Download Chemistry Problems: Equilibria, Redox Reactions, and Solubility and more Essays (university) Earth Sciences in PDF only on Docsity!
PAU 2017
Criteris de correcció Química
SÈRIE 1
L’alumne ha de respondre 5 preguntes. Obligatòriament ha de respondre la 1, 2 i 3 i escollir una entre la 4 i la 5, i escollir una entre la 6 i la 7.
Com a norma general, tingueu en compte que un error no s’ha de penalitzar dues vegades. Si una subpregunta necessita un resultat anterior, i aquest és erroni, cal valorar la resposta independentment del valor numèric, i tenir en compte el procediment de resolució (sempre que els valors emprats i/o els resultats no siguin absurds).
Un error en la formulació penalitza 0,5 punts en aquella subpregunta, com s’explicita en la pauta. En cap cas una subpregunta pot tenir una puntuació “negativa”.
Pregunta 1.a)
Reacció: 2 C 7 H 5 (NO 2 ) 3 (s) 7 C(s) + 7 CO(g) + 3 N 2 (g) + 5 H 2 O(g)
ΔHoreacció = ( np ΔHof, productes) – ( nr ΔHof, reactius) [0,2 p]
ΔHoreacció = [(7 x ΔHof, monòxid de carboni) + ( 5 x ΔHof, aigua)] – (2 x ΔHof, TNT)
ΔHoreacció= [(7 x (-110,3)) + (5 x (-241,6))] – (2 x (-364,1)
ΔHoreacció = -1251,9 kJ [0,3 p]
A pressió constant qp = ΔHoreacció [0,2 p] (on qp és la calor a pressió constant)
Massa molecular del TNT = (7x12)+(5x1)+(3x14)+(6x16)=227 g/mol
2,27 kg TNT x (1000 g TNT / 1 kg TNT) x (1 mol TNT / 227 g TNT) x x (-1251,9 kJ / 2 mol TNT) = - 6259,5 kJ
Calor produïda = 6259,5 kJ [0,3 p]
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 1.b)
a) El signe de la variació d’entropia serà positiva ja que el desordre en els productes és superior al dels reactius, degut al fet que el nombre de molècules de gas és major en els productes (15 molècules) que en els reactius (0 molècules).
molècules de gasos desordre S o^
S o(productes) > S o^ (reactius)
S o^ = S o(productes) – S o(reactius) > 0
S o^ > 0 [0,5 p]
Per determinar l’espontaneïtat d’una reacció, a p i T constant, es calcula la variació d’energia lliure ( G o):
G o^ = H o^ – T S o Si G o^ < 0 reacció espontània [0,2 p]
En la reacció del TNT tenim:
H o^ < 0 S o^ > 0
En l’equació G o^ = H o^ – T S o, el primer terme ( H o) és negatiu i el segon (-T S o ) és també negatiu, ja que la temperatura en Kelvin sempre és positiva. Per tant G o^ serà sempre negativa
Per a qualsevol temperatura, la reacció serà espontània [0,3 p]
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 2.b)
Formulació. Nitrat de coure(II): Cu(NO 3 ) 2 [penalització: -0,5 punts]
Les possibles reaccions (no igualades) en els vasos serien:
Vas 1: Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) o Zn(s) + Cu(NO 3 ) 2 (aq) Zn(NO 3 ) 2 (aq) + Cu(s)
Vas 2: Ag(s) + Cu2+(aq) Ag+(aq) + Cu(s) o Ag(s) + Cu(NO 3 ) 2 (aq) AgNO 3 (aq) + Cu(s)
Justificar si hi haurà reacció. Cal raonar si les reaccions són espontànies.
Raonament 1 :
Per saber si la reacció redox és espontània cal calcular la força electromotriu de la pila en què tingués lloc aquesta reacció en condicions estàndard ( E o). Tenim:
E o^ > 0 reacció redox espontània [0,4 p] (opcional: reacció espontània Δ G = - n F E o^ < 0)
Calculem el valor de E o.
El càtode és sempre el Cu2+/Cu – reducció– i l’ànode és el Zn2+/Zn (vas
- o el Ag+/Ag (vas 2) – oxidació–.
Vas 1: E o^ = E oCÀTODE - E oÀNODE = E^0 (Cu2+/Cu) - E^0 (Zn2+/Zn)
E o^ = (+0,34) – (–0,76) = +1,10 V > 0
E o^ > 0 Reacció espontània. Hi haurà reacció [0,2 p]
Vas 2: E o^ = E oCÀTODE - E oÀNODE = E^0 (Cu2+/Cu) - E^0 (Ag+/Ag)
E o^ = (+0,34) – (+0,80) = - 0,46 V < 0
E o^ <0 Reacció no espontània. No hi haurà reacció [0,2 p]
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Raonament 2:
També es pot raonar indicant que el potencial de reducció del parell que es redueix (Cu2+/Cu, càtode) hauria de ser més gran que el que s’oxida (Zn2+/Zn o Ag+/Ag, ànode) perquè la reacció sigui espontània. [0,4 p]
Tenim:
Vas 1: E^0 (Cu2+/Cu) > E^0 (Zn2+/Zn) o E^0 càtode > E^0 ànode
Reacció espontània. Hi haurà reacció [0,2 p]
Vas 2: E^0 (Cu2+/Cu) < E^0 (Ag+/Ag) o E^0 càtode < E^0 ànode
Reacció no espontània. No hi haurà reacció [0,2 p]
Igualació de la reacció que es produeix (vas 1):
Reacció igualada (vas 1):
Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) [0,2 p]
o també: Zn(s) + Cu(NO 3 ) 2 (aq) Zn(NO 3 ) 2 + Cu(s)
En la reacció igualada, no és necessari que indiquin els estats físics de reactius i productes per tenir la màxima puntuació (0,2 p).
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 3.b)
Cal emprar el model de l’estat de transició (o complex activat).
Explicació del concepte d’ energia d’activació [0,6 p]
Dins d’un mecanisme de reacció, en una etapa elemental per passar dels reactius als productes cal sempre passar per un estat anomenat estat de transició o complex activat , que té sempre més energia que reactius i productes. La diferència d’energia entre aquest estat de transició i els reactius s’anomena ‘energia d’activació’.
Justificació de l’etapa més lenta [0,4 p]
L’etapa més lenta és aquella en què cal més energia per passar dels reactius a l’estat de transició, és a dir, la que té una major energia d’activació.
L’etapa més lenta en la descomposició de l’ozó és l’etapa 1.
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 4.a)
Quan en una reacció química s’assoleix l’equilibri, les concentracions de reactius i productes es mantenen constants amb el temps. Segons el gràfic, les concentracions d’A, B i C en equilibri serien: [A] = 5 M [B] = 10 M [C] = 15 M [0,2 p]
Reacció: 2 A (g) ⇄ 2 B (g) + 3 C (g)
Constant d’equilibri Kc: Expressió de la constant: Kc = ([B]^2 x [C]^3 ) / ([A]^2 ) [0,2 p]
Kc = (10^2 x 15^3 ) / (5^2 ) Kc = 13500 [0,2 p]
Si expressen la Kc amb unitats es penalitzarà 0,1 p.
Constant d’equilibri Kp:
Procediment 1 per calcular la Kp
Kp = Kc (RT)Δn^ [0,2 p] R = 0,082 atm L K- T = 300 K Δn (diferència de coeficients estequiomètrics de gasos entre productes i reactius) Δn = (2+3)-(2)=
Kp = 13500 x (0,082 x 300)^3 Kp = 2,01 x 10^8 [0,2 p]
Si expressen la Kp amb unitats es penalitzarà 0,1 p.
Procediment 2 per calcular la Kp
Expressió de la constant: Kp= (pB^2 x pC^3 ) / (pA^2 ) [0,2 p]
Equació dels gasos en pressió parcial: pi V = ni R T pi = ni R T / V = Ci R T pA = 5 x 0,082 x 300 = 123 atm pB = 10 x 0,082 x 300 = 246 atm pC = 15 x 0,082 x 300 = 369 atm
Substituint les pressions en la Kp:
Kp = (246^2 x 369^3 ) / (123^2 ) Kp = 2,01 x 10^8 [0,2 p]
Si expressen la Kp amb unitats es penalitzarà 0,1 p.
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 5.a)
Energia d’enllaç C-Br = 276 kJ/mol
Primer, cal passar l’energia per mol a energia per enllaç:
(276 kJ / mol) x (1000 J / kJ) x (1 mol enllaç / 6,02 · 10^23 enllaç) = 4,585x10-19^ J / enllaç
[0,2 p]
A partir de l’equació de Planck, relacionarem l’energia de la radiació amb la freqüència:
E = h [0,2 p]
= E / h = 4,585·10-19^ / 6,63 · 10-
Freqüència: = 6,92·10^14 s-1^ (ó 6,92·10^14 Hz) [0,2 p]
Càlcul de la longitud d’ona:
λ = c / [0,2 p]
λ = 3,00 x 10^8 / 6,92 x 10^14
Longitud d’ona: λ = 4,34 x 10-7^ m [0,2 p]
Pregunta 5.b)
Un orbital atòmic , segons el model ondulatori de l’àtom, és una funció d’ona que ens descriu una regió de l’espai on hi ha una alta probabilitat de trobar un electró en un determinat estat energètic, fixats els nombres quàntics n, l i m. [0,4 p]
El nombre atòmic de l’àtom de brom és: Z= 35 el brom té 35 electrons Configuració electrònica del brom: 1s^2 , 2s^2 , 2p^6 , 3s^2 , 3p^6 , 4s^2 , 3d^10 , 4p^5 [0,2 p]
L’electró més extern de l’àtom de brom es troba en l’orbital 4p. Els seus nombres quàntics són: n= 4 l= 1 m= -1, 0, o +1 (qualsevol d’ells) s= 1/2 o -1/2 (qualsevol d’ells)
[0,1 p per cada nombre quàntic. Total: 0,4 p]
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 6.a)
Reacció de valoració: Cl−(aq) + AgNO 3 (aq) AgCl(s) + NO 3 −(aq)
A partir de la reacció igualada (estequiometria 1 a 1): AgNO 3 V = 23,5 mL = 0,0235 L (0,0235 L) x (0,265 mol / L) = 0,0062275 mol de AgNO 3 gastats
mol de AgNO 3 gastats = mol inicials de Cl- 0,0062275 mol de Cl-^ [0,4p]
Transformem els mols de Cl-^ en g de NaCl:
0,0062275 mol Cl-^ x (1 mol NaCl / 1 mol Cl-) x (58,5 g NaCl/ 1 mol NaCl)= = 0,3643 g NaCl [0,2 p]
Ho transformem en concentració: Volum de solució valorada = 20,0 mL = 0,0200 L
Concentració de NaCl = (0,3643 g) / (0,0200 L) = 18,2 g/L
Salinitat (concentració de NaCl) = 18,2 g/L [0,4 p]
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 7.a)
Concentració de la solució aquosa de HCOOH formada en el nostre cos:
massa molecular HCOOH = 1+12+(2x16)+1 = 46 g/mol mols de HCOOH:
0,003 mL HCCOH x (1,20 g HCOOH / 1 mL HCOOH) x (1 mol HCOOH / 46 g HCOOH)= = 7,826 x 10-5^ mol HCOOH [0,1 p]
volum de la solució: podem negligir els 0,003 mL en front del 1,0 mL volum de la solució = 1,0 mL = 1,0 x 10-3^ L
Es correcte si el volum total consideren que és la suma dels 0,003 mL més el 1,0 mL (V = 1,003 mL = 1,003x10-3^ L).
CHCOOH = 7,826x10-5^ mol HCOOH / 1,0x10-3^ L CHCOOH = 7,83 x 10-2^ M [0,1 p]
Si han agafat el volum total 1,003 mL, la concentració de HCOOH té un valor de 7,80x10-2^ M.
Càlcul del pH:
Reacció de HCOOH en aigua (volum 1 litre) HCOOH + H 2 O HCOO-^ + H 3 O+ mols inicial 0, mols equilibri 0,0783 – x x x [0,2 p]
Ka = [HCOO–] · [H 3 O+] / [HCOOH] [0,2 p]
1,8 x 10-4^ = [(x) · (x)] / [0,0783– x] 1,8 · 10-4^ = x^2 / (0,0783 – x)
Si considerem: 0,0783 – x ≈ 0,0783 1,8 x 10-4^ = x^2 / (0,0783) x = (1,8 x 10-4^ x 0,0783)1/2^ = 0,003754 mols [H 3 O+] = x = 0,003754 mol / 1 L = 0,003754 M [0,2 p]
pH = - log [H 3 O+] pH = - log 0,003754 pH = 2,4 [0,2 p]
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 7.b)
Reacció de neutralització: [0,5 p]
HCOOH + NaHCO 3 → HCOONa + H 2 CO 3
o també: HCOOH + NaHCO 3 → HCOO-^ + Na+^ + H 2 CO 3
Càlcul de la massa de NaHCO 3 necessària per neutralitzar: [0,5 p]
Massa molecular NaHCO 3 = 23 + 1 + 12 + (16x3) = 84 g/mol
0,003 mL HCCOH x (1,20 g HCOOH / 1 mL HCOOH) x (1 mol HCOOH / 46 g HCOOH) x x (1 mol NaHCO 3 / 1 mol HCOOH) x (84 g NaHCO 3 / 1 mol NaHCO 3 )= 6,57x10-3^ g NaHCO 3
Es necessiten 6,57x10-3^ g NaHCO 3 per neutralitzar l’àcid fòrmic que conté la picada.
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 1
a) Equilibri de solubilitat: Mg(OH) 2 (s) ⇄ Mg2+(aq) + 2 OH^ (aq) (0,3 punts) s 2 s [OH] = 2 s ⇒ s = [OH] / 2 (0,2 punts)
pH = − log [H 3 O+] ⇒ [H 3 O+] = 10pH; Però també: [H 3 O+] = Kw / [OH] ⇒ [OH] = Kw 10 pH (0,2 punts) En conseqüència: s = ½ Kw 10 pH^ = (½) (1,0 x 10^14 ) (1011,4) = 1,2559 x 10^3 mol/L s = (1,2559 x 10^3 mol/L) (58,3 g/mol) (1000 mg/1 g) = 73,221489948 mg/L s = 73,2 mg/L (0,3 punts)
b) Mg(OH) 2 (s) ⇄ Mg2+(aq) + 2 OH^ (aq) Equilibri de solubilitat MgCl 2 (aq) → Mg2+^ (aq) + 2 Cl^ (aq) Dissociació de la sal
La solubilitat disminueix per efecte de l’ió comú.
Com que la sal subministra ions Mg2+, la concentració d’ions Mg2+^ augmenta. Segons el principi de Le Châtelier, aquesta concentració ha de disminuir i, per tant, l’equilibri de solubilitat s’ha de desplaçar cap a l’esquerra, amb la qual cosa augmenta la quantitat de precipitat ⇒ la solubilitat disminueix. (0,5 punts)
Mg(OH) 2 (s) ⇄ Mg2+(aq) + 2 OH^ (aq) Equilibri de solubilitat HCl(aq) + H 2 O (l) → H 3 O+(aq) + Cl-^ Dissociació de l’àcid fort
Els ions H 3 O+^ que provenen de l’àcid fort reaccionen amb els ions OH-^ que provenen de l’equilibri de solubilitat i es forma aigua.
H 3 O+^ (aq) + OH^ (aq) → 2 H 2 O(l) (0,2 punts)
Llavors, la concentració de OH-^ disminueix. Segons el principi de Le Châtelier, aquesta concentració ha d’augmentar. Això s’aconsegueix fent que l’equilibri de solubilitat es desplaci cap a la dreta, amb la qual cosa se solubilitza precipitat ⇒ la solubilitat augmenta. (0,3 punts)
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 2
a)
Mg2+^ (l) + 2 e^ → Mg (l) Semireacció de reducció. Càtode (pol ) 2 Cl^ (l) → Cl 2 (g) + 2 e^ Semireacció d’oxidació. Ànode (pol +)
Mg2+^ (l) + 2 Cl-^ (l) → Mg (l) + Cl 2 (g) Reacció iònica global
Semireaccions: (0,4 punts) Reacció iònica global: (0,2 punts) Nom elèctrodes: (0,2 punts) Polaritat: (0,2 punts)
b) Quantitat d’electricitat: Q = I · t = (200 A) (18 x 3600 s) = 1,296 x 10^7 C (0,2 punts)
(1,296 x 10^7 C) (1 mol e^ / 96500 C) (1 mol Mg / 2 mol e) (24,3 g Mg / 1 mol Mg) = 1631, g Mg m = 1632 g Mg (0,8 punts)
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 4 a) C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2 (g) → 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O (l) a 25ºC (0,2 punts)
Càlcul de la variació d’entalpia (H): H = ( i · Hf i) (^) productes (R · H (^) f i) (^) reactius (0,1 punts) H = 2 · Hf (CO 2 (g)) + 3 · Hf (H 2 O(l)) Hf (C 2 H 5 OH(l)) + 3 · Hf (O 2 (g)) H = 2 · (393,5) + 3 · (285,8,5) (277,6) + 3 · 0
H = 787 857,4 + 277,6 = 1366,8 kJ/mol etanol H = 1366,8 kJ/mol (0,3 punts)
Càlcul de la variació d’energia interna (E): H = E + P V = E + R T Variació del nombre de mols de gas entre productes i reactius: = 2 3 = 1 (0,2 punts)
E = H n R T = – 1366,8 x 10^3 (1) (8,31) (298) = – 1364323,6 J/mol etanol
E = – 1364,3 kJ/mol (0,2 punts)
b ) P = constant. Qp = H (0,2 punts)
Etanol : V=1 L = 1000 cm^3 n = (1000 cm^3 ) (790 g/cm^3 ) / (46 g/mol) = 17,17391304 mol (0,2 punts) Qp = (17,17391304 mol etanol) (1366,8 kJ/mol etanol) = 23473,30435 kJ Qp = 23473,3 kJ (0,3 punts)
Entropia: En els productes hi ha menys mols de gas i més mols de líquid que en els reactius. En passar de reactius a productes hi ha menys desordre, per tant, hi haurà una disminució de l’entropia. S° < 0 (0,3 punts)
PAU 2017
Criteris de correcció Química
Pregunta 5
a) 2 SO 2 (g) + O 2 (g) ⇄ 2 SO 3 (g) 2 mol 1 mol 2 mol
Càlcul de la Qc: Qc = [SO 3 ]o^2 / ([O 2 ]o [SO 2 ]o^2 ) Qc = (2/10)^2 /((2/10)^2 (1/10)) = 10 (0,4 punts)
Càlcula de la Kc: Kp = Kc (RT)∆n^ Kc = Kp / (RT)∆n ∆n = n(gasos productes) - n(gasos reactius) = (2) – (2+1) = -
Kc = 2,5 10^10 / (0,082 x 500)- Kc = 1,025 x 10^12 (0,2 punts) Comparació Qc i Kc: Qc = 10 < i Kc = 1,025 x 10^12
Qc < Kc
No es troba a l’equilibri, i evoluciona cap a la formació de producte per igualar la Qc amb la Kc (0,4 punts) També es podria argumentar a partir de QP < KP.
b) Disminució de la temperatura. Com que la reacció és exotèrmica, una disminució de la temperatura fa desplaçar l’equilibri cap a la formació de producte.
2 SO 2 (g) + 3 O 2 (g) ⇄ 2 SO 3 (g) + “Q”
↓ T ⇒ ↓ Q. Segons Le Châtelier: ↑ Q ⇒ → formació de producte. (0,3 punts)
D’altra banda, Kp augmenta en disminuir T ja que la reacció és exotèrmica. S’ha de recordar que la constant d’equilibri només depèn de T. (0,2 punts)
Disminució de la pressió.
Segons Le Châtelier: ↑ P ⇒ es desplaça cap a on hi ha més mols de gas ⇒ formació de reactius. (0,3 punts)
La Kp no varia amb la pressió ja que només depèn de la temperatura. (0,2 punts)
