Examen de Química de Islas Baleares 2022 (convocatoria ordinaria)

a) El premio Nobel de Química del año 2019 fue concedido a los investigadores John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino, por el desarrollo de las baterías de ion litio. Estas baterías se encuentran en dispositivos como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos.

En concreto, y de forma simplificada, la pila de ion litio se fundamenta en la utilización de litio (Li) y óxido de cobalto (CoO). La reacción global de esta pila se podría representar de la forma siguiente:

$2\mathrm{L}\mathrm{i}+\mathrm{C}{\mathrm{o}}^{2+}\to 2\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}+\mathrm{C}\mathrm{o}$

i) Indique, de forma razonada, cuál es la especie que actúa como oxidante en la pila anterior.

ii) Calcule la fuerza electromotriz (FEM) de la pila a partir de los siguientes potenciales normales de reducción: $E^{\circ }(\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}\mathrm{/}\mathrm{L}\mathrm{i})=-\mathrm{3,05}\mathrm{V}$; $E^{\circ }(\mathrm{C}{\mathrm{o}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{o})=-\mathrm{0,28}\mathrm{V}$.

b) Nombre o formule los compuestos siguientes: LiOH y sulfato de cobalto(II).

Considere las especies químicas siguientes: Ar, $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ y $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$. Indique, de forma razonada, si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

a) Las especies $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ y Ar son isoelectrónicas.

b) El radio del Ar es menor que el radio del anión $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.

c) El $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ y el $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ formarán un enlace de tipo covalente.

d) El Ar presenta un potencial de ionización más elevado que el $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$.

El cloro es uno de los elementos más utilizados en nuestra sociedad y forma parte de muchos productos que usamos en la vida cotidiana. Se puede utilizar directamente como agente desinfectante y blanqueante, y también como materia prima para la producción de polímeros como el PVC.

En el proceso industrial llamado Deacon, el dicloro gaseoso se obtiene por oxidación del ácido clorhídrico (HCl) según la siguiente reacción química ajustada:

$4\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{g})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})+2\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }H<0$

Introducimos 32,85 g de HCl y 38,40 g de ${\mathrm{O}}_2$ en un reactor de 10 L en el cual previamente hemos hecho el vacío. Calentamos la mezcla de reacción a 390 °C y cuando se alcanza el equilibrio observamos que hemos obtenido 28,40 g de $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$.

a) Calcule la constante de equilibrio en concentraciones ($K_c$), a 390 °C.

b) Razone cómo se verá afectada la cantidad total de $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ obtenida si:

i) aumentamos la masa inicial de ${\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$;

ii) aumentamos la temperatura del reactor.

Datos: masas atómicas relativas: $\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$; $\mathrm{C}\mathrm{l}=\mathrm{35,5}$.

Considerando las moléculas siguientes: $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ y $\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$.

a) Explique la geometría de la molécula de $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4$ a partir de la teoría de la repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV).

b) ¿Qué tipo de hibridación presenta el átomo central de la molécula de $\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$? Razone la respuesta.

c) Indique de forma razonada la polaridad de las moléculas $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ y $\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$.

En un laboratorio se ha estudiado la cinética de la siguiente reacción química ajustada:

$\mathrm{C}\mathrm{O}(\mathrm{g})+\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{N}\mathrm{O}(\mathrm{g})$

y se ha comprobado, experimentalmente, que su ecuación de velocidad se puede expresar de la forma siguiente: $v=k[\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2{]}^2$.

Teniendo en cuenta esta información, indique de manera razonada la veracidad de las afirmaciones siguientes:

a) Las unidades de la constante de velocidad ($k$) son: $\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{L}{\mathrm{s}}^{-1}$.

b) La constante de velocidad no depende de la temperatura, ya que la reacción se da en fase gaseosa.

c) El orden total de la reacción es igual a 1, dado que la velocidad depende de un único reactivo.

d) La adición de un catalizador aumentará el valor de la constante de velocidad ($k$).

El monóxido de nitrógeno (NO), a pesar de ser un compuesto muy inestable, tiene numerosas aplicaciones directas tanto en medicina como en otros ámbitos de las ciencias de la salud.

Este compuesto se puede obtener a partir del ácido nítrico ($\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$) y el cobre según la siguiente reacción química no ajustada:

$\mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{s})+\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{a}\mathrm{q})\to \mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{N}\mathrm{O}(\mathrm{g})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

a) Ajuste la reacción iónica y molecular utilizando el método del ion-electrón.

b) Calcule la masa de cobre que se necesita para obtener 0,2 L de NO gaseoso medidos a una presión de 750 mm Hg y a una temperatura de 20 °C.

Datos: $R=\mathrm{0,082}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}\mathrm{L}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}{\mathrm{K}}^{-1}$. Masa atómica relativa: $\mathrm{C}\mathrm{u}=\mathrm{63,5}$.

Actualmente se estudia la posible utilización de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{g})$ para almacenar energía solar. Cuando los rayos del sol inciden sobre el $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{g})$ situado dentro de un recipiente cerrado a temperatura elevada, se disocia y produce $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$ y ${\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$ de acuerdo con la siguiente reacción química ajustada:

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{g})\rightleftharpoons \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }H>0$

a) Introducimos una cierta cantidad de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$ en un recipiente cerrado de 0,8 L en el cual previamente hemos hecho el vacío. Una vez alcanzado el equilibrio, hay 2 moles de oxígeno. La $K_c$ de la reacción química ajustada tiene un valor de 0,47 a la temperatura del experimento. Calcule la concentración de la especie $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{g})$ presente en el equilibrio.

b) Explique, de forma razonada, en qué condiciones de presión y temperatura deberíamos trabajar para favorecer el proceso de disociación del $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{g})$.

Considere las sustancias siguientes: $\mathrm{C}\mathrm{a}(\mathrm{s})$, $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{s})$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{g})$ y $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{g})$. Conteste, de forma razonada, a las siguientes preguntas:

a) ¿Qué tipo de enlace químico presenta la molécula de $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{g})$?

b) ¿Qué sustancia presentará mayor conductividad eléctrica a temperatura ambiente?

c) ¿Cuál de las sustancias consideradas puede presentar, entre las moléculas, interacciones de Van der Waals del tipo dipolo instantáneo - dipolo inducido?

d) ¿Se puede afirmar que la sustancia $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{s})$ es muy soluble en $\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_4(\mathrm{l})$?

El ácido láctico ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\text{-}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{H}\text{-}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$) es un compuesto orgánico sólido y de color blanco que se puede obtener por síntesis química o por fermentación microbiana de diferentes carbohidratos. En solución acuosa actúa como un ácido monoprótico débil porque su molécula contiene un único grupo funcional carboxílico (-COOH).

a) Calcule el pH, a 25 °C, de una solución acuosa de ácido láctico 0,50 M, sabiendo que la constante de acidez ($K_{\mathrm{a}}$) del ácido láctico, a 25 °C, es igual a $\mathrm{1,41}\times {10}^{-4}$.

b) En el laboratorio tenemos otra solución acuosa de ácido láctico de concentración desconocida. Para determinar su concentración, valoramos 20,0 mL utilizando una solución acuosa de una base fuerte de concentración conocida que ya tenemos preparada.

Indique qué material de la siguiente lista se necesita para llevar a cabo esta valoración en el laboratorio y explique el procedimiento que seguiría:

Material	Material Pila	Matraz aforado Pipeta	Termómetro Puente salino	Balanza Bureta	Voltímetro Erlenmeyer	Calorímetro

a) Nombre el compuesto siguiente: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\text{-}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\text{-}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\text{-}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}$.

b) Formule y nombre un isómero de posición del compuesto del apartado a).

c) Formule y nombre un isómero de función del compuesto del apartado a).

d) ¿Cuál es el significado del siguiente pictograma, el cual aparece en la ficha de seguridad del compuesto $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\text{-}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\text{-}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\text{-}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}$?