únics per a cadascun d’ells.

L’espectrometria d’infraroig (IR) és la tècnica ideal per a identificar ràpidament els tipus de grups funcionals presents en un determinat compost orgànic. Per tant, és una eina que permet distingir aquestes dues substàncies.

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

Enllaç · C—C · C—H · C—O · O—H · O=O · C=O

Entalpia d’enllaç a $25\text{ }^\text{o}\text{C}$ i $1\text{ atm}$ ($\text{kJ}\text{ mol}^{-1}$) · 348 · 412 · 358 · 463 · 498 · 799

Dades espectroscòpiques a la regió de l’infraroig

Enllaç · Interval del nombre d’ona ($\text{cm}^{-1}$)

O—H · 3 550 - 3 200

C—H · 3 000 - 2 850

C=O · 1 750 - 1 650

C=C · 1 650 - 1 500

C—O—C (èter) · 1 300 - 1 000

C—O (alcohol) · 1 260 - 1 000

Substància · $\text{CH}_3\text{OCH}_3(\text{g})$ · $\text{CO}_2(\text{g})$ · $\text{O}_2(\text{g})$ · $\text{H}_2\text{O}(\text{g})$

Entropia estàndard absoluta a $298\text{ K}$

$S^\text{o}\text{ }(\text{J}\text{ mol}^{-1}\text{ K}^{-1})$ · 267,34 · 213,6 · 205,0 · 188,8

d)

Calculeu, a partir de les dades necessàries, si la reacció de combustió d'1 mol d'èter dimetílic serà espontània en condicions estàndard a 25 °C. Justifiqueu la resposta. [1,25 punts]

Sí

No