Examen de Química de Islas Baleares 2022 (convocatoria extraordinaria)

El premio Nobel de Química del año 2021 fue concedido a los investigadores Benjamin List y David WC MacMillan por el desarrollo de un nuevo tipo de catalizadores, los cuales regulan la obtención de moléculas de una forma más eficiente y más respetuosa con el medio ambiente.

En concreto, estos investigadores utilizaron la prolina (figura 1) como catalizador para la producción de nuevos compuestos de gran interés para la industria farmacéutica.


Figura 1. Estructura química de la prolina.

a) Nombre los grupos funcionales que aparecen en la prolina.

b) Indique, de forma razonada, la veracidad de la afirmación siguiente: «el uso de un catalizador disminuye la constante de velocidad de la reacción».

c) Nombre los compuestos siguientes: $\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ y $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{C}\mathrm{l}$.

El trihidruro de fósforo, $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$ (también conocido como fosfina), a temperatura ambiente es un gas incoloro que se reconoce fácilmente por el fuerte olor a ajo.

a) Explique la geometría de la molécula de $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$ según la teoría de la repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (TRPECV).

b) Indique si se trata de una molécula polar o apolar. Justifique la respuesta.

c) Justifique, de forma razonada, por qué el punto de ebullición del amoníaco, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ (−33 °C), es más elevado que el punto de ebullición del $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$ (−87,7 °C).

d) ¿Cuál es el significado del siguiente pictograma, el cual aparece en la ficha técnica del $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_3$?

El tolueno (${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_8$) es un hidrocarburo aromático que se utiliza para la producción de explosivos, como el TNT, colorantes, detergentes y otros productos. El tolueno se puede obtener a partir de la deshidrogenación del metilciclohexano (${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{14}$) mediante la reacción química siguiente:

${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{14}(\mathrm{g})\rightleftharpoons {\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_8(\mathrm{g})+3{\mathrm{H}}_2(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }H>0$

En un recipiente de 1 litro, inicialmente vacío, se introducen 0,6 moles de metilciclohexano y se calientan a 700 K, de forma que, una vez alcanzado el equilibrio, hay 0,45 moles de dihidrógeno dentro de la mezcla gaseosa.

a) Determine la constante de equilibrio en concentraciones ($K_c$) y la constante de equilibrio en presiones ($K_p$), ambas a 700 K.

b) ¿Qué efecto tendrá sobre la concentración de tolueno presente en la mezcla gaseosa en equilibrio un aumento de la temperatura? Justifique la respuesta.

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

La industria química produce grandes cantidades de ácido cianhídrico (HCN) en todo el mundo. Se utiliza para fabricar explosivos, fibras sintéticas, plásticos, pesticidas, etc.

Una disolución acuosa de este compuesto, a 25 °C, presenta un pH = 4,3.

Calcule:

a) La concentración, en mol/L, de esta disolución.

b) El grado de disociación del ácido cianhídrico.

c) Sin necesidad de hacer cálculos numéricos, explique si una disolución de NaCN presentará un pH ácido, básico o neutro.

Datos: constante de acidez del ácido cianhídrico a 25 °C, $K_{\mathrm{a}}=\mathrm{6,2}\times {10}^{-10}$.

Indique, de forma razonada, la veracidad de las siguientes afirmaciones relacionadas con la estructura atómica y las propiedades periódicas de los elementos:

a) El valor del número cuántico principal, $n$, está asociado a la energía y a la forma de un orbital.

b) El radio del átomo de sodio (Na) es más grande que el radio de su catión ($\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$).

c) La siguiente combinación de números cuánticos $(2,0,0,+\frac{1}{2})$ corresponde a un electrón del orbital 2p.

d) El litio (Li) es más electronegativo que el flúor (F).

Una industria química obtiene aluminio metálico, $\mathrm{A}\mathrm{l}(\mathrm{s})$, a partir del mineral criolita. Posteriormente, y para protegerlo de la corrosión, la capa superficial de aluminio metálico se transforma en $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3(\mathrm{s})$ mediante la reacción química no ajustada siguiente:

$\mathrm{A}\mathrm{l}(\mathrm{s})+\mathrm{C}{\mathrm{r}}_2{\mathrm{O}}_7^{2-}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})\to \mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3(\mathrm{s})+\mathrm{C}{\mathrm{r}}^{3+}(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

a) Ajuste la reacción iónica mediante el método ion-electrón.

b) Indique cuál es la especie que actúa como oxidante. Justifique la respuesta.

c) Explique, de forma razonada, por qué en las mismas condiciones ambientales es más fácil que se corroa el magnesio (Mg) que el aluminio.

Datos: potenciales estándar de reducción a 25 °C: $E^{\circ }(\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}\mathrm{/}\mathrm{A}\mathrm{l})=-\mathrm{1,66}\mathrm{V}$; $E^{\circ }(\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{M}\mathrm{g})=-\mathrm{2,37}\mathrm{V}$.

El ácido salicílico (${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_3$) es un compuesto que se encuentra presente en muchos productos utilizados en medicina. A una temperatura de 473 K, este ácido se descompone y produce fenol (${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$) y dióxido de carbono, según la reacción química ajustada siguiente:



En el laboratorio, introducimos 0,345 g de ácido salicílico en un recipiente de 50 mL y lo calentamos a 473 K. Una vez la mezcla alcanza el equilibrio químico, recogemos el $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ gaseoso obtenido en otro recipiente y comprobamos que este gas ocupa un volumen de 48,9 mL, medido a 1 atm y a 298 K.

a) Calcule la constante de equilibrio en concentraciones ($K_c$) correspondiente a la reacción de descomposición del ácido salicílico a 473 K.

b) Si hiciésemos el mismo experimento en un recipiente de 1000 mL, manteniendo la temperatura a 473 K, ¿aumentaría la descomposición de ácido salicílico? Justifique la respuesta.

c) Indique, de forma razonada, si este proceso es espontáneo a cualquier temperatura.

Datos: $R=\mathrm{0,082}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}\mathrm{L}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}{\mathrm{K}}^{-1}$. Masas atómicas relativas: $\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$; $\mathrm{C}=\mathrm{12,0}$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$.

El ácido sulfúrico (${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$) es, probablemente, uno de los reactivos más utilizados en un laboratorio de química.

a) ¿Qué volumen se necesita de una disolución de ácido sulfúrico concentrado, el cual tiene una riqueza del 96 % (en peso) y una densidad de 1,82 g/mL, para preparar 250 mL de una disolución de ácido sulfúrico de concentración 70 g/L?

b) Explique el procedimiento y el material de laboratorio necesario para preparar la disolución del apartado anterior.

El ácido benzoico (${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$) es un ácido carboxílico monoprótico que se utiliza en la elaboración de cosméticos, tintes, plásticos y repelentes de insectos. La constante de acidez ($K_{\mathrm{a}}$) del ácido benzoico, a 25 °C, presenta un valor de $\mathrm{6,4}\times {10}^{-5}$.

a) En el laboratorio se preparan 500 mL de una solución acuosa que contiene 6,10 g de ácido benzoico. Calcule el pH de esta disolución a 25 °C.

b) Una industria química ha comprado una solución acuosa de ácido benzoico. Para conocer su concentración, se valoran 25 mL de esta solución con una solución acuosa de hidróxido sódico (NaOH) 0,115 M, y se consumen 38,6 mL de esta base para llegar al punto final de la valoración.

Escriba la reacción de neutralización que tiene lugar y calcule la concentración de la solución acuosa de ácido benzoico, expresada en g/L.

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

Dos elementos químicos, A y B, presentan las configuraciones electrónicas siguientes:

$\mathrm{A}:1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^5$

$\mathrm{B}:1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^1$

a) Indique, de forma razonada, la posición (grupo y período) de cada uno de estos dos elementos en la tabla periódica.

b) Si se sabe que los valores de las primeras energías de ionización son 496 y 1250 kJ/mol, justifique cuál es el valor que corresponde a cada uno de los dos elementos (A y B).

c) Razone cuál de los dos elementos presenta más tendencia a formar enlaces de carácter metálico.

d) Explique, de forma razonada, el tipo de enlace que presentará la molécula ${\mathrm{A}}_2$.