Examen de Química de Comunidad Valenciana 2024 (convocatoria ordinaria)

Problema 1.

En el laboratorio, pueden obtenerse pequeñas cantidades de dicloro, ${\text{Cl}}_2(g)$, haciendo reaccionar permanganato de potasio, ${\text{KMnO}}_4(ac)$, con cloruro de potasio, $\text{KCl}(ac)$, en medio ácido de acuerdo con la siguiente ecuación química no ajustada:

${\text{KMnO}}_4(ac)+\text{KCl}(ac)+{\text{H}}_2{\text{SO}}_4(ac)\to {\text{MnSO}}_4(ac)+{\text{Cl}}_2(g)+{\text{K}}_2{\text{SO}}_4(ac)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$

a) Escriba la semirreacción de oxidación y la de reducción, así como la reacción global ajustada, tanto en su forma iónica como molecular. (1 punto)
b) Si se mezclan 150 mL de la disolución A (que contiene 2,5 g de ${\text{KMnO}}_4$ y un exceso de ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$) y 250 mL de la disolución B (que contiene $\text{KCl}$ a concentración 0,12 M y un exceso de ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$), calcule el volumen de ${\text{Cl}}_2$ producido, medido a 20 ${}^{\circ }C$ y 723 mmHg. (1 punto)

Datos: masas atómicas relativas: H = 1,0; O = 16,0; Cl = 35,5; K = 39,1; Mn = 54,9. $R=\mathrm{0,082}$ atm·L·K${}^{-1}$·mol${}^{-1}$. 1 atm = 760 mmHg.

Problema 2.

A 400 ${}^{\circ }C$, el cloruro de amonio, ${\text{NH}}_4\text{Cl}(s)$, se descompone en cloruro de hidrógeno, $\text{HCl}(g)$, y amoníaco, ${\text{NH}}_3(g)$, de acuerdo con la siguiente ecuación química:

${\text{NH}}_4\text{Cl}(s)\rightleftharpoons \text{HCl}(g)+{\text{NH}}_3(g),K_p=\mathrm{16,4}$ a 400 ${}^{\circ }C$.

En un matraz donde se ha hecho el vacío, se deposita un exceso de ${\text{NH}}_4\text{Cl}$ y se calienta hasta alcanzar los 400 ${}^{\circ }C$.

a) Calcule la presión total en el recipiente una vez se alcanza el equilibrio. (1 punto)
b) En un experimento independiente, se introducen 1 mol de $\text{HCl}$ y 1 mol de ${\text{NH}}_3$ en un matraz de 10 L de volumen y se mantiene a 400 ${}^{\circ }C$. ¿Cuál es el número de moles de ${\text{NH}}_4\text{Cl}$ formado al alcanzarse el equilibrio? (1 punto)

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

Problema 3.

El ácido benzoico (${\text{C}}_7{\text{H}}_6{\text{O}}_2$) es un ácido monoprótico (HA, $K_a=\mathrm{6,25}\cdot {10}^{-5}$), empleado como aditivo alimentario. Se preparan 200 mL de una disolución acuosa que contiene 490 mg del ácido.

a) Calcule el pH de la disolución. (1 punto)
b) Calcule el volumen de disolución de $\text{NaOH}\mathrm{0,05}M$ que hay que añadir a la disolución anterior para neutralizar completamente el ácido. (0,5 puntos)
c) Deduzca, de manera cualitativa, si en el momento de la neutralización exacta, el pH de la mezcla es mayor o menor de 7,0. (0,5 puntos)

Datos: masas atómicas relativas: $H=\mathrm{1,0}$; $C=\mathrm{12,0}$; $O=\mathrm{16,0}$.

Problema 4. En determinados dispositivos pirotécnicos se utiliza una mezcla de aluminio en polvo, $\text{Al}(s)$, y perclorato de amonio, ${\text{NH}}_4{\text{ClO}}_4(s)$. La mezcla reacciona de acuerdo con la siguiente ecuación química:

$3\text{Al}(s)+3{\text{NH}}_4{\text{ClO}}_4(s)\to {\text{Al}}_2{\text{O}}_3(s)+{\text{AlCl}}_3(s)+6{\text{H}}_2\text{O}(g)+3\text{NO}(g)$

a) Calcule la variación de entalpía estándar del proceso, expresada en kJ por mol de aluminio. (1 punto)
b) ¿Cuántos gramos de $\text{Al}$ y ${\text{NH}}_4{\text{ClO}}_4$ se necesitan para que su reacción libere 2000 kJ de energía? Calcule el porcentaje en masa de cada compuesto en la mezcla. (1 punto)

Datos: entalpías de formación estándar, $\mathrm{\Delta }{H}_f^0$ (kJ·mol${}^{-1}$):
${\text{Al}}_2{\text{O}}_3(s)=-\mathrm{1668,8}$;
${\text{NH}}_4{\text{ClO}}_4(s)=-\mathrm{294,1}$;
${\text{AlCl}}_3(s)=-\mathrm{704,2}$;
$\text{NO}(g)=+\mathrm{90,3}$;
${\text{H}}_2\text{O}(g)=-\mathrm{241,8}$.
Masas atómicas relativas: $H=\mathrm{1,0}$; $N=\mathrm{14,0}$; $O=\mathrm{16,0}$; $Al=\mathrm{27,0}$; $Cl=\mathrm{35,5}$.

Cuestión 1.

Dados los elementos A y B con números atómicos 9 y 15, respectivamente: (0,5 puntos cada apartado)

a) Escriba su configuración electrónica del estado fundamental e indique grupo y periodo al que pertenecen.
b) Escriba todos los posibles valores de los números cuánticos para un electrón $2p$ y para un electrón $3s$.
c) Deduzca el ion más probable que formará cada uno de ellos y escriba su configuración electrónica del estado fundamental.
d) Aplicando la regla del octeto, deduzca la fórmula empírica del compuesto formado por los dos elementos A y B, e indique, razonadamente, el tipo de enlace.

Cuestión 2.

Considere las siguientes moléculas: ${\text{BF}}_3$, ${\text{CF}}_4$ y ${\text{NF}}_3$. Responda a las siguientes cuestiones:

a) Dibuje la estructura electrónica de Lewis de cada una de las moléculas y deduzca su geometría. (0,9 puntos)
b) Ordene, justificadamente, las moléculas ${\text{BF}}_3$, ${\text{CF}}_4$, ${\text{NF}}_3$ por orden creciente de su ángulo de enlace. (0,5 puntos)
c) Discuta la polaridad de los enlaces de las tres moléculas, y deduzca si éstas tienen momento dipolar. (0,6 puntos)

Datos: números atómicos, $Z$: $B=5$; $C=6$; $N=7$; $F=9$.
Electronegatividades: $B=\mathrm{1,9}$; $C=\mathrm{2,4}$; $N=\mathrm{3,0}$; $F=\mathrm{4,0}$.

Cuestión 3.

La combustión del etanol, ${\text{C}}_2{\text{H}}_6\text{O}(l)$, se produce de acuerdo con la ecuación química siguiente:

${\text{C}}_2{\text{H}}_6\text{O}(l)+3{\text{O}}_2(g)\to 2{\text{CO}}_2(g)+3{\text{H}}_2\text{O}(l)$, $\mathrm{\Delta }{H}^0=-1367\text{ kJ}$.

Conteste a las siguientes cuestiones: (0,5 puntos cada apartado)
a) Se trata de una reacción química _________ (exotérmica/endotérmica) puesto que se produce una _________ (liberación de energía/absorción de energía).
b) Cuando se queman completamente 23 g de etanol, se producen _____ g de ${\text{CO}}_2$.
c) Escriba la ecuación química correspondiente a la variación de entalpía de formación estándar ($\mathrm{\Delta }{H}_f^0$) del etanol.
d) Teniendo en cuenta la reacción de combustión del etanol, calcule la variación de entalpía estándar para la reacción:
$4{\text{CO}}_2(g)+6{\text{H}}_2\text{O}(l)\to 2{\text{C}}_2{\text{H}}_6\text{O}(l)+6{\text{O}}_2(g)$

Datos: masas moleculares relativas: ${\text{C}}_2{\text{H}}_6\text{O}=46$; ${\text{CO}}_2=44$.

Cuestión 4.

Teniendo en cuenta los potenciales estándar de reducción, responda razonadamente si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos: (0,5 puntos cada apartado)

a) Una barra de zinc es estable en una disolución acuosa de ${\text{CdSO}}_4$ 1 M.
b) Al mezclar una disolución de ${\text{CuSO}}_4$ 1 M con una de ${\text{CdSO}}_4$ 1 M, se forma cobre metálico.
c) El cobre metálico no se disuelve en una disolución acuosa de $\text{HCl}$ 1 M.
d) Una disolución que contenga ${\text{Zn}}^{2+}(ac)$ 1 M se puede guardar en una botella de aluminio.

Datos: potenciales estándar de reducción, $E^o$ (V):
${\text{Al}}^{3+}\mathrm{\mid }\text{Al}:-\mathrm{1,68}$;
${\text{Zn}}^{2+}\mathrm{\mid }\text{Zn}:-\mathrm{0,76}$;
${\text{Cd}}^{2+}\mathrm{\mid }\text{Cd}:-\mathrm{0,40}$;
${\text{H}}^{+}\mathrm{\mid }{\text{H}}_2:\mathrm{0,0}$;
${\text{Cu}}^{2+}\mathrm{\mid }\text{Cu}:+\mathrm{0,34}$.

Cuestión 5.

La siguiente tabla muestra datos de velocidad de la siguiente reacción química: $2\text{NO}(g)+{\text{H}}_2(g)\to {\text{N}}_2\text{O}(g)+{\text{H}}_2\text{O}(g)$

$\begin{array}{lll}[\text{NO}]=\mathrm{0,150}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}& [{\text{H}}_2]=\mathrm{0,80}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}& \text{Velocidad}=\mathrm{0,500}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1}\\ [\text{NO}]=\mathrm{0,075}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}& [{\text{H}}_2]=\mathrm{0,80}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}& \text{Velocidad}=\mathrm{0,125}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1}\\ [\text{NO}]=\mathrm{0,150}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}& [{\text{H}}_2]=\mathrm{0,40}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}& \text{Velocidad}=\mathrm{0,250}\text{ mol}\cdot {\text{L}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1}\end{array}$

a) Escriba la ley de velocidad para la reacción. (0,8 puntos)

b) Determine el valor de la constante de velocidad. (0,6 puntos)

c) Si el recipiente donde tiene lugar la reacción se comprime hasta la mitad de volumen, manteniendo la temperatura constante, la velocidad de la reacción, ¿aumenta, disminuye o permanece constante? Justifique la respuesta. (0,6 p)

Cuestión 6.

a) Nombre y formule los compuestos A, B, C y D. Indique el tipo de reacción en cada caso. (1,4 puntos)

$\begin{array}{llcl}\text{a1)}& {\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-\text{CH(OH)}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3& \stackrel{{\text{H}}_2{\text{SO}}_4,\text{ calor }}{\to }& \text{A}+{\text{H}}_2\text{O}\\ \text{a2)}& \text{B}& \stackrel{{\text{KMnO}}_4,\text{ calor }}{\to }& {\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-\text{CO}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3\\ \text{a3)}& \text{C}+\text{D}& \stackrel{{\text{H}}^{+},\text{ catalizador }}{\to }& {\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-\text{COO}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3+{\text{H}}_2\text{O}\end{array}$

b) Dibuje la fórmula estructural de una molécula orgánica que contenga 5 átomos de C, 10 átomos de H y 2 átomos de O. Indique los grupos funcionales que contiene esta molécula. (0,6 puntos)