IES Atenea (S.S. de los Reyes) 1 Departamento de Física y Química

PAU Química. Junio 2008 PRIMERA PARTE Cuestión 1.– Dados los elementos Na, C, Si y Ne: a) Escriba sus configuraciones electrónicas. b) ¿Cuántos electrones desapareados presenta cada uno en su estado fundamental? c) Ordénelos de menor a mayor primer potencial de ionización. Justifique la respuesta. d) Ordénelos de menor a mayor tamaño atómico. Justifique la respuesta. Solución: a) Na (sodio)  1s2 2s2 2p6 3s1 C (carbono)  1s2 2s2 2p2 Si (silicio)  1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Ne (neón)  1s2 2s2 2p6 b) Na (sodio)  1 electrón desapareado. C (carbono)  2 electrones desapareados en los orbitales 2p debido a la regla de Hund. Si (silicio)  2 electrones desapareados en los orbitales 2p debido a la regla de Hund. Ne (neón)  Ningún electrón desapareado. c) Primer potencial de ionización: Na < Si < C < Ne. En un periodo el primer potencial de ionización aumenta hacia la derecha porque el último electrón está cada vez más próximo al núcleo, más atraído y los elementos están cada vez más próximos a la estructura de gas noble y tienden a ganar electrones, no a perderlos. Por tanto: Na < Si y C < Ne. En un grupo disminuye hacia abajo porque el último electrón está cada vez más alejado, menos atraído, y la repulsión de los electrones más internos (efecto pantalla) es cada vez mayor. Por tanto Na < Si < C < Ne. d) Radios: Ne < C < Si < Na. En un grupo el radio aumenta con el número atómico (hacia abajo) porque aumentan las capas del átomo, y también porque los electrones más internos repelen al último electrón (efecto pantalla) haciendo que el átomo se expanda. Por lo tanto C < Si. En un periodo el radio disminuye con el número atómico (hacia la derecha) porque aumenta el número de protones en el núcleo y aumenta la fuerza de atracción sobre el último electrón, que entra siempre en la misma capa, con lo que el átomo se contrae. Por tanto Ne < C < Si < Na. Cuestión 2.– Considere la reacción química siguiente: 2Cl (g)  Cl2 (g) Conteste de forma razonada: a) ¿Qué signo tiene la variación de entalpia de dicha reacción? b) ¿Qué signo tiene la variación de entropía de esta reacción? c) ¿La reacción será espontánea a temperaturas altas o bajas? d) ¿Cuánto vale H de la reacción, si la energía de enlace C1–C1 es 243 kJ·mol–1?

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Solución: H < 0 porque corresponde a la formación de un enlace covalente entre dos átomos de cloro y se desprenderá energía. S < 0 porque disminuye el número de moles de gas en el proceso. H < 0 y –T·S > 0 luego para que G = H – T·S < 0 (sea espontánea) la temperatura debe ser baja. En la reacción se desprenderá la energía correspondiente al enlace Cl–Cl que se forma: H = –243 kJ·mol–1.

a) b) c) d)

Cuestión 3.– Considerando la reacción 2 SO2 (g) + O2 (g)  2 SO3 (g) razone si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. a) Un aumento de la presión conduce a una mayor producción de SO3. b) Una vez alcanzado el equilibrio, dejan de reaccionar las moléculas de SO2 y O2 entre sí. c) El valor de Kp es superior al de KC , a temperatura ambiente. d) La expresión de la constante de equilibrio en función de las presiones parciales es: Kp = p2(SO2)·p(O2)/p2(SO3) Dato. R = 0,082 atm.L.mol–1K–1 Solución: a) Verdadera. Según el Principio de Le Chatelier: “Si sobre un sistema en equilibrio se ejerce una acción exterior perturbadora, el equilibrio se desplaza en el sentido en que se contrarreste esta acción”. Si aumenta la presión, el equilibrio se desplaza hacia donde hay menor número de moles de gas, hacia la derecha (formación de SO3), ya que, como la presión es proporcional al número de moles de gas, así se conseguirá contrarrestar el aumento de presión. b) Falso. Alcanzado el equilibrio continúan tanto la reacción directa como la inversa, las dos a la misma velocidad. c) Falso. d) Falso, la expresión es la inversa de la propuesta:

Cuestión 4.– Se preparan disoluciones acuosas de igual concentración de HC1, NaCl, NH4Cl y NaOH. Conteste de forma razonada: a) ¿Qué disolución tendrá mayor pH? b) ¿Qué disolución tendrá menor pH? c) ¿Qué disolución es neutra? d) ¿Qué disolución no cambiará su pH al diluirla? Solución: HCl NaCl NH4Cl

+ + +

H2O H2O H2O

ClNa+ NH4+

+ + +

H3O+ ClCl-

;

disolución ácida, pH < 7 disolución neutra, pH = 7 NH4+ + H2O NH3

+

H3O+

IES Atenea (S.S. de los Reyes) 3 Departamento de Física y Química disolución ácida, pH < 7 NaOH + H2O

Na+

+

OH-

disolución básica, pH > 7

a) La de mayor pH será la de NaOH porque se desprenden OH b) El HCl es un ácido más fuerte que el NH4+ y dará una disolución más ácida. La de menor pH es la de HCl. c) Es neutra la de NaCl d) La única que no cambiará será la de NaCl porque es neutra a cualquier concentración. En las demás, al diluir, cambiará la concentración de H+ u OH- y el pH cambiará. Cuestión 5.– Complete las siguientes reacciones químicas, indique en cada caso de qué tipo de reacción se trata y nombre todos los reactivos que intervienen y los productos orgánicos resultantes: a) CH3–CH2–COOH + CH3OH  b) CH2=CH2 + Br2  c) CH3–CH2–OH + H2SO4 d) CH3–CH2Br + KOH  Solución: a) CH3–CH2–COOH + CH3OH  CH3–CH2–COO-CH3 + H2O ácido propanoico + metanol  propanoato de metilo Reacción de condensación (esterificación) b) CH2=CH2 + Br2  CH2Br-CH2Br eteno + bromo  1,2-dibromoetano Reacción de adición c) CH –CH –OH + H SO CH =CH + H O 3

2

2

4

2

2

2

etanol + ácido sulfúrico  eteno Reacción de eliminación d) Si el disolvente es muy polar como el agua se da una reacción de sustitución: CH3–CH2Br + KOH  CH3–CH2OH + KBr bromoetano + hidróxido de potasio  etanol Si el disolvente es poco polar como el etanol se da una reacción de eliminación: CH3–CH2Br + KOH  CH2=CH2 + KBr + H2O bromoetano + hidróxido de potasio  eteno SEGUNDA PARTE OPCIÓN A Problema 1.– Sea la reacción: CH3–CH=CH2 (g) + HBr (g)  Producto (g) a) Complete la reacción e indique el nombre de los reactivos y del producto mayoritario. b) Calcule H de la reacción. c) Calcule la temperatura a la que la reacción será espontánea. Datos: Sreacciónº = –114,5 J.mol–1.K–1; Hºf (CH3–CH=CH2) = 20,4 kJ.mol–1; Hºf (HBr)) = –36,4 kJ.mol–1; Hºf (producto mayoritario) = –95,6 kJ.mol–1

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Solución: a) CH3–CH=CH2 (g) + HBr (g)  CH3–CHBr-CH3 (g) propeno + bromuro de hidrógeno  2-bromopropano También se obtiene, en menor cantidad, el CH3–CH2-CH2Br, 1-bromopropano. b) HºR = -95,6 – 20,4 – (-36,4) = -79,6 kJ/mol c) GºR = HºR – T·SºR < 0 -79,6 – T·(-0,1145) < 0  T < 695 K Problema 2.– Las disoluciones acuosas de permanganato de potasio en medio ácido (ácido sulfúrico), oxidan al peróxido, de hidrógeno (agua oxigenada) formándose oxígeno, sulfato de manganeso (II), sulfato de potasio y agua. a) Formule y ajuste las semirreacciones iónicas de oxidación y reducción y la reacción molecular. b) Calcule los gramos de oxígeno que se liberan al añadir un exceso de permanganato a 200 mL de peróxido de hidrógeno 0,01 M. c) ¿Qué volumen ocuparía el O2 obtenido en el apartado anterior, medido a 21 °C y 720 mm Hg? Datos: R = 0,082 atm.L.mol–1K–1; masa atómica: O = 16; 1 atm = 760 mm Hg Solución: a)

SR de oxidación: H2O2 – 2 e-  O2 + 2 H+ (x5) SR de reducción: MnO4 - + 8 H+ + 5 e-  Mn2+ + 4 H2O (x2) 5 H2O2 + 2 KMnO4- + 3 H2SO4  5 O2 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O

b) c)

OPCIÓN B Problema 1.– El acetileno o etino (C2H2) se obtiene por reacción del carburo de calcio (CaC2) con agua. a) Formule y ajuste la reacción de obtención del acetileno, si se produce además hidróxido de calcio. b) Calcule la masa de acetileno formada a partir de 200 g de un carburo de calcio del 85 % de pureza. c) ¿Qué volumen de acetileno gaseoso se produce a 25 °C y 2 atm con los datos del apartado anterior? Datos: R = 0,082 atm.L.mol–1K–1; masas atómicas: Ca = 40, C = 12, H = 1 Solución: a) CaC2 + 2 H2O  HCCH + Ca(OH)2

IES Atenea (S.S. de los Reyes) 5 Departamento de Física y Química b)

c)

Problema 2.– Se tiene una disolución de ácido nítrico de pH = 2,30. a) Determine el número de moles de ion nitrato en disolución sabiendo que el volumen de la misma es de 250 mL. b) Calcule la masa de hidróxido de sodio necesaria para neutralizar 25 mL de la disolución anterior. c) Determine el pH de la disolución obtenida al añadir 25 mL de hidróxido de sodio 0,001 M a 25 mL de la primera disolución de ácido nítrico, suponiendo que los volúmenes son aditivos. Datos: Masas atómicas: Na = 23; O = 16; H = 1 Solución: a)

HNO3 + H2O

NO3- + H3O+ c0 c0

c0 = [NO3-] = [H3O+] = 10-2,3  n(NO3-) = 0,25·10-2,3 = 1,25·10-3 moles b) c) n(OH-) = 0,025·0,001 = 2,5·10-5 n(H+) = 0,025·10-2,3 = 1,253·10-4