UNIVERSIDADES PÚBLICAS DE LA COMUNIDAD DE MADRID PRUEBA DE ACCESO A LAS ENSEÑANZAS UNIVERSITARIAS OFICIALES DE GRADO

Modelo Curso 2017-2018

MATERIA: QUÍMICA INSTRUCCIONES GENERALES Y VALORACIÓN Después de leer atentamente todas las preguntas, el alumno deberá escoger una de las dos opciones propuestas y responder a las preguntas de la opción elegida. CALIFICACIÓN: Cada pregunta se valorará sobre 2 puntos. TIEMPO: 90 minutos.

OPCIÓN A Pregunta 1A.- Considere las sustancias I2, Cu y CaO y conteste razonadamente: a) b) c) d)

Qué tipo de enlace presenta cada una de ellas. Cuál tiene menor punto de fusión. Cuál conduce la electricidad cuando está fundido pero es aislante en estado sólido. Si cada una de las sustancias del enunciado es o no soluble en agua.

Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a. I2 ≡ No-metal / No-metal. Enlace covalente apolar (átomos iguales). Cu ≡ Metal. Enlace metálico. CaO ≡ Metal / No-metal. Enlace iónico. b. Los puntos de fusión dependen de los enlaces que hay que romper para separar las partículas (átomos o iones) que forman el sólido. - I2: Fuerzas intermoleculares de dipolo instantáneo (London) por tratarse de una molécula covalente apolar. - Cu: Enlace metálico - CaO: Energía reticular Las más débiles son las fuerzas de London, por lo que el I2 tendrá el punto de fusión menor c. Las sustancias iónicas cumplen esta condición, en estado líquido (fundidas o disueltas) los iones que la forman tienen movilidad y pueden conducir la electricidad, mientras que estado sólido los iones ocupan posiciones fijas y definidas en la red cristalina que les impide el movimiento y por tanto no pueden conducir la electricidad. Las sustancias covalentes como el I2, no son conductoras y por último el Cu es conductor tanto en estado líquido como en estado sólido. d. Teniendo en cuenta que el agua es un disolvente polar, serán solubles en agua las sustancias polares. El CaO es soluble en agua por ser iónico, el I2 es insoluble por ser covalente apolar y los metales no son solubles en agua.

Pregunta 2A.- La solubilidad del carbonato de plata, a 25 °C, es 0,0318 g·L‒1. a) Escriba el equilibrio de solubilidad de esta sal en agua. b) Calcule la concentración molar de ión plata en una disolución saturada de carbonato de plata, a 25 °C. c) Calcule la constante del producto de solubilidad del carbonato de plata a 25 °C. d) Explique, con un ejemplo, cómo variará la solubilidad de esta sal por efecto de un ión común. Datos. Masas atómicas: C = 12,0; O = 16,0; Ag = 107,9. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a.

Ag 2 CO 3 (s ) ↔ 2Ag + (aq ) + CO 32 − (aq )

b. Si se define por s la solubilidad molar de la sal, moles de carbonato de plata disueltos por litro de disolución, el cuadro de reacción quedaría de la siguiente forma:

Ag 2 CO 3 Cond. Equilibrio

[Ag ] +

↔ 2Ag + (aq ) + CO 32 − (aq ) 2s

−

s

0,0318 g Ag 2 CO 3 1 mol Ag 2 CO 3 = 2s = 2 ⋅ ⋅ = 2,31× 10− 4 mol L L(D ) 275,8 g Ag 2CO 3

1

+ 2

[ ] ⋅[

c.

K s = Ag

CO 32 −

]

3

 0,0318 g Ag 2 CO 3 1 mol Ag 2 CO 3   = 6,13 × 10 −12 = (2s ) ⋅ s = 4s = 4 ⋅  ⋅ L(D ) 275,8 g Ag 2 CO 3   2

3

d. Al añadir a la disolución una sal soluble que contenga algún ión común con los de la disolución, como por ejemplo AgNO3 o CaCO3, aumentará la concentración del ión común provocando que el sistema se desplace en el sentido en el que disminuya esta, hacia la izquierda, para de esa forma contrarrestar la perturbación y reestablecer el equilibrio, produciendo una disminución de la solubilidad del carbonato de plata en agua.

Pregunta 3A.- Escriba la formula semidesarrollada y el nombre de dos posibles compuestos que tengan 4 carbonos y contengan en su estructura: a) Un grupo éter. b) Un grupo alcohol en un cicloalcano. c) Un grupo ester. d) Un grupo halógeno y un triple enlace en una cadena lineal. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a. Dietil éter: CH 3 − CH 2 − O − CH 2 − CH 3 . Metil propil éter: CH 3 − O − CH 2 − CH 2 − CH 3 b.

Ciclobutanol:

c. • • • d.

. Ciclopropilmetanol:

De cadena sin ramificaciones los posibles serian: Metanoato de propilo: HCOO − CH 2 − CH 2 − CH 3 Etanoato de etilo: CH 3 − COO − CH 2 − CH 3 Propanoato de metilo: CH 3 − CH 2 − COO − CH 3 1‒clorobut‒2‒ino: CH 2 Cl − C ≡ C − CH 3

Pregunta 4A.- Se hace pasar una corriente de 1,8 A durante 1,5 horas a través de 500 mL de una disolución de yoduro de cobalto(II) 0,3 M. Se observa que se deposita metal y se forma yodo molecular. a) Escriba las semirreacciones de oxidación y reducción que se producen en el cátodo y en el ánodo. b) Calcule la masa de metal depositada. c) Calcule la concentración de Co2+ que queda en disolución. d) Calcule la masa de yodo molecular obtenida. Datos. F = 96485 C. Masas atómicas: Co = 59; I = 127. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a. CoI 2 → Co + I 2 El cobalto se reduce ganando electrones y disminuyendo su carga positiva, y el yoduro se oxida perdiendo electrones y disminuyendo su carga negativa. •

Semireacción ANÓDICA, OXIDACIÓN: 2I − → I 2 + 2e −

•

Semireacción CATÓDICA, REDUCCIÓN: Co 2 + + 2e − → Co

b. La cantidad de cobalto que se deposita se puede calcular por factores de conversión partiendo de la cantidad de carga que atraviesa el electrolito.

m(Co ) =

1,8 C 1 mol e − 1 mol Co 59 g Co ⋅ 1,5 ⋅ 3600 s ⋅ ⋅ ⋅ = 2,97 g Co s 96485 C 2 mol e − mol Co

c. La concentración de cobalto que queda en disolución se calcula a partir de los moles de cobalto que que quedan en exceso. m(Co ) mol 2,97 g n (Co )ex = n (Co )o − n (Co )Depositados = V ⋅ M − = 0,5 L ⋅ 0,3 − ≈ 0,1 mol M a (Co ) L 59 g mol

[Co ] = n(CoV ) 2+

ex

=

2

0,1 mol = 0,2 M 0,5 L

d. La cantidad de yodo molecular se puede calcular a partir de la cantidad de carga que atraviesa el electrolito, de forma análoga a la empleada para el calculo de la masa de cobalto depositada, o mediante cálculos estequiométricos a partir de número de moles de cobalto depositados.

1,8 C 1 mol e − 1 mol I 2 254 g I 2 ⋅ 1,5 ⋅ 3600 s ⋅ ⋅ ⋅ = 12,79 g I 2 s 96485 C 2 mol e − mol I 2 1 mol Co 1 mol I 2 254 g I 2 Segundo método: m(I 2 ) = 2,97 g Co ⋅ ⋅ ⋅ = 12,78 g Co 59 g Co 1 mol Co mol I 2 Primer método: m(I 2 ) =

Pregunta 5A.- Se dispone de una disolución de ácido metanoico 0,5 M. Calcule: a) El pH de la disolución. b) El grado de disociación de la base BOH 0,3 M que presenta un pOH igual que el pH de la disolución de ácido metanoico. c) El volumen de base BOH 0,3 M necesario para neutralizar una disolución de ácido metanoico obtenida al mezclar 50 mL de la disolución del enunciado con 150 mL de agua. Dato. Ka = 1,85×10−5. Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartados a) y b); 0,5 puntos apartado c).

Solución. a. El ácido metanoico es un ácido débil que se disocia según el siguiente cuadro de reacción. Si se define x como la contracción de ácido disociada:

HCOOH + H 2 O ↔ HCOO − (ac ) + H 3O + co exceso − − co − x exceso x x

Cond. Iniciales (mol L ) Cond. Equilibrio (mol L )

El equilibrio se rige por la constante de ionización Ka.

[HCOO ]⋅ [H O ] = −

Ka =

3

+

[HCOOH]

x⋅x x2 = co − x co − x

Teniendo en cuenta que el ácido metanoico es un ácido débil y que su concentración no es muy diluida, se puede hacer la hipótesis de que si x < 0.01 ⇒ co ‒ x ≈ co, obteniendo una ecuación de segundo grado mucho mas sencilla.

Ka =

x2 co

x = K a ⋅ c o = 1.85 ⋅ 10 −5 ⋅ 0,5 = 3.04 ⋅ 10− 3 M < 0.01 ⇒ se acepta la hipótesis

La concentración de ácido disociado coincide con la concentración de protones de la disolución y por tanto permite calcular el pH de la disolución.

[

]

(

)

pH = − log H 3O + = − log 3.04 ⋅ 10 −3 = 2,52 b. Por la información que podemos extraer del enunciado, el BOH es una base débil, se disocia parcialmente, por lo tanto lo hará de una forma parecida al ácido metanoico, si definimos como α a su grado de disociación:

BOH Cond. Iniciales (mol L )

↔ B + (ac ) + OH −

co

Cond. Equilibrio (mol L ) c o − c o α

−

−

coα

coα

Conocido el pOH (igual al pH de ácido metanoico) y la concentración inicial, se puede calcular el grado de disociación de la sal. OH − = c o α   10 − pOH 10− 2,52 − pOH ⇒α= α= = 0.01 M  : c o α = 10 co 0,3 − − − pOH  pOH = − log OH ⇒ OH = 10 

[ ] [ ] [ ]

c. El volumen de base necesaria para neutralizar la disolución de ácido, depende del número de moles de ácido que haya que neutralizar, y no del volumen en el que se encuentren disueltos. La reacción de neutralización entre el ácido y la base es uno a uno:

3

HCOOH + BOH → HCOO − (ac) + B+ (ac) + H 2 O Para que se produzca neutralización y teniendo en cuenta la estequiometria de la reacción: n (HCOOH ) = n (BOH ) Por estar en disolución n = M·V

M HCOOH ⋅ VHCOOH = M BOH ⋅ VBOH VBOH = 50 × 10 −3 ⋅

VBOH = VHCOOH ⋅

0,5 = 83,3 × 10 −3 L = 83,3 mL 0,3

4

M HCOOH M BOH

OPCIÓN B Pregunta 1B.- Considere los cuatro elementos con la siguiente configuración electrónica en los niveles de energía

más externos: A: 2s2 2p4; B: 2s2; C: 3s2 3p2; D: 3s2 3p5. a) Identifique los cuatro elementos con nombre y símbolo. Indique grupo y periodo al que pertenecen. b) Indique un catión y un anión que sean isoelectrónicos con A2–. c) Justifique si la segunda energía de ionización para el elemento A es superior o inferior a la primera. d) En el espectro del átomo hidrógeno hay una línea situada a 434 nm. Calcule ∆E, en kJ·mol−1, para la transición asociada a esa línea. Datos. h = 6,62×10−34 J·s; NA = 6,023×1023; c = 3,00×108 m·s−1. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a. A B C D

Configuración 2s2 2p4 2s2 3s2 3p2 3s2 3p5

Nombre Oxígeno Berilio Silicio Cloro

Símbolo O Be Si Cl

Grupo 16 o VI B (Anfígenos) 2 o II A (Alcalinoterreos) 14 o IV B (Carbonoideos) 17 o VII B (Halógenos

Periodo 2º 2º 3º 3º

b. Las especie isoelectrónicas son aquellas que tienen el mismo número de electrones. La especie A2‒ tiene 10 electrones y serán isoelectronicos con el F‒ (anión fluoruro), N3‒ (anión nitruro), Na+ (catión sodio), Mg2+ (catión magnesio). c. La segunda energía de ionización de un átomo es superior a la primera debido a que la fuerza nuclear se reparte entre menos electrones y disminuye el apantallamiento, aumentando la fuerza de atracción del núcleo sobre sus electrones. d.

Aplicando la ecuación de Planck: ∆E = h ⋅ ν , para radiaciones electromagnéticas, la frecuencia se calcula c c ν = , por lo tanto, ∆E = h ⋅ λ λ 3 × 108 J 6,023 × 10 23 at 1 kJ ∆E = 6,62 × 10− 34 ⋅ = 4,58 × 10−19 ⋅ ⋅ 3 = 275,6 kJ −9 mol at mol 434 × 10 10 J

Pregunta 2B.- Sabiendo que la reacción ajustada 2 A + B → P es elemental: a) Escriba la ley de velocidad para dicha reacción. b) Determine los órdenes parciales de reacción respecto a ambos reactivos, el orden total y las unidades de la constante cinética. c) ¿Cuál es la molecularidad de la reacción? d) Explique cómo afecta a la velocidad de la reacción un aumento de la temperatura. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos cada apartado.

Solución. a. En las reacciones elementales, los coeficientes estequiometricos coinciden con los ordenes parciales de reacción.

v = k ⋅ [A ]2 [B] b. Los ordenes parciales son los exponentes de las concentraciones en la ecuación de velocidad, el orden total es la suma de los ordenes parciales. Orden respecto de A = 2; Orden respecto de B = 1; Orden total, n = 3 Unidades de la constante: [k ] =

[v] n

[concentración ]

=

mol ⋅ L−1 ⋅ s −1 −1 3

(mol ⋅ L )

= L2 ⋅ mol − 2 ⋅ s −1

c. La molecularidad, es el número de moléculas que deben chocar simultáneamente para producir una colisión efectiva que origine el complejo activado y, por tanto, tenga lugar la reacción. Por tratarse de una reacción elemental, coincide con el orden, luego es 3.

5

d. Desde el punto de vista de la teoría de colisiones, al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas, disminuye el volumen efectivos, las moléculas ocupan mayor volumen por unidad de tiempo, por lo tanto aumenta el numero de colisiones y la eficacia de estos por lo que aumenta la velocidad de reacción. A partir de la ley de velocidad, un aumento de la temperatura aumenta el valor de la constante cinética, según la E  − a   RT ecuación de Arrhenius  k = A ⋅ e  , la constante es exponencialmente directa a la temperatura, al aumentar la     constante, aumenta la velocidad.

Pregunta 3B.- Escriba las reacciones que tendrían lugar entre but‒3‒en‒1‒ol y cada uno de los siguientes reactivos. Indique en cada caso de que tipo de reacción se trata y nombre los productos obtenidos. a) Ácido sulfúrico y calor. b) Ácido clorhídrico. c) KMnO4 (oxidante). d) Ácido etanoico en medio ácido. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a. Reacción de eliminación (deshidratación) con formación de un doble enlace. H SO

4 CH 2 OH − CH 2 − CH = CH 2 2  → CH 2 = CH − CH = CH 2 Buta‒1,3‒dieno.

Q

b.

c.

Reacción de adición electrófila que sigue la regla de Markownikoff produciendo dos isómeros de posición. CH OH − CH 2 − CHCl − CH 3 (3 − clorobutan − 1 − ol ) Mayoritario CH 2 OH − CH 2 − CH = CH 2 + HCl →  2 CH 2 OH − CH 2 − CH 2 − CH 2Cl (4 − clorobutan − 1 − ol ) Reacción de oxidación. KMnO

4 CH 2 OH − CH 2 − CH = CH 2   → COOH − CH − CH = CH 2 Ácido but‒3‒enoico

d.

Reacción de esterificación o condensación. Es una adición con eliminación de una molécula de agua. CH 2 OH − CH 2 − CH = CH 2 + COOH ↔ CH 2 + COO − CH 2 − CH 2 − CH = CH 2 Etanoato de but‒3‒enilo

Pregunta 4B.- Cuando se introducen 2 mol de A y 2 mol de B en un recipiente de 20 L y se calienta a 600 ºC, se establece el siguiente equilibrio: A(g) + B(g)
C(g), con una constante Kp = 0,42. Calcule: a) La constante Kc. b) Las concentraciones de A, B y C en el equilibrio. c) Las presiones parciales de A, B y C en el equilibrio. d) Justifique hacia dónde se desplazaría el equilibrio si aumentase la presión total. Dato. R = 0,082 atm·L·K–1·mol–1. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a. La relación entre las constantes de equilibrio Kc y Kp es:

K c = K p ⋅ (RT )−∆n (g ) Donde ∆n(g) se refiere a la diferencia del número de moles gaseosos entre reactivos y productos

K c = 0,42 ⋅ (0,082 ⋅ 873)−(1− (1+1)) = 30,1 b.

Si se define por x al número de moles de A que desaparecen, el cuadro de reacción queda de la siguiente forma: A(g ) + B(g ) ↔ C(g )

Cond. iniciales (mol ) 2 Cond. equilibrio (mol ) 2 − x

2 2−x

− x

Por la ley de acción de masas, la constante en función de las concentraciones (Kc) viene expresada como: n (C ) V n (C ) [C] = Kc = = V⋅ [A ]⋅ [B] (n(A ) V ) ⋅ (n(B) V ) n (A ) ⋅ n (C)

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30,1 = 20 ⋅

x

(2 − x ) ⋅ (2 − x )

Ordenando se obtiene una ecuación de segundo grado x = 3,53 no valida por ser mayor a los moles iniciales 30,1x 2 − 140,4x + 120,4 = 0 :   x = 1,13 mol Las concentraciones en el equilibrio se calculan dividiendo los moles de cada uno entre el volumen. [A] = [B] = 2 − 1,13 = 0.0435 M ; [C] = 1,13 = 0,0565 M 20 20 c. Las presiones parciales de los tres componentes en el equilibrio se calculan mediante la ecuación de gases ideales conocidos los moles de cada uno de ellos. n (A ) ⋅ RT (2 − 1,13) ⋅ 0,082 ⋅ 873 n (C ) ⋅ RT 1,13 ⋅ 0,082 ⋅ 873 PA = PB = = = 3,1 atm ; PC = = = 4,04 atm V 20 V 20 d. Según Le Chatelier, cuando en un sistema en equilibrio se produce una perturbación, el sistema se desplaza en contra de la perturbación para reestablecer el equilibrio. Si en el sistema se aumenta la presión, el sistema se desplazará hacia donde ocupe menor volumen, oponiéndose de esa forma al aumento de presión y reestableciendo el equilibrio. Se desplazara hacia la DERECHA, que es donde solo ocupa un volumen.

Pregunta 5B.Cuando el yodo molecular reacciona con el ácido nítrico se produce HIO3, dióxido de nitrógeno y agua. a) Escriba y ajuste las semirreacciones de oxidación y reducción que tienen lugar. b) Escriba, ajustadas, la reacción iónica global y la reacción molecular global. c) Calcule el volumen de ácido nítrico del 65% de riqueza en masa y densidad 1,5 g·cm–3 que reacciona con 25,4 g de yodo molecular. d) Calcule el volumen de dióxido de nitrógeno gaseoso que se produce con los datos del apartado anterior, medido a 20 ºC y 684 mm de Hg. Datos. R = 0,082 atm·L·K‒1·mol‒1. Masas atómicas: H = 1; N = 14; O = 16; I =127. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a. Reacción sin ajustar:

I 2 + HNO3 → HIO3 + NO 2 + H 2 O  0 − 5e − I → I(V ) Oxidación Los átomos que cambian de valencia son:  e−  N(V ) + → N(IV ) Reducción Semireacciones iónicas sin ajustar:

Semireacción de oxidación I 2 → IO3− Semireacción de reducción NO 3− → NO 2 Se ajusta en medio ácido. Se empieza por ajustar el yodo:

Semireacción de oxidación I 2 → 2IO3− Semireacción de reducción NO 3− → NO 2 Se ajusta el oxigeno sumando en el miembro donde falta oxígeno tantas moléculas de agua como átomos de oxígeno falten:

Semireacción de oxidación I 2 + 6H 2 O → 2IO3− Semireacción de reducción NO3− → NO 2 + H 2 O Se ajusta el hidrógeno sumando protones donde falte hidrógeno:

Semireacción de oxidación I 2 + 6H 2 O → 2IO3− + 12H + Semireacción de reducción NO3− + 2H + → NO 2 + H 2 O

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Por último, se ajustan las cargas sumando electrones donde halla exceso de carga positiva o defecto de carga negativa, obteniendo las semireacciones iónicas ajustadas en masa y en carga:

Semireacción de oxidación I 2 + 6H 2 O → 2IO3− + 12H + + 10e − Semireacción de reducción NO 3− + 2H + + e − → NO 2 + H 2 O b.

Se combinan las semireacciones de oxidación y reducción para eliminar los electrones:

I 2 + 6H 2O → 2IO3− + 12H + + 10e −

Semireacción de oxidación

(

10 × NO3− + 2H + + 2e − → NO 2 + H 2 O

Semireacción de reducción Re acción iónca global

I 2 + 10 NO3−

+ 6H 2O + 20H

+

→ 2IO3−

)

+ 10 NO 2 + 10H 2 O + 12H +

Simplificando se obtiene la reacción iónica global. A la hora de simplificar, debemos tener en cuenta los protones que necesitaremos en cada miembro para formar los ácidos, en el primer miembro se van a formar 10 moléculas de ácido nítrico y en el segundo miembro, 2 de ácido yódico, por lo que se podrán simplificar 10 protones de cada miembro

I 2 + 10 NO3− + 10H + → 2IO3− + 10 NO 2 + 2H + + 4H 2 O La reacción molecular global se obtiene transformando los iónes en ácidos. I 2 + 10HNO3 → 2HIO3 + 10 NO 2 + 4H 2 O c.

Teniendo en cuenta la estequiometria de la reacción y utilizando factores de conversión:

V (HNO3 ) = 25,4 g I 2 ⋅

3 1 mol I 2 10 mol HNO 3 63 g HNO3 100 g (d + s )HNO 3 1 cm (d + s )HNO 3 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 64,6 cm 3 254 g I 2 1 mol I 2 mol HNO3 65 g HNO3 1,5 g (d + s )HNO 3

d. Al igual que en el apartado anterior, por factores de conversión se calculan los moles de NO2 que se forman, y mediante la ecuación de gases ideales, el volumen que ocupan. 1 mol I 2 10 mol NO 2 n (NO 2 ) = 25,4 g I 2 ⋅ ⋅ = 1 mol NO 2 254 g I 2 1 mol I 2

V (NO 2 ) =

n (NO 2 ) ⋅ RT 1 ⋅ 0,082 ⋅ 293 = = 26,7 L 684 P 760

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