Examen de Química de Comunidad Valenciana 2022 (convocatoria ordinaria)

Problema 1. Cálculos estequiométricos.

En la fabricación del ácido sulfúrico, una de las etapas consiste en transformar el ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_2$ en ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_3$ en virtud de la siguiente ecuación química:

$2{\mathrm{S}\mathrm{O}}_2(g)+{\mathrm{O}}_2(g)\to 2{\mathrm{S}\mathrm{O}}_3(g)$

Un reactor de 150 litros contiene aire (20 % vol. ${\mathrm{O}}_2$ y 80 % vol. ${\mathrm{N}}_2$) a una presión total de 2 atm y temperatura de 125 ${}^{\circ }C$. En dicho reactor se introducen 2 moles de ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_2$. La reacción, a esta temperatura, tiene un rendimiento del 75 %.

a) Calcule cuántos moles de ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_2$ y ${\mathrm{O}}_2$ han sobrado, así como la masa (en gramos) de ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_3$ obtenido. (1,2 puntos)
b) Calcule la presión parcial de cada uno de los gases de la mezcla final (${\mathrm{N}}_2$, ${\mathrm{O}}_2$, ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_2$ y ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_3$) a la temperatura indicada, así como la presión total en el interior del reactor. (0,8 puntos)

Datos: Masas atómicas relativas: $O=\mathrm{16,0}$; $S=\mathrm{32,1}$. $R=\mathrm{0,082}$ atm·L·mol${}^{-1}$·K${}^{-1}$.

Problema 2. Equilibrio químico.

Un reactor de 10 litros a 1000 ${}^{\circ }C$ contiene una mezcla en equilibrio formada por 6,3 mol de ${\text{CO}}_2$, 2,1 mol de ${\text{H}}_2$, 8,4 mol de $\text{CO}$ y un número indeterminado de moles de ${\text{H}}_2\text{O}$. La presión total del reactor es 209 atm.

a) Calcule $K_C$ y $K_P$ para el equilibrio
${\text{CO}}_2(g)+{\text{H}}_2(g)\rightleftharpoons \text{CO}(g)+{\text{H}}_2\text{O}(g)$
a 1000 ${}^{\circ }C$. (1 punto)
b) Si se extraen del reactor los gases $\text{CO}$ y ${\text{H}}_2\text{O}$ en su totalidad, calcule la cantidad (en moles) de las cuatro sustancias una vez se haya alcanzado el nuevo equilibrio. (1 punto)

Dato: $R=\mathrm{0,082}$ atm·L·mol${}^{-1}$·K${}^{-1}$.

Problema 3. Reacciones ácido-base. Cálculos estequiométricos.

Se dispone de una disolución A de ácido clorhídrico comercial de densidad 1,19 kg·L${}^{-1}$ y riqueza 38 % en masa. Para preparar una segunda disolución B, se toman 10,0 mL de la disolución A, diluyéndose con agua destilada hasta un volumen final de 15,0 litros.

a) Calcule la concentración (en mol·L${}^{-1}$) del ácido clorhídrico comercial (disolución A). (0,7 puntos)
b) Calcule la concentración (en mol·L${}^{-1}$) de la disolución B y su pH. (0,6 puntos)
c) A 50,0 mL de la disolución B, se añaden 25,0 mL de una disolución 0,01 mol·L${}^{-1}$ de ${\mathrm{C}\mathrm{a}(\text{OH})}_2$. Calcule el pH de la disolución final. Considere que los volúmenes son aditivos. (0,7 puntos)

Datos: Masas atómicas relativas: H = 1,0; Cl = 35,5. $K_w={10}^{-14}$.

Problema 4. Reacciones red-ox. Cálculos estequiométricos.

A escala laboratorio, se pueden obtener pequeñas cantidades de cloro gaseoso mediante la reacción (no ajustada):

${\text{K}}_2{\text{Cr}}_2{\text{O}}_7(ac)+\text{HCl}(ac)\to {\text{CrCl}}_3(ac)+{\text{Cl}}_2(g)+\text{KCl}(ac)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$

a) Escriba la semirreacción de oxidación y la de reducción, así como la ecuación química global ajustada. (1 punto)
b) Si se hace reaccionar 125 mL de $\text{HCl}$ 1 M con un exceso de ${\text{K}}_2{\text{Cr}}_2{\text{O}}_7$, ¿cuántos litros de ${\text{Cl}}_2$ se obtendrán, medidos a 1 atm de presión y 20 ${}^{\circ }C$? (1 punto)

Dato: $R=\mathrm{0,082}$ atm·L·mol${}^{-1}$·K${}^{-1}$.

Cuestión 1. Configuración electrónica. Propiedades atómicas y periódicas.

Considere los elementos A, B, C y D, cuyos números atómicos son 16, 17, 18 y 19, respectivamente. Responda razonadamente a las siguientes cuestiones: (0,5 puntos cada apartado)

a) Escriba la configuración electrónica en estado fundamental de cada uno de los elementos propuestos, e indique a qué grupo y periodo de la tabla periódica pertenece cada uno.
b) Ordene los elementos por orden creciente de su primera energía de ionización.
c) Indique el ion más estable que podría formarse a partir de cada uno de los cuatro elementos propuestos y escriba su configuración electrónica.
d) Deduzca la fórmula molecular del compuesto que se formaría entre los elementos A y B aplicando la regla del octeto y discuta el tipo de enlace que les une.

Cuestión 2. Estructura molecular. Estructuras electrónicas de Lewis.

a) Dibuje las estructuras electrónicas de Lewis para las moléculas ${\mathrm{C}\mathrm{F}}_4$, ${\mathrm{F}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}$ y ${\mathrm{C}\mathrm{O}}_2$. (0,6 puntos)
b) Indique razonadamente la geometría de las tres moléculas del apartado anterior y ordene de menor a mayor los ángulos de las moléculas (F-C-F del ${\mathrm{C}\mathrm{F}}_4$, F-C-F del ${\mathrm{F}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}$ y O-C-O del ${\mathrm{C}\mathrm{O}}_2$). (0,8 puntos)
c) Razone qué molécula/s del apartado (a) es/son polares. (0,6 puntos)

Datos: Números atómicos, $Z$: C = 6; O = 8; F = 9. Electronegatividades (Pauling): C = 2,55; O = 3,44; F = 3,98.

Cuestión 3. Desplazamiento del equilibrio químico.

Para el siguiente sistema en equilibrio en fase gaseosa: $2\text{NOCl}(g)\rightleftharpoons 2\text{NO}(g)+{\text{Cl}}_2(g)$, responda razonadamente a las siguientes cuestiones: (0,5 puntos cada apartado)

a) Si se extrae del reactor parte del ${\text{Cl}}_2(g)$, ¿la relación $\left[\text{NOCl}\right]\mathrm{/}\left[\text{NO}\right]$ aumenta, disminuye o permanece constante?
b) Se observa que al aumentar la temperatura se forma más NOCl. ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?
c) Si se desea aumentar la cantidad de NOCl, manteniendo constante la temperatura, ¿se ha de aumentar o disminuir el volumen del reactor?
d) En un reactor a volumen y temperatura constantes se introducen inicialmente NOCl y ${\text{Cl}}_2$. Razone si la presión total en el equilibrio será mayor, menor o igual que la inicial.

Cuestión 4. Química ácido-base. (0,5 puntos cada apartado)

a) Se dispone de tres disoluciones: una de ${\mathrm{H}\mathrm{I}\mathrm{O}}_3$, otra de $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}$ y una tercera de ${\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{O}}_2$, las tres a la misma concentración molar inicial del ácido. Razone cuál de estas disoluciones tendrá un mayor valor del pH.
b) Ordene justificadamente, de menor a mayor basicidad, las bases conjugadas de los tres ácidos anteriores.
c) Razone si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: “El pH de una disolución de ${\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{O}}_2$ 0,1 M es igual al de una disolución de HCl de igual concentración”.
d) Razone si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: “Si a 20,0 mL de una disolución de $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}$ 0,2 M se les añaden 40,0 mL de una disolución de NaOH 0,1 M, la mezcla final tendrá un pH neutro”.

Datos: $K_a({\mathrm{H}\mathrm{I}\mathrm{O}}_3)=\mathrm{1,7}\cdot {10}^{-1}$; $K_a({\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{O}}_2)=\mathrm{4,5}\cdot {10}^{-4}$; $K_a(\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O})=3\cdot {10}^{-8}$; $K_w={10}^{-14}$.

Cuestión 5. Reactividad y formulación orgánica.

a) Nombre los siguientes compuestos y razone cuál de ellos puede dar lugar a una cetona por oxidación. (0,8 puntos)

$\begin{array}{llllll}\text{a1)}& {\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-\text{CHO}& \text{a2)}& {\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-\text{O}-{\text{CH}}_3& \text{a3)}& {\text{CH}}_3-\text{CH(OH)}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3\end{array}$

b) Complete las siguientes reacciones químicas y nombre todos los compuestos orgánicos que se obtienen como productos en las mismas: (1,2 puntos)

$\begin{array}{llc}\text{b1)}& {\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2\text{Cl }+{\text{NH}}_3& ⟶\\ \text{b2)}& \text{HCOOH }+{\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2\text{OH}& \stackrel{{\text{H}}^{+}}{\to }\\ \text{b3)}& {\text{CH}}_3-\text{CH(OH)}-{\text{CH}}_3& \stackrel{{\text{H}}_2{\text{SO}}_4,\text{ calor }}{\to }\end{array}$

Cuestión 6. Cinética química.

Considere la reacción: $3\text{A}(g)+2\text{B}(g)\to 2\text{C}(g)$. Se ha observado que, al duplicar la concentración de A, la velocidad de la reacción aumenta cuatro veces mientras que, al disminuir la concentración de B a la mitad, la velocidad disminuye en esa misma proporción. (0,5 puntos cada apartado)

a) Obtenga razonadamente la ley de velocidad de la reacción.

b) Cuando las concentraciones iniciales de A y B fueron 0,1 M y 0,05 M, respectivamente, la velocidad inicial de la reacción resultó ser $\mathrm{2,82}\cdot {10}^{-4}\text{ M}\cdot {\text{s}}^{-1}$. Calcule el valor de la constante de velocidad.

c) En las condiciones del apartado b), calcule la velocidad de desaparición de A y la velocidad de aparición de C.

d) Justifique por qué la velocidad de la reacción aumenta con la temperatura.