Examen de Química de Aragón 2025 (convocatoria extraordinaria)

Las reacciones químicas fusionadas (“fused chemical reactions”) son reacciones químicas, que después de iniciarse, tardan un tiempo antes de que se empiecen a producir cantidades significativas de los productos finales, es decir, no tienen lugar nada más mezclarse los reactivos. Este tipo de reacciones tienen aplicaciones en la industria farmacéutica para la liberación de fármacos de forma controlada, en la industria agrícola en la gestión de fertilizantes, y también tienen uso en la industria petrolera para tratar problemas de obstrucción de tuberías, especialmente en aguas profundas donde las temperaturas son extremadamente bajas y se forman depósitos de parafinas (ceras) y asfaltenos (compuestos pesados del petróleo). Para solucionar el problema de la obstrucción de las tuberías se pueden utilizar reacciones químicas fusionadas altamente exotérmicas que suministren mucho calor en las zonas donde sea necesario y así se fundan y redisuelvan los depósitos de cera.

Un ejemplo de este tipo de reacciones usadas en la industria petrolera es la reacción de los cationes amonio con los aniones nitrito en disolución acuosa a 25 °C:

${\mathrm{N}\mathrm{H}}_4^{+}(aq)+{\mathrm{N}\mathrm{O}}_2^{-}(aq)\to {\mathrm{N}}_2(g)+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(l)$

Un estudio previo sobre la cinética de esta reacción indicó que es de orden 1 respecto a los cationes amonio, y ahora se han realizado dos experimentos más para determinar el orden de reacción respecto a los nitritos:

Experimento	$[{\mathrm{N}\mathrm{H}}_4^{+}{]}_0$ (mol·L${}^{-1}$)	$[{\mathrm{N}\mathrm{O}}_2^{-}{]}_0$ (mol·L${}^{-1}$)	$V_0$ (mol·L${}^{-1}$·s${}^{-1}$) 1	0,01	0,20	$\mathrm{5,40}\cdot {10}^{-7}$ 2	0,01	0,40	$\mathrm{1,08}\cdot {10}^{-6}$

a) Determine el orden de reacción respecto a los aniones nitritos, así como el orden total de la reacción, y escriba la ecuación de velocidad para esta reacción. [0,75 puntos]

b) Calcule la constante de velocidad, $k$, y especifique sus unidades. [0,5 puntos]

c) Calcule el valor de la velocidad de reacción en el momento en el que $[{\mathrm{N}\mathrm{H}}_4^{+}]=5\cdot {10}^{-3}$ M y $[{\mathrm{N}\mathrm{O}}_2^{-}]=\mathrm{0,1}$ M. ¿Cómo afecta la disminución de las concentraciones a la velocidad de la reacción?, y ¿cómo afectaría a la velocidad la adición de un catalizador? [0,75 puntos]

Seleccione, de forma razonada, aquella reacción o reacciones en las que se cumpla lo que se indica en cada apartado:

i) ${\mathrm{H}}_2(g)+{\mathrm{C}\mathrm{l}}_2(g)\rightleftharpoons 2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}(g)$, con $\mathrm{\Delta }{H}^o<0$

ii) $2{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_3(s)\rightleftharpoons {\mathrm{N}\mathrm{a}}_2{\mathrm{C}\mathrm{O}}_3(s)+{\mathrm{C}\mathrm{O}}_2(g)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(g)$, con $\mathrm{\Delta }{H}^o>0$

iii) ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_2(g)+\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}(s)\rightleftharpoons {\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}\mathrm{O}}_3(s)$, con $\mathrm{\Delta }{H}^o<0$

iv) $\mathrm{C}(s)+{\mathrm{O}}_2(g)\rightleftharpoons {\mathrm{C}\mathrm{O}}_2(g)$, con $\mathrm{\Delta }{H}^o<0$

v) ${\mathrm{P}\mathrm{C}\mathrm{l}}_5(g)\rightleftharpoons {\mathrm{P}\mathrm{C}\mathrm{l}}_3(g)+{\mathrm{C}\mathrm{l}}_2(g)$, con $\mathrm{\Delta }{H}^o>0$

a) La posición de equilibrio no se verá afectada al duplicar el volumen del recipiente. [0,4 puntos]

b) Se cumple que $K_p=K_c\mathrm{/}(RT)$. [0,4 puntos]

c) El rendimiento será el mismo al añadir más cantidad de todos los reactivos. [0,4 puntos]

d) El rendimiento se reducirá al disminuir la temperatura. [0,4 puntos]

e) El rendimiento aumentará al añadir un catalizador. [0,4 puntos]

La entalpía de formación ($\mathrm{\Delta }{H}_f^o$) de un mol de amoniaco gaseoso es $-46$ kJ a 298 K. Escriba y ajuste la reacción química correspondiente a esa entalpía y calcule la entropía de la misma. Razone si el proceso de formación de amoniaco será espontáneo a esa temperatura. [1,5 puntos]

Datos: $S^o$ (J·mol${}^{-1}$·K${}^{-1}$): NH${}_3$ (g) = 192,5; N${}_2$ (g) = 191,5; H${}_2$ (g) = 130,7.

Si una reacción sólo es espontánea a temperaturas muy bajas, ¿qué se puede decir de los signos de la entalpía y de la entropía de reacción? Justifique la respuesta. [0,5 puntos]

Al disolver un determinado sólido en agua en un vaso metálico se comprueba que el cambio de entalpía es positivo. ¿Se puede decir que en este proceso de disolución se absorberá calor del entorno que lo rodea y que el vaso se sentirá caliente? Razone la respuesta. [0,5 puntos]

Se prepara una disolución de concentración $\mathrm{5,9}\times {10}^{-3}$ M de un ácido monoprótico HA, que tiene un pH de 3,45.

a) Calcule la concentración de todas las especies presentes en dicha disolución. [0,5 puntos]

b) Calcule el grado de disociación del ácido HA. [0,5 puntos]

c) Calcule el valor de la constante del ácido ($K_a$) y de la constante $K_b$ de su base conjugada. [1 punto]

Para determinar el contenido de hierro en un mineral se puede hacer reaccionar el Fe${}^{2+}$ presente en el mismo con permanganato de potasio en medio ácido convirtiéndolo en Fe${}^{3+}$:

${\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_4^{-}+{\mathrm{F}\mathrm{e}}^{2+}+{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{M}\mathrm{n}}^{2+}+{\mathrm{F}\mathrm{e}}^{3+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

a) Ajuste por el método del ión-electrón la reacción redox que se produce, indicando cuál es el agente oxidante y cuál es el agente reductor. [1 punto]

b) Se analizan 10,2 g de una muestra de un mineral de hierro, y se supone que todo el hierro presente está en forma de Fe${}^{2+}$. Para transformarlo completamente se necesitan 42 mL de una disolución 0,25 M de permanganato de potasio. Determine el porcentaje de hierro en el mineral. [1 punto]

Datos: Masa atómica: Fe = 56.

a) Dibuje el ciclo de Born-Haber para la formación del CaO(s). [1,5 puntos]

b) Determine la entalpía de disociación del O${}_2$(g) a partir de los siguientes datos: [0,5 puntos]

Energía de red del CaO(s): $\mathrm{\Delta }{H}_{red}=-3411$ kJ·mol${}^{-1}$

Entalpía estándar de formación del CaO(s): $\mathrm{\Delta }{H}_f^o=-635$ kJ·mol${}^{-1}$

Entalpía de sublimación del Ca(s): $\mathrm{\Delta }{H}_{sub}(\mathrm{C}\mathrm{a})=178$ kJ·mol${}^{-1}$

1.ª energía de ionización del Ca(g): $E{I}_1=596$ kJ·mol${}^{-1}$

2.ª energía de ionización del Ca(g): $E{I}_2=1152$ kJ·mol${}^{-1}$

1.ª afinidad electrónica del O(g): $A{E}_1=-141$ kJ·mol${}^{-1}$

2.ª afinidad electrónica del O(g): $A{E}_2=744$ kJ·mol${}^{-1}$

Conteste de forma razonada a las siguientes cuestiones:

a) ¿Por qué el punto de ebullición del NH${}_3$ es mucho mayor que el del PH${}_3$? [0,5 puntos]

b) Deduzca la hibridación del átomo central de la molécula de PH${}_3$. [0,5 puntos]

c) ¿Son correctos los siguientes conjuntos de números cuánticos ($n$, $l$, $m_l$) para un orbital? Si un conjunto es correcto indique a qué tipo de orbital pertenece, y si no lo es proponga una sola modificación para que la combinación sea correcta. [0,5 puntos]

i) (2, 2, 1) ii) (2, 1, 0)

d) Escriba la configuración electrónica del elemento químico con número atómico 32 e identifíquelo indicando a qué grupo y periodo pertenece. ¿Este elemento tendrá menor o mayor radio atómico que el bromo? [0,5 puntos]