Archivo de la categoría: Química

Problema 1714

Una estrategia para reducir gastos en la fabricación de joyas consiste en depositar un baño de oro sobre metales más económicos mediante la electrólisis a partir de una sal de oro en estado de oxidación +3. De este modo, la joya parece de oro pero sólo está recubierta por una capa muy fina del metal precioso.

a) Suponiendo que un electrodo es la joya y el otro es una barra de oro metálico, identifique y justifique el ánodo y el cátodo, sus polaridades y las reacciones que tienen lugar en el proceso electrolítico. Dibuje la celda electrolítica e identifique sus partes.
b) Determine el rendimiento de esta celda si, cuando hacemos pasar una corriente de 2,5 A durante 7,5 min, sólo se depositan 0,650 g de oro sobre la joya.

Datos: Masa atómica relativa: Au = 197,0.
Constante de Faraday: F=9.65\cdot10^4~C\cdot mol^{-1}.

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Problema 1713

Los haluros de plata precipitados en forma de cristales muy finos se utilizan en placas y películas fotográficas, ya que son muy sensibles a la luz.
Disponemos de 100 mL de una solución que contiene los aniones cloruro, bromuro y yoduro, cada uno en la misma concentración 0,1 M. Añadimos una solución muy concentrada de catión plata, de forma lenta y con agitación continua. Las sales de haluro de plata, que son el cloruro de plata, el bromuro de plata y el yoduro de plata, tienen muy baja solubilidad y precipitan a medida que aumenta la concentración del catión.

a) Calcule en qué concentración del catión plata comienzan a precipitar las tres sales de haluro de plata. Justifique el orden de precipitación de las tres sales.
b) ¿Cómo se verá afectado el equilibrio de solubilidad de las tres sales si añadimos una solución muy concentrada de cloruro de sodio después de la adición del catión plata?

Datos: Productos de solubilidad: K_{ps}(\text{cloruro de plata})=1.8\cdot10^{-10};
K_{ps}(\text{bromuro de plata})=7.7\cdot10^{-13};~K_{ps}(\text{yoduro de plata})=8.3\cdot10^{-17}.
Nota: Considere despreciable el aumento de volumen al añadir la solución del catión.

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Problema 1712

Los escaramujos o tapaculos son los frutos del rosal silvestre. El color rojo del fruto maduro es debido a la presencia de antocianinas, que absorben la radiación verde de la luz blanca que le llega y transmiten el color rojo complementario.

a) De acuerdo con la tabla del espectro electromagnético visible siguiente, calcule el rango de frecuencia y el rango de energía en los que observamos la absorción de las antocianinas.

\begin{array}{|c|c|}\hline\text{Color de la luz absorbida}&\text{Rango de longitudes de onda~(nm)}\\\hline\text{Rojo}&618-780\\\hline\text{Naranja}&581-618\\\hline\text{Amarillo}&570-581\\\hline\text{Verde}&497-570\\\hline\text{Cian}&476-497\\\hline\text{Azul}&427-476\\\hline\text{Violeta}&380-427\\\hline\end{array}

b) Explique cuál es el fenómeno espectroscópico en el que se diferencian las técnicas de IR y UV-Vis.
El espectro visible se encuentra entre el infrarrojo y el ultravioleta. Ordene los tres rangos espectrales por orden creciente de energía.

Datos: Constante de Planck: h=6.63\cdot10^{-34}~J\cdot s.
Velocidad de la luz en el vacío: c=3\cdot10^8~m\cdot s^{-1}.

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Problema 1711

El cloro es uno de los elementos más utilizados en nuestra sociedad y forma parte de muchos productos que utilizamos en la vida cotidiana. Es utilizado directamente como agente desinfectante y blanqueante, y también como materia prima en la producción de polímeros como el PVC. En el proceso Deacon, el cloro se obtiene industrialmente por oxidación del ácido clorhídrico según la reacción química siguiente:

4HCl(g)+O_2(g)\rightleftarrows2H_2O(g)+2Cl_2(g)\qquad\Delta H^0<0

Introducimos 32,85 g de HCl y 38,40 g de O_2 en un reactor cerrado de 10 L en el que previamente hemos hecho el vacío. Calentamos la mezcla de reacción a 390^\circ C, y cuando se alcanza el equilibrio observamos que hemos obtenido 28,40 g de Cl_2.

a) Calcule la constante de equilibrio en concentraciones (K_c) de la reacción, a 390^\circ C.
b) Razone cómo se verían afectados el rendimiento de la reacción y la constante de equilibrio en concentraciones (K_c) si:

— disminuimos el volumen del recipiente;
— aumentamos la masa inicial de O_2 ;
— aumentamos la temperatura;
— añadimos un catalizador.

Datos:
Masas atómicas relativas: H = 1,0; O = 16,0; Cl = 35,5.

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Problema 1710

El pentaóxido de dinitrógeno es un compuesto altamente reactivo que puede dar lugar a diferentes reacciones de descomposición en fase gaseosa, como por ejemplo:

2N_2O_5(g)\rightarrow4NO_2(g)+O_2(g)\qquad\Delta H^0(298~K)>0

a) Razone, cualitativamente, si la variación de entropía estándar (\Delta S^0) de la reacción anterior, a 298 K, es positiva o negativa. Calcule su valor a partir de los datos de la tabla termodinámica siguiente:

\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline\text{Sustancia}&O_2(g)&NO_2(g)&N_2O_5(g)\\\hline\begin{array}{c}\text{Entrop\'ia est\'andar absoluta }(S^0)\\(J\cdot K^{-1}\cdot mol^{-1}\end{array}&205.1&240.1&355.7\\\hline\end{array}

Diga si la reacción de descomposición del N_2O_5 en NO_2 y O_2 es espontánea a temperaturas altas o bajas, y justifique, cualitativamente, la respuesta. Suponga que los valores de entalpía y de entropía estándar no varían con la temperatura.

b) Al estudiar la cinética de descomposición del N_2O_5 en NO_2 y O_2, a la temperatura de 298 K, hemos obtenido los siguientes datos experimentales:

\begin{array}{|c|c|c|}\hline[N_2O_5(g)]~(mol\cdot l^{-1})&5\cdot10^{-2}&3\cdot10^{-2}\\\hline\text{Velocidad de reacci\'on }(mol\cdot l^{-1}\cdot s^{-1})&8.5\cdot10^{-5}&5.1\cdot10^{-5}\\\hline\end{array}

Determine el orden de reacción y calcule el valor de la constante de velocidad. Razone, a partir de un modelo cinético, qué efecto tiene sobre la velocidad de reacción la adición de un catalizador.

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Problema 1709

Las propiedades periódicas de los elementos químicos son propiedades físico-químicas que se repiten con cierta regularidad en los grupos y períodos de la tabla periódica de los elementos. La razón de esta regularidad tiene que ver con la configuración electrónica del elemento. La siguiente tabla recoge algunas propiedades de cuatro elementos químicos:

\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline&S&Cl&K^+&F^-\\\hline\begin{array}{c}\text{Primera energ\'ia de ionizaci\'on }\\(kJ\cdot mol^{-1})\end{array}&999.5&1251&&\\\hline\text{Radio i\'onico }(\mathring{A})&&&1.34&1.34\\\hline\end{array}

a) ¿Por qué la primera energía de ionización del cloro es mayor que la del azufre? El cociente de radios atómicos del potasio y el flúor (r_K/r_F) es superior a 1? Justifique las respuestas en base a las configuraciones electrónicas y en el modelo atómico de cargas eléctricas.
b) Justifique por qué podemos ionizar el cloro atómico si le hacemos llegar radiación ultravioleta (UV). La radiación visible no es capaz de ionizar el cloro, pero sí excitarlo. ¿Qué sucede en este proceso de excitación?

Datos: Números atómicos: Z(F) = 9; Z(S) = 16; Z(Cl) = 17; Z(K) = 19.
Número de Avogadro: N_A=6.023\cdot10^{23}~mol^{-1}
Velocidad de la luz en el vacío: c=3\cdot10^8~m\cdot s^{-1}
Constante de Planck: h=6.63\cdot10^{-34}~J\cdot s
Radiación ultravioleta (UV): longitud de onda entre 15 nm y 400 nm.
1~m=10^9~nm

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Problema 1708

El hidrógeno es un elemento abundante que generalmente no se encuentra como gas puro (H_2), sino unido al oxígeno (H_2O) o al carbono (CH_4). En un artículo publicado por la revista Nature Chemistry, expertos en nanotecnología de Stanford y Aarhus explican cómo se puede liberar el hidrógeno del agua a escala industrial mediante el uso de la electrólisis, sustituyendo el electrodo tradicional de platino (cátodo) por un electrodo de carbono grafito modificado químicamente.

a) Escriba las semirreacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo en la electrólisis de agua ligeramente acidulada. Dibuje un esquema del montaje experimental.
b) Efectuamos la electrólisis del agua durante veinte horas empleando una intensidad de corriente de 3,0 A. ¿Qué presión ejercerá el hidrógeno obtenido, si lo consideramos un gas ideal, en introducirlo en un recipiente de 0,10 L, donde la temperatura es de 200 K? Razone, mediante el modelo cinético-molecular de los gases, porque la presión real del hidrógeno se desvía algo de ese valor.

Datos: Constante de los gases ideales: R=0.082~atm\cdot l\cdot K^{-1}\cdot mol^{-1}=8.31~J\cdot K^{-1}\cdot mol^{-1}
Constante de Faraday: F=9.65\cdot10^4~C\cdot mol^{-1}.

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Problema 1707

La reacción en cadena de la polimerasa (conocida como PCR) es una técnica de biología molecular que consiste en sintetizar muchas veces un fragmento de DNA utilizando una polimerasa (enzima) que puede trabajar a temperaturas elevadas. Cuando hacemos una reacción de PCR, mezclamos en un tubo de ensayo diferentes ingredientes, como por ejemplo la polimerasa y el DNA del organismo que queremos estudiar, y, además, fijamos un pH y una concentración de iones Mg^{2+} para que la enzima trabaje adecuadamente.

a) Supongamos que en el tubo donde efectuamos una PCR trabajamos con una solución de MgCl_2,~5\cdot10^{-3} M y un pH fijo de 8,3. Diga, a partir de los cálculos necesarios, si en éstas condiciones precipita el hidróxido de magnesio y justifique la respuesta.
b) Para determinar la pureza de una muestra que contiene MgCl_2(s), podemos efectuar una valoración de precipitación del ión cloruro con una solución de nitrato de plata:

Cl^-(aq)+AgNO_3(aq)\rightarrow AgCl(s)+NO_3^-(aq)

Pesamos 0,6255 g de muestra y la disolvemos en agua hasta obtener 100,0 mL de solución. Al valorar 10 mL de esta solución, hemos necesitado 8,3 mL de nitrato de plata 0,1550 M para llegar al punto final de la valoración. ¿Cuál es la pureza de la muestra, expresada como porcentaje en masa de MgCl_2?

Datos: Masas atómicas relativas: Mg = 24,3; Cl = 35,5; Ag=108; O=16; N=14.
Producto de solubilidad del hidróxido de magnesio: K_{ps}=1.1\cdot10^{-12}.
Constante de ionización del agua: K_w=10^{-14}.

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Problema 1706

El airbag (o airbag) está considerado, en combinación con el cinturón de seguridad, como uno de los mejores sistemas para reducir las lesiones ocasionadas por un accidente de tráfico. Cuando un vehículo recibe un fuerte impacto, la azida de sodio (NaN_3) que llevan los airbags se descompone rápidamente y forma nitrógeno gaseoso, que llena la almohada y amortigua el golpe de los ocupantes.

a) La azida de sodio se prepara comercialmente a partir de la reacción entre el monóxido de dinitrógeno y el amiduro de sodio según la siguiente ecuación química:

N_2O(g)+2NaNH_2(s)\rightarrow NaN_3(s)+NaOH(s)+NH_3(g)

Cuando reaccionan a presión constante 4,0 mol de NaNH_2 con un exceso de N_2O, en condiciones estándar y a 298 K, se absorben 111,6 kJ de energía en forma de calor. Calcule la entalpía estándar de formación de la azida de sodio a esta temperatura.
b) En la bibliografía podemos encontrar los siguientes datos en relación con los cambios de fase del nitrógeno (N_2):

\begin{array}{|c|c|c|}\hline\text{Punto de fusi\'on}&\text{Punto de ebullici\'on}&\text{Punto triple}\\\hline1~atm&1~atm&0.123~atm\\\hline63.3~K&77.4~K&63.15~K\\\hline\end{array}

Defina el término punto triple de una sustancia. Haga un dibujo aproximado del diagrama de fases del nitrógeno, marque los tres puntos que figuran en la tabla e indique las zonas en las que el nitrógeno se encuentra en fase sólida, líquida y gaseosa. Razone si podemos sublimar el nitrógeno a presión atmosférica.

Datos: Entalpías estándar de formación a 298 K:

\Delta H_f^0(N_2O,g)=82~kJ\cdot mol^{-1};~\Delta H_f^0(NH_3,g)=-46.1~kJ\cdot mol^{-1};\\\Delta H_f^0(NaNH_2,s)=-123.7~kJ\cdot mol^{-1};~\Delta H_f^0(NaOH,s)=-425.2~kJ\cdot mol^{-1}

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Problema 1705

En la elaboración del vinagre se produce ácido etanoico (llamado habitualmente ácido acético) como producto de la fermentación del vino por acción de acetobácterias que combinan el etanol del vino y el oxígeno del aire. El RD 661/2012, de 13 de abril, establece la norma para el elaboración y comercialización del vinagre y fija las concentraciones mínimas de ácido acético:

– Vinagre de vino: mínimo, 60 g/L.
– Otros vinagres: mínimo, 50 g/L.

a) Escriba la reacción del ácido acético con agua. Diga si un vinagre de vino puede tener un pH de 3,0, y justifique, cuantitativamente, la respuesta.
b) Al valorar 5,0 mL de un vinagre de manzana con una solución de hidróxido de sodio 0,100 M necesitamos 43,3 mL de esta base para llegar a su punto final. Escriba la reacción de valoración e indique razonadamente si este vinagre cumple la normativa legal.

Datos: Masas atómicas relativas: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0.
Constante de acidez del ácido acético a 25^\circ C:~K_a=1.78\cdot10^{-5}.
Nota: Suponga que la acidez de los vinagres se debe sólo al ácido acético.

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