Examen de Química de Cataluña 2020 (convocatoria ordinaria)

La dureza es una cualidad del agua relacionada con el contenido en disolución de cationes alcalinotérreos, principalmente calcio y magnesio. Un efecto de la dureza del agua se observa en las incrustaciones de sales de carbonato que se producen dentro de los depósitos que contienen agua caliente.

a) ¿Cuál es la solubilidad molar de las sales de carbonato de calcio y de carbonato de magnesio a 25 °C? Cuando la concentración de carbonato es $\mathrm{11,5}\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}$, ¿a partir de qué concentración de calcio (en $\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}$) precipita el carbonato de calcio? ¿A partir de qué concentración de magnesio (en $\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}$) precipita el carbonato de magnesio? [1,25 puntos]
b) ¿Cómo se verá afectado el equilibrio de solubilidad de las sales de carbonato a causa de una disminución del pH del medio? Justifique la idoneidad de eliminar las incrustaciones de sales de carbonato con vinagre. [1,25 puntos]

Datos: $K_{\mathrm{p}\mathrm{s}}$ (carbonato de calcio) $=\mathrm{4,50}\times {10}^{-9}$ (a 25 °C). $K_{\mathrm{p}\mathrm{s}}$ (carbonato de magnesio) $=\mathrm{3,50}\times {10}^{-8}$ (a 25 °C). Masas atómicas relativas: $\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$; $\mathrm{C}=\mathrm{12,0}$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$; $\mathrm{M}\mathrm{g}=\mathrm{24,3}$; $\mathrm{C}\mathrm{a}=\mathrm{40,1}$.

La tabla periódica es una ordenación de los elementos químicos de número atómico creciente, de manera que se consiguen agrupaciones de elementos con propiedades atómicas, físicas y químicas semejantes, y variaciones continuas de estas propiedades.

a) Determine la configuración electrónica de los elementos flúor, neón y sodio. Defina las propiedades periódicas: energía de ionización y afinidad electrónica. Justifique el signo y el orden de magnitud de la energía de ionización para los tres elementos. Justifique el orden de magnitud de la afinidad electrónica para los tres elementos. [1,25 puntos]
b) Justifique cuál es el ion más estable que se formará de cada uno de los tres elementos anteriores. Justifique cuál de los iones formados tiene un radio más pequeño. [1,25 puntos]

Datos: flúor, $Z=9$; neón, $Z=10$; sodio, $Z=11$.

El butano y el propano son dos combustibles gaseosos utilizados en la industria y el hogar. Las reacciones no ajustadas de combustión de estos gases son las siguientes:

${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}(\mathrm{g})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$
${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8(\mathrm{g})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

a) Ajuste las reacciones. Calcule la entalpía de combustión estándar del butano y del propano a presión constante. [1,25 puntos]
b) Uno de los gases causantes del efecto invernadero es el $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Justifique cuál de los dos combustibles genera más moles de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ por cantidad de calor liberada a presión constante. [1,25 puntos]

Datos: Entalpías estándar de formación a 25 °C: $\mathrm{\Delta }{H}_f^{\circ }({\mathrm{H}}_2\mathrm{O},\mathrm{l})=-\mathrm{285,8}\mathrm{k}\mathrm{J}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$; $\mathrm{\Delta }{H}_f^{\circ }(\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2,\mathrm{g})=-\mathrm{393,5}\mathrm{k}\mathrm{J}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$; $\mathrm{\Delta }{H}_f^{\circ }({\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10},\mathrm{g})=-\mathrm{126,2}\mathrm{k}\mathrm{J}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$; $\mathrm{\Delta }{H}_f^{\circ }({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8,\mathrm{g})=-\mathrm{103,8}\mathrm{k}\mathrm{J}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$. Masas atómicas relativas: $\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$; $\mathrm{C}=\mathrm{12,0}$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$. Temperatura del experimento: 25 °C.

Tenemos en el laboratorio dos disoluciones de 1 L cada una. La primera es ácido clorhídrico con una concentración 0,2 mM y la segunda es ácido acético de concentración desconocida. El pH medido de ambas disoluciones es el mismo.

a) Determine:
— el pH de las dos disoluciones ácidas;
— la concentración molar del ácido acético. [1,25 puntos]
b) Se valoran separadamente 10 mL de cada ácido con hidróxido de sodio 0,1 mM. Escriba las reacciones de neutralización. Razone si el pH de los puntos de equivalencia de ambas valoraciones será ácido, básico o neutro. [1,25 puntos]

Datos: $K_{\mathrm{a}}$ (ácido acético) $=\mathrm{1,8}\times {10}^{-5}$. $K_{\mathrm{w}}=1\times {10}^{-14}$. $1\mathrm{m}\mathrm{M}=1\times {10}^{-3}\mathrm{M}$.

La ecuación ajustada de formación del monóxido de nitrógeno a partir de sus elementos es la siguiente:

${\mathrm{N}}_2(\mathrm{g})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons 2\mathrm{N}\mathrm{O}(\mathrm{g})$

La constante de equilibrio $K_c$ de la reacción ajustada para formar 2 moles de NO a una temperatura de 2000 K es $\mathrm{4,0}\times {10}^4$.

a) Indique la relación entre la $K_p$ y la $K_c$. Calcule $K_p$. [1,25 puntos]
b) Determine las presiones parciales del nitrógeno y el oxígeno en el equilibrio, sabiendo que la presión del NO en el equilibrio es 0,2 atm y que la presión del nitrógeno en el equilibrio es igual a la del oxígeno. Si queremos favorecer la formación de monóxido, justifique qué variación de presión hay que aplicar a la reacción. [1,25 puntos]

Datos: $R=\mathrm{0,082}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}\cdot \mathrm{L}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}\cdot {\mathrm{K}}^{-1}$.

En muchas series policíacas hemos visto que los detectives utilizan un líquido que produce luminiscencia cuando se aplica sobre los lugares donde hay restos de sangre. Este líquido es una disolución de luminol con peróxido de hidrógeno en medio básico. La reacción luminiscente se produce cuando el luminol es oxidado por el oxígeno que se forma al descomponerse el agua oxigenada:

$2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2(\mathrm{a}\mathrm{q})\to {\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{a}\mathrm{q})\text{Catalizador, }\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\mathrm{\Delta }{H}^{\circ }<0$

Un requisito imprescindible es la presencia de un catalizador para la reacción anterior. En la detección de sangre, el catalizador es el hierro de la hemoglobina presente en los glóbulos rojos.

a) Para la reacción de descomposición del agua oxigenada:
— Dibuje el diagrama energético de la reacción catalizada y de la no catalizada.
— Compare la variación de entalpía de la reacción catalizada y de la no catalizada. [1,25 puntos]
b) Teniendo en cuenta el modelo del estado de transición:
— ¿Qué es la energía de activación?
— Compare las energías de activación de la reacción catalizada y de la no catalizada.
— ¿Cómo se modifica la velocidad de reacción si aumentamos la temperatura? [1,25 puntos]

En 2019 el Premio Nobel de Química recompensó el desarrollo de las baterías de ion litio. Estas baterías se utilizan actualmente en dispositivos como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos.
Hay diversos modelos de baterías de ion litio; en uno de los modelos, el electrodo de litio es oxidado y el electrodo de azufre (${\mathrm{S}}_8$) es reducido a sulfuro (${\mathrm{S}}^{2-}$) mediante un proceso complejo. La fuerza electromotriz estándar medida de una de estas baterías es 2,23 V.

a) Escriba las semirreacciones ajustadas que tienen lugar en cada electrodo y la reacción global. Indique la polaridad y el nombre de los electrodos. Calcule el potencial estándar de reducción para la semirreacción del azufre en esta batería. [1,25 puntos]
b) ¿Cuántos gramos de litio se necesitan para construir una batería que funcione durante 10 horas a una intensidad de 0,5 A? [1,25 puntos]

Datos: $F=96500\mathrm{C}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$. Masa atómica del Li: 6,94. $E^{\circ }(\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}\mathrm{/}\mathrm{L}\mathrm{i})=-\mathrm{3,05}\mathrm{V}$.