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Química · Cataluña 2024

7 ejercicios90 min de duración

2,5 puntos

El ácido láctico (

\ce{CH3-CH(OH)-COOH}

) o ácido 2-hidroxipropanoico es un sólido de color blanco. Se trata de un ácido orgánico monoprótico que se encuentra en la leche y en los productos lácteos. Su constante de acidez a

25^\circ\text{C}

K_a = 1{,}38 \times 10^{-4}

a)1,25 pts

Escribid las reacciones del ácido láctico con el agua y del ion lactato con agua. Indicad, para cada reacción, según la teoría de Brønsted y Lowry, qué especies actúan de ácido y base, y cuáles son los respectivos ácidos y bases conjugados. Razonad si el pH de una solución de lactato de sodio es ácido, básico o neutro, y cómo podríamos distinguir esta solución de una solución de ácido láctico mediante un papel indicador universal.

Cambio de color de un papel indicador universal en función del pH
Color	Rojo	Amarillo	Verde	Azul	Azul muy oscuro
Intervalo del pH	0-3	4-5	6-7	8-10	11-14

b)1,25 pts

Una solución acuosa de ácido láctico tiene un

\text{pH} = 2{,}8

. Calculad cuál es su concentración y cuántos gramos de ácido láctico se necesitarían para preparar en el laboratorio

1{,}0\,\text{L}

de solución. Determinad cuál es el material de vidrio que es imprescindible utilizar para preparar una solución de concentración exactamente conocida. Justificad la respuesta.

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2,5 puntos

El nombre del helio proviene del griego helios, que significa 'Sol', ya que este elemento fue detectado primero en el Sol que en la Tierra. En el año 1868 el astrónomo francés Jules Janssen observó, durante un eclipse solar, una línea espectral a

587{,}49\,\text{nm}

de un elemento desconocido hasta entonces en la Tierra. En la tabla siguiente se muestran los datos de los valores de energía simplificados de los orbitales del átomo de helio.

Orbital	Energía (eV)
3d	23,20
3p	23,04
3s	22,81
2p	21,08
2s	20,20
1s	0

a)1,25 pts

Calculad a qué transición electrónica desde el orbital 3d corresponde la línea espectral observada por Janssen. ¿Qué frecuencia debería tener una radiación para excitar un electrón de helio desde el estado fundamental hasta el orbital 3s?

b)1,25 pts

¿Cuáles son y cómo se enuncian las bases fundamentales del modelo atómico mecanocuántico actual? Explicad qué es un orbital atómico según el modelo mecanocuántico. Decid cuáles son los números cuánticos de los electrones de valencia de un átomo de helio y de un átomo de neón.

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2,5 puntos

La cal viva es el óxido de calcio que se obtiene de la calcinación de rocas calizas. La cal apagada es hidróxido de calcio que se produce por hidratación del óxido de calcio en un proceso exotérmico. Ambas sustancias tienen múltiples aplicaciones en diversos ámbitos, pero sobre todo se utilizan en la construcción para obtener mortero y yeso.

\ce{CaO(s) + H2O(l) -> Ca(OH)2(s)}

a)1,25 pts

Calculad el calor que se desprende en la reacción de hidratación de la cal viva. Justificad que la reacción es exotérmica. ¿Qué cantidad de calor se liberará a presión constante en el proceso de hidratación de una tonelada (

1000\,\text{kg}

) de cal viva?

Sustancia	CaO(s)	H2O(l)	Ca(OH)2(s)
Entalpía estándar de formación a 298 K $Δ H f \circ$ (kJ mol-1)	-634,9	-285,5	-985,6

b)1,25 pts

El gráfico siguiente representa la variación con la temperatura de la energía de Gibbs de una determinada reacción. Considerando que la variación de entalpía y de entropía de la reacción son constantes en todo el intervalo de temperaturas del gráfico, y considerando la reacción en condiciones estándar, razonad a qué temperatura la reacción se encontrará en condiciones de equilibrio. Determinad el valor de la variación de entalpía estándar de la reacción, indicad si será endotérmica o exotérmica y justificad la respuesta. Razonad a partir de qué temperatura la reacción será espontánea.

Gráfico de la variación de la energía de Gibbs estándar (ΔG°) en kJ/mol frente a la temperatura (T) en Kelvin, mostrando una línea recta que cruza el eje de abscisas a 350 K.

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2,5 puntos

El tetraóxido de dinitrógeno (

\ce{N2O4}

) es un oxidante muy tóxico y corrosivo. Se utiliza como propelente de cohetes y también es un poderoso reactivo utilizado en síntesis químicas. Forma parte, junto con otros óxidos de nitrógeno, de la polución de las grandes ciudades a causa de la combustión en los motores de explosión. El tetraóxido de dinitrógeno se transforma en dióxido de nitrógeno (

\ce{NO2}

) a

373\,\text{K}

según la reacción siguiente:

\ce{N2O4(g) <=> 2NO2(g)}

Imagen de tráfico denso en una autopista con camiones y coches bajo un ambiente brumoso.

a)1,25 pts

Un matraz de

2{,}0\,\text{L}

373\,\text{K}

contiene una mezcla en equilibrio formada por

0{,}20\,\text{mol}

\ce{N2O4}

0{,}29\,\text{mol}

\ce{NO2}

. Calculad la constante de equilibrio en concentraciones (

K_c

) y la constante de equilibrio en presiones (

K_p

) a esta temperatura.

b)1,25 pts

\ce{N2O4}

es un gas incoloro y el

\ce{NO2}

es un gas marrón y más tóxico. En verano, en ciudades contaminadas, y especialmente si no hay viento, el ambiente tiene un color más marronáceo que en invierno. En estos casos, ¿qué compuesto de nitrógeno es el que predomina en el aire en verano? ¿Cómo afecta al equilibrio un aumento de la temperatura? Justificad las respuestas. Razonad si la reacción de disociación del

\ce{N2O4}

es endotérmica o exotérmica y explicad si los cambios de presión afectan al equilibrio y, en caso de que lo afecten, explicad cómo. Considerad que la temperatura se mantiene constante.

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2,5 puntos

La tabla periódica ordena los elementos químicos por grupos (columnas) y periodos (filas). Al estudiar las diferentes propiedades físicas vemos que los elementos de un mismo grupo tienen propiedades parecidas. Conocer estas propiedades es esencial para poder evaluar su comportamiento químico.

a)1,25 pts

Escribid la estructura de Lewis de las moléculas de agua, dióxido de carbono y amoníaco. ¿Qué nos explica la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia (RPECV)? Justificad la geometría de estas tres moléculas según esta teoría.

b)1,25 pts

Explicad la diferencia entre una molécula polar y una apolar. ¿Cuáles de las tres moléculas del apartado anterior son polares? Justificad la respuesta y describid los factores que afectan a la polaridad de cada una de las tres moléculas. Razonad la causa de las diferencias en los puntos de ebullición de los hidruros del grupo del oxígeno (grupo 16).

Hidruros del grupo del oxígeno	$H X_{2} O$	$H X_{2} S$	$H X_{2} S e$	$H X_{2} T e$
Puntos de ebullición (°C)	100,0	-60,1	-42,0	-1,8

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2,5 puntos

A menudo encontramos el agua oxigenada (

\ce{H2O2}

), también llamada peróxido de hidrógeno, en los botiquines, ya que se utiliza como desinfectante de las heridas. Si dejamos una botella de agua oxigenada abierta, el peróxido de hidrógeno se descompone de manera espontánea en agua y oxígeno mediante la reacción química siguiente:

\ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)} \quad \Delta H^\circ < 0

Podemos investigar experimentalmente la cinética de esta reacción midiendo la cantidad de oxígeno gaseoso que se produce con el paso del tiempo. En una primera serie de tres experimentos en el laboratorio, se obtuvieron los datos de la descomposición de

\ce{H2O2}

que se muestran en la tabla siguiente:

Experimento	Concentración inicial de $H X_{2} O X_{2}$ (mol L $^{- 1}$ )	Velocidad inicial (mmol L $^{- 1}$ s $^{- 1}$ )*
1	0,15	$6, 3 \times 10^{- 3}$
2	0,25	$10, 5 \times 10^{- 3}$
3	0,30	$12, 7 \times 10^{- 3}$

a)1,25 pts

Justificad cuál es el orden de reacción respecto al peróxido de hidrógeno y calculad la constante de velocidad de la reacción. ¿Qué unidades tiene la constante de velocidad? Justificad la respuesta y escribid la ecuación de velocidad para esta reacción.

b)1,25 pts

Esta reacción se acelera mucho si utilizamos yoduro de potasio (KI). Explicad qué es y qué función tiene esta sustancia utilizando la teoría cinética de colisiones. Razonad si tendrá algún efecto la presencia de KI en el valor de la entalpía de la reacción. ¿Qué pasa con la velocidad de la reacción si aumentamos la temperatura y mantenemos constante el volumen? ¿Y si aumentamos el volumen y mantenemos constante la temperatura? Justificad las respuestas utilizando la teoría cinética de colisiones.

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2,5 puntos

El 1-butanol o butan-1-ol es un compuesto orgánico con la fórmula molecular

\ce{C4H10O}

. A temperatura ambiente, el butan-1-ol es un líquido parcialmente soluble en agua, pero completamente soluble en disolventes orgánicos. El 1-butanol se encuentra presente en pequeñas cantidades en muchas bebidas producidas por fermentación alcohólica de azúcares y carbohidratos. Se utiliza principalmente como disolvente en la fabricación de barnices y en la producción de acetato de butilo, un aroma artificial y un disolvente ampliamente utilizado.

a)1,25 pts

Dibujad la estructura de Lewis semidesarrollada de todos los isómeros constitucionales de posición y de cadena del 1-butanol y nombradlos. ¿Qué relación de isomería tienen el 1-butanol y el dietiléter o etoxietano? Dibujad la estructura de Lewis semidesarrollada del dietiléter. Definid el término quiralidad molecular. ¿Algún isómero del 1-butanol es quiral? Justificad la respuesta.

b)1,25 pts

Cuando el ciclohexanol se calienta en presencia de un ácido inorgánico como el ácido sulfúrico, que actúa de catalizador, se deshidrata y se obtiene el ciclohexeno y agua, según la reacción siguiente:

\ce{C6H11OH ->[H2SO4] C6H10 + H2O}

Se trata de una reacción de equilibrio con la reacción de hidratación de ciclohexeno catalizada por un ácido. Indicad a qué tipo de reacciones orgánicas pertenecen tanto la reacción directa como la reacción inversa. Justificad la respuesta. Razonad cuál de los dos compuestos, el ciclohexanol o el ciclohexeno, será más soluble en agua.

Esquema de la reacción de equilibrio entre el ciclohexanol y el ciclohexeno más agua, catalizada por ácido sulfúrico.

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Ejercicio 1

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Ejercicio 3

Ejercicio 4

Ejercicio 5

Ejercicio 6

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