Solucionari 2 Batxillerat Química

S O L U C I O N A R I QUÍMICA

2 Autors Pere Castells i Esqué Núria Riba i Soldevila Francesc Andreu i Mateu Revisor tècnic Teo Prat Camós

BARCELONA - MADRID - BOGOTÀ - BUENOS AIRES - CARACAS - GUATEMALA MÈXIC - NOVA YORK - PANAMÀ - SAN JUAN - SANTIAGO - SÃO PAULO AUCKLAND - HAMBURG - LONDRES - MILÀ - MONT-REAL - NOVA DELHI - PARÍS SAN FRANCISCO - SYDNEY - SINGAPUR - SAINT LOUIS - TÒQUIO - TORONTO

Química 2 · Batxillerat · Solucionari No és permesa la reproducció total o parcial d’aquest llibre, ni el seu tractament electrònic, ni la transmissió de cap forma o per qualsevol mitjà, ja sigui electrònic, mecànic, per fotocòpia, per registre o d’altres mitjans, sense el permís previ i per escrit dels titulars del Copyright.

Dirigeixi’s a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos) si necessita fotocopiar o escanejar fragments d’aquesta obra (www.conlicencia.com).

Drets reservats

© 2013, respecte a la segona edició en català per:

McGraw-Hill/Interamericana de España, S.L. Edificio Valrealty, 1a planta Basauri, 17 28023 Aravaca (Madrid) ISBN: 0009418008 Editor del projecte: Conrad Agustí Edició: Núria Egido Disseny de coberta: Quin Team!

Disseny d’interiors: McGraw-Hill Il.lustracions: Albert Badia, Ventall, SCP Composició: Baber IMPRÈS A ESPANYA - PRINTED IN SPAIN

ÍNDEX

Unitat 1. Classificació de la matèria. Les substàncies pures

3

Unitat 7. Equilibris iònics heterogenis Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

10

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

12

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

Unitat 8. Reaccions de transferència d’electrons

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Unitat 2. Termodinàmica química

Unitat 3. Cinètica química Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

Unitat 4. Equilibri químic Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

Unitat 9. Aplicacions de les reaccions redox Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Unitat 10. Propietats periòdiques dels elements Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Unitat 5. Reaccions de transferència de protons

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

Unitat 6. De la hidròlisi a la neutralització

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Unitat 11. Quantificació de l’energia.

Anàlisi espectroscòpica. Enllaç químic Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

Activitats finals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

Prepara la selectivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

Quimitest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4

01

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

j Unitat 1. Classificació de la matèria. Les substàncies pures Activitats

5. Informa’t sobre què són els cromats i niquelats de l’acer.

El crom i el níquel que estan en solució en forma d’ió crom(III), Cr31, i d’ió níquel(II), Ni21, es dipositen en el càtode (que generalment és l’acer) com a crom i níquel metàl.lics, respectivament. La reacció al càtode és: Cr31 1 3 e2 Cr

1. Esbrina quines diferències hi ha en les varietats al.lotròpiques del fòsfor blanc i el fòsfor roig.

El fòsfor blanc té un aspecte semblant a la cera. Fon a 44,1 °C i es pot encendre espontàniament a 30 °C. És molt verinós, per aquest motiu cal guardar-lo dins de l’aigua. Fa agrupacions de quatre àtoms, P4, i forma tetraedres semblants al carboni. Malgrat que cristal.litza en el sistema cúbic, també ho pot fer en el sistema hexagonal. Lentament es transforma en la varietat roja, que realment és violeta.

El fòsfor roig és bàsicament amorf, però pot cristal.litzar en diversos sistemes. És més estable que el fòsfor blanc i poc verinós. No fon i sublima a pressió atmosfèrica. Sota pressió també existeix el fòsfor negre. El fòsfor blanc s’agafa com a referència, malgrat que és menys estable.

2. El sofre té al.lotropia. Cerca’n les varietats.

El sofre sòlid es pot trobar en forma ròmbica i monoclínica.

El sofre líquid es pot trobar en tres varietats a, b i g: el sofre a, format per molècules de 8 àtoms de sofre (S8) que es combinen en forma d’anell; el sofre b i el sofre g, en què el nombre d’àtoms és indeterminat.

Totes són varietats al.lotròpiques.

3. Cerca informació d’altres aplicacions industrials de l’electròlisi.

Ni21 1 2 e2 Ni 6. Esmenta un parell d’exemples d’aliments liofilitzats.

La liofilització és un procés que consisteix a congelar l’aliment i introduir-lo en una cambra de buit per tal que se’n separi l’aigua per sublimació. S’empra fonamentalment en la indústria alimentària i farmacèutica. És una tècnica cara i lenta, i solament s’utilitza per obtenir productes d’alta qualitat, ja que no altera les propietats nutritives i organolèptiques de l’aliment tractat. En són exemples el cafè soluble i la llet en pols.

Els alpinistes porten part del menjar liofilitzat al campament base.

7. Com obtindries llet concentrada (amb menys aigua) al laboratori sense que es malmetés?

Introduïm la llet en un baló i hi fem el buit, tot seguit hi apliquem una mica de calor, poca, i observem com la llet comença a bullir. És convenient afegir sucre i una mica de cera a la llet.

D’aquesta manera, s’aconsegueix que la llet bulli a uns 30 °C. Si es treballa bé s’obté una llet concentrada de molt bona qualitat. Com que ha bullit a 30 °C, la llet no s’ha malmès en absolut i els seus principis actius resten intactes.

8. Investiga per què: a) S’eixuga la roba mullada tant si fa vent com si fa calor.

• Obtenció d’oxigen i hidrogen: en l’electròlisi de l’aigua es forma hidrogen en el càtode i oxigen en l’ànode.

Les molècules d’aire, en topar amb les molècules d’aigua líquida de la roba mullada, els donen prou energia cinètica perquè passin a l’estat vapor. La humitat de l’aire influeix molt en aquest mecanisme; si el corrent d’aire està carregat d’humitat (és a dir, l’aire està molt carregat de molècules d’aigua), la roba triga més a eixugar-se.

• Refinament de metalls: per exemple, es pot augmentar el grau de puresa del magnesi i l’alumini mitjançant l’electròlisi.

b) L’aigua dels càntirs i sellons de material porós es manté fresca si es col.loquen en un lloc on hi hagi corrent d’aire, sempre que es tracti d’aire sec.

• Obtenció en estat pur de metalls preciosos: com l’or, el platí, el pal.ladi, l’iridi, etc.

A les terres de ponent es fabriquen uns càntirs negres anomenats sellons. Perquè els càntirs facin l’aigua fresca cal que «suïn», és a dir, que siguin porosos i l’aigua líquida en traspassi les parets lentament. El corrent d’aire evapora l’aigua de la superfície exterior del càntir. Com que, per evaporar-se, l’aigua ha de consumir calor (la calor latent d’evaporació), la pren del càntir, que d’aquesta manera es refreda. Els càntirs no porosos, com els vitrificats per a decoració, no refreden l’aigua.

Algunes aplicacions de l’electròlisi són: • Obtenció de clor i sosa: en l’electròlisi del clorur de sodi, NaCl, se separa la sal en els seus components: clor i sodi.

• Niquelar i cromar metalls: per exemple en dipositar níquel o crom metàl.lics damunt l’acer.

• Electrodeposició: varietat de l’electròlisi que s’empra per pintar les capes de fons d’automòbils (emprimació). La pintura carregada positivament (electrodeposició catòdica) es neutralitza elèctricament i es diposita damunt el metall que fa de càtode.

4. Esbrina per què van acidular l’aigua Nicholson i Carlisle.

Si no haguessin afegit àcid a l’aigua, aquesta, en ser pura i ionitzar-se molt poc, no seria conductora. L’àcid incorpora protons i genera ions que la fan conductora.

9. Sabent que el cotó té moltíssims grups OH en les seves molècules i que el niló no en té cap, esbrina per què costa molt més eixugar el cotó mullat que el niló.

L’aigua està formada per grups hidroxil, els quals tenen afinitat natural pels grups hidroxil del cotó, que en té una gran

QUÍMICA 2

quantitat, i s’hi adhereixen formant enllaços per pont d’hidrogen. Per aquest motiu costa tant d’eixugar el cotó en comparació amb el niló, en què no es formen enllaços per pont d’hidrogen. Per eixugar el cotó cal més energia que per eixugar el niló, ja que se n’ha d’aportar més per trencar els enllaços per pont d’hidrogen.

10. Si tenim gel a 20,5 ºC i hi apliquem un buit inferior a 0,00603 atm (4,58 mmHg), què penses que passarà?

El gel passarà a estat gasós, és a dir, sublimarà.

3 1 2 11. A partir de les dues equacions Ec 5 — ? k ? T i Ec 5 — m v2 2 2 dedueix si les molècules de dos gasos de masses diferents tindran igual velocitat mitjana a la mateixa temperatura absoluta. Considera, per exemple, el N2 i el CO2.

Dades: massa del nitrogen 5 28 uma; massa del diòxid de carboni 5 44 uma.

12. a) Calcula la calor que cal aplicar, a pressió atmosfèrica, a 3 kg de plom a 327 °C per fondre’l completament.

El plom està a la temperatura en què comença a fondre, ja que 327 °C 5 600 K (vegeu la taula 1.2). Per tant: Qf 5 m ? lf Qf 5 3 kg ? 23 kJ?kg21 5 69 kJ Hem d’aplicar 69 kJ per fondre completament el plom. b) Calcula la calor que cal aplicar a 2 L de mercuri a 360 °C per vaporitzar-lo.

El mercuri està a la temperatura en què comença a bullir, ja que 360 °C 5 633 K (vegeu taula 1.3). Per tant: 2 L ? 13,6 kg?L21 5 27,2 kg Qv 5 m ? lv Qv 5 27,2 kg ? 284,6 kJ?kg21 5 7 741,12 kJ

5

14. L’ozó és un contaminant important de l’aire que respirem.

Quantitats molt petites són suficients perquè sigui el responsable de molts processos de degradació per oxidació de biopolímers. Què volem dir quan parlem de parts per bilió d’ozó en una atmosfera contaminada? Explica-ho amb detall.

Per exemple, tres parts d’ozó per bilió en una atmosfera contaminada significa que hi ha tres molècules d’ozó en un bilió de molècules totals, és a dir, 3 molècules en 1012 molècules totals, és a dir, 3 ppb. És una quantitat ínfima, però es pot quantificar i detectar.

15. Els mol.luscs, entre altra fauna marina, són especialment sensibles a la presència del mercuri. Les cloïsses, escopinyes, navalles, musclos i ostres no es desenvolupen només que hi hagi 1 mg de mercuri per 100 t d’aigua. Com expressaries adequadament aquesta concentració de mercuri?

Per exemple, expressem la concentració de 3 mil.ligrams de mercuri en 3 centenars de tones d’aigua:

Cal escriure de manera correcta l’equació cinètica: 1 Ec 5 — m v 2 i cal insistir que la velocitat és la mitjana de la 2 velocitat quadràtica de totes les molècules. Si la temperatura absoluta és la mateixa, també ho serà l’energia cinètica. La massa molecular del N2 és inferior a la del CO2, i per tant, si l’energia cinètica no varia, cal que la velocitat augmenti.

01

3 mg 5 3 ? 1026 kg 5 3 ? 1029 tones 3 ? 1029 tones Hg —————————— 5 10211 5 10 ? 10212 3 ? 102 tones aigua Això equival a 10 ppb.

Activitats finals 1. Classifica els materials següents com a elements, mescles, substàncies pures o compostos: argent

calç

guix

alcohol

tinta

cautxú natural

llautó

benzina

estany

bronze

cristall de quars

sucre

sabó

aspirina

sal

pintura

detergent

diamant

• Argent, estany i diamant. Element, substància pura i homogènia.

• Alcohol i cristall de quars (SiO2). Compost, substància pura i homogènia. (L’alcohol comercial de farmàcia conté un 4 % d’aigua, però no ho considerem.)

13. Les calderes són generadors de vapor industrials que poden tenir aigua a temperatures de 200 °C en estat líquid. Com és possible?

• Calç, guix, sucre i sal. Si són comercials, com és habitual, són mescles de compostos. La calç i el guix contenen també silicats i carbonats. De vegades és possible observar amb una lupa els diferents integrants (per tant, poden ser mescles homogènies o heterogènies). El sucre pur s’anomena sacarosa; el sucre comercial és una mescla homogènia que conté sacarosa i altres compostos. La sal comercial és una mescla homogènia que conté, principalment, clorur de sodi amb una mica de iode, fluorurs i sulfats de diferents metalls.

A les altes pressions en què es treballa industrialment (més de 50 ? 105 kPa) l’aigua pot estar a 200 °C en fase líquida.

• Tinta, pintura i detergent. Mescla heterogènia (olis, pigments, additius); (tensioactius, aclaridor òptic, blavet, càrre-

Hem d’aplicar 7 741,12 kJ per vaporitzar completament el mercuri.

Dades: densitat del mercuri: 13,6 kg/L.

6

01

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

ga...). No és gens difícil observar alguns dels diferents ingredients.

• Cautxú natural (reïna de l’arbre Hevae brasiliensis). Mescla homogènia: dissolució aquosa anomenada làtex, constituïda, principalment, pel polímer d’isoprè i un petit percentatge de proteïnes, sucres, àcids grassos i reïnes.

• Aspirina. Mescla homogènia: àcid acetilsalicílic i altres productes efervescents i organolèptics.

Perquè l’aigua romangui en estat líquid a una temperatura inferior a 0 °C ha d’estar sotmesa a una pressió alta.

7. Com es pot aconseguir que un filferro ben prim, del qual pengen uns pesos grans, travessi una barra de glaç industrial gruixuda sense que la barra es trenqui? Explica per què. (Vegeu la figura 1.11.)

• Llautó i bronze. Mescla homogènia de metalls (dissolució sòlida). Aliatge entre dos metalls: coure-zinc (llautó) i coureestany (bronze).

• Benzina. Mescla homogènia: dissolució de diversos hidrocarburs mitjans.

• Sabó. Mescla homogènia: mescla de sals de sodi i potassi corresponents a àcids grassos, juntament amb colorants, amides escumants, perfums, etc.).

2. Quin procés fa possible que el fet de ventar-se refresqui la cara?

Quan ens ventem, circula aire a certa velocitat (vent) damunt la pell humida de suor. Com que les molècules líquides de suor passen a estat gasós i per fer-ho els cal energia, l’agafen en forma de calor de la mateixa suor líquida, la qual es refreda.

3. Tant la condensació com la solidificació alliberen calor.

Quin procés allibera més calor? Per què?

En la condensació passem d’estat gasós a estat líquid; és a dir, passem d’un estat absolutament desordenat i molt energètic a un altre de relativament ordenat i molt menys energètic.

En la solidificació passem d’un estat líquid una mica ordenat i de certa energia a un altre estat, més ordenat i menys energètic. Per tant, la condensació allibera molta més energia.

4. Observa la figura del punt triple de l’aigua. a) Et sembla que és possible que es mantingui en estat líquid a una pressió de 2,5 mmHg? No és possible que l’aigua es mantingui en estat líquid a una pressió de 2,5 mmHg, ja que perquè estigui en estat líquid ha d’estar a una pressió superior a 4,58 mmHg. Per sota d’aquesta pressió és absolutament impossible trobar aigua líquida, sempre sublima. b) I a una pressió de 6 mmHg? A 6 mmHg és possible trobar aigua líquida en un estret marge de temperatures proper als 0 °C. 5. És possible teòricament tenir aigua líquida a una pressió inferior a 0,00603 atm (4,58 mmHg)?

No, només pot estar en la fase gasosa o sòlida.

6. En quines condicions ha d’estar l’aigua perquè es mantingui en estat líquid a una temperatura inferior a 0 °C?

La zona on el filferro, que és molt prim, està en contacte amb el glaç està sotmesa a una pressió molt alta, la qual cosa fa que l’aigua romangui líquida malgrat que està lleugerament per sota dels 0 °C (vegeu el diagrama del punt triple de l’aigua).

Quan la pressió del filferro deixa d’actuar, l’aigua torna a solidificar a causa de la fredor ambiental i de la manca de pressió.

Per tant, es pot aconseguir que el filferro talli el gel sense que es trenqui la barra de glaç.

8. Com extrauries l’aigua del suc d’una taronja sense haver-la d’esprémer ni trinxar?

Per extraure el suc d’una taronja sense malmetre-la, es pot fer servir la liofilització, que consisteix a abaixar la temperatura i la pressió alhora fins a assolir unes condicions en què l’aigua sòlida sublima a vapor sense trencar les parets cel.lulars dels teixits vegetals de la taronja.

9. Per què el butà que hi ha a l’interior de les bombones es troba principalment en estat líquid i quan crema està en estat gasós?

El butà de l’interior de les bombones està sotmès a una alta pressió i en aquestes condicions el butà és líquid. En sortir de la bombona, el butà està a pressió atmosfèrica, molt més baixa, i en aquestes condicions el butà és gasós.

10. Si connectem a una bombona de butà un bufador pistola apte per escalfar industrialment i l’encenem, observarem que l’envàs taronja de la bombona es glaça per la part de fora. A què és degut aquest efecte?

Un bufador industrial consumeix molt butà en poca estona. La bombona perd ràpidament butà liquat i a molta pressió. Quan el butà passa en grans quantitats a estat gasós, necessita molta calor latent de vaporització, que pren de les parets de la bombona i de la mateixa massa líquida, la qual baixa de temperatura i es glaça per fora.

11. El CO2 sublima a temperatura ambient. Quan el CO2 sòlid sublima a 760 mmHg (pressió atmosfèrica), manté una temperatura de 195 K (278 °C). El seu punt triple es troba a 5,11 atm i a 256,4 °C.

01

QUÍMICA 2

7

15. Calcula la quantitat de calor necessària per dur 3 kg d’aigua líquida a 80 °C fins a vapor d’aigua sobreescalfat a 110 °C a pressió atmosfèrica.

p (mmHg)

Dades: Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21; Ce (vapor aigua) 5 1,92 kJ?kg21?K21; lv 5 2 252,1 kJ?kg21

líquid

Q 5 m ? Ce ? DT Qv 5 m ? lv

gas

sòlid

Calor necessària per escalfar l’aigua de 80 °C a 100 °C: Q1 5 3 kg ? 4,18 kJ/(kg?°C) ? (100 2 80)°C 5 250,8 kJ

3 880

punt triple

Calor necessària per vaporitzar l’aigua líquida: Q2 5 3 kg ? 2 252,1 kJ/kg 5 6 756,3 kJ

760 195

216,4

T (K)

a) Si volem fondre el CO2 sòlid, quina és la pressió mínima necessària perquè passi a l’estat líquid?

Si tenim CO2 sòlid i el volem passar a estat líquid necessitarem una pressió superior, en tot cas, a 3 880 Pa (5,1 atm).

Per sota d’aquesta pressió, el CO2 sòlid sublima. b) A quina temperatura mínima ho farà? (El diagrama de fases del CO2 té una forma anàloga al de l’aigua; vegeu la figura 1.12.)

La temperatura mínima de transició d’estat sòlid a estat líquid és de 216,4 K. Per sota d’aquesta temperatura, el CO2 sòlid mai no passa a líquid, i si canvia d’estat, ho fa a estat gasós, a una temperatura per sota dels 216,4 K i una pressió per sota dels 3 880 Pa. 12. És possible que les substàncies es trobin en estat sòlid, líquid i gasós alhora?

Sí, en el punt triple.

13. En les condicions de vida habitual, quina és aproximadament la pressió de vapor del gel quan fon? (Observa detingudament el gràfic de la figura 1.4 del punt triple de l’aigua.)

En les condicions habituals, la pressió de vapor del gel quan fon és d’uns 4,58 mmHg, equivalents a uns 610 Pa. 14. Un procediment per refrigerar l’aigua calenta en els processos industrials és mitjançant les torres de refrigeració.

Aquestes torres consisteixen en uns recintes per on baixa aigua i es fa circular sobre materials sòlids apilats, de manera que formi una pel.lícula fina. En sentit ascendent s’impulsa un corrent d’aire. A la part inferior es recull l’aigua que s’ha refredat. L’aire que surt per dalt té un alt contingut d’aigua en forma de gas. Explica per què es refreda l’aigua líquida.

L’aire que puja és relativament sec, i, en pujar, entra en contacte amb l’aigua, de manera que l’aire s’humiteja, ja que agafa aigua en estat gasós. Per poder passar a l’estat gasós, l’aigua necessita calor latent de vaporització, que pren de l’aire que puja i de la mateixa aigua líquida, que es refreda.

Calor necessària per escalfar l’aigua gasosa de 100 °C a 110 °C: Q3 5 3 kg ? 1,92 kJ/(kg?°C) ? 10 °C 5 57,6 kJ Calor total: Q1 1 Q2 1 Q3 5 250,8 kJ 1 6 756,3 kJ 1 57,6 kJ Q1 1 Q2 1 Q3 5 7 064,7 kJ 16. La taula 1.6 recull algunes temperatures i pressions crítiques de liquació: Tcrítica Diòxid de carboni

pcrítica

31 °C

73 atm

Oxigen

2119 °C

50 atm

Nitrogen

2147 °C

34 atm

Hidrogen

2240 °C

13 atm

Taula 1.6

Algun dels gasos que apareixen a la taula es podria liquar a temperatura ambient, 20 °C? L’únic que es pot liquar és el CO2 perquè 20 °C és una temperatura inferior a la seva temperatura crítica de 31 °C. 17. Una de les innovacions culinàries dels darrers temps és la introducció de la gelatina calenta en l’elaboració de plats.

La gelatina calenta s’obté fent bullir filaments d’agar-agar fins que es dissolen.

Si per dissoldre l’agar-agar cal escalfar 1 200 g d’aigua des dels 18 °C fins a la temperatura d’ebullició, respon les qüestions següents: a) Calcula la quantitat de calor que necessita l’aigua per assolir el punt d’ebullició.

Q 5 1,2 kg ? 4,18 kJ/(kg?°C) ? (100 2 18) °C 5 411,312 kJ b) Si en acabar el procés queden 1 050 g d’aigua, calcula la quantitat d’energia que ha necessitat l’aigua que s’ha evaporat.

1 200 g 2 1 050 g 5 150 g evaporats 0,15 kg ? 2 252,1 kJ/kg 5 337,815 kJ

8

01

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

c) Podem considerar la gelatina calenta com a matèria homogènia? I com a substància pura? Raona la resposta.

La gelatina calenta és una dissolució col.loïdal d’agar-agar en aigua. No és una substància pura, però és una mescla homogènia.

18. Per reciclar els metalls cal seleccionar-los i fondre’ls després per poder reutilitzar-los.

Si tenim 2,13 tones de ferro a 1 813 K, que és la temperatura de fusió del metall, quina quantitat d’energia cal aplicar per fondre’l totalment?

Dades: lf (ferro) 5 200,9 kJ/kg

La calor necessària per vaporitzar l’aigua líquida és: Qv 5 m ? lv Qv 5 0,0596 kg ? 2 252,1 kJ/kg 5 134,23 kJ I la calor total necessària és: Qtotal 5 Q 1 Qv 5 5,36 kJ 1 134,23 kJ 5 139,59 kJ 20. Segons la teoria cineticomolecular dels gasos, és possible que dos gasos a la mateixa temperatura puguin tenir diferent energia cinètica mitjana segons la seva fórmula molecular?

L’energia cinètica mitjana és: 3 Ec 5 — k T 2

Qf 5 m ? lf 2 130 kg ? 200,9 kJ/kg 5 427 917 kJ 19. L’alcohol etílic té una temperatura d’ebullició de 78,5 °C. Tenim 1,8 L d’aquest producte, de puresa del 96 % i densitat de 0,807 g/mL, a aquesta temperatura.

Dades: lv (etanol) 5 870,7 kJ/kg; lv (aigua) 5 2 252,1 kJ/kg; Ce (aigua) 5 4,18 kJ/kg?K a) Quin pictograma porten els recipients d’alcohol etílic?

Pictograma d'inflamable. b) Què podries fer si volguessis eliminar aquesta quantitat d’alcohol etílic?

Per eliminar l’alcohol etílic el podem cremar, o bé evaporar per ebullició. c) Calcula l’energia que es necessitaria per vaporitzar aquesta quantitat d’etanol.

0,807 kg etanol 96 % 1,8 L etanol 96 % ? ——————————— ?

1 L etanol 96 % 0,96 kg etanol pur ? —————————— 5 1,394 kg etanol pur 1 kg etanol 96 % Qv 5 m ? l Qv 5 1,394 kg ? 870,7 kJ/kg 5 1 214,19 kJ d) Calcula l’energia que es necessitaria per escalfar i vaporitzar la quantitat d’aigua que hi ha en els 1,8 L d’etanol del 96 % de puresa.

0,807 kg etanol 96 % 1,8 L etanol 96 % ? ——————————— 5 1 L etanol 96 % 5 1,4526 kg etanol 96 % 1,4526 kg etanol 96 % 2 1,394 kg etanol pur 5 5 0,0596 kg aigua La calor necessària per escalfar l’aigua de 78,5 °C a 100 °C és: Q 5 m ? Ce ? DT Q 5 0,0596 kg ? 4,18 kJ/(kg?°C) ? (100 2 78,5) °C 5 5,36 kJ

en què k és la constant de Boltzman i T la temperatura absoluta. Per tant, dos gasos diferents a la mateixa temperatura absoluta o kelvin tenen la mateixa energia cinètica mitjana.

21. Si la velocitat quadràtica mitjana es pot avaluar a partir de l’equació 2 v 5

3RT ———, on R 5 8,314 J?mol dllllll M

21?K21,

T és

la temperatura absoluta en kelvin i M és la massa molar en kg?mol21, calcula la velocitat quadràtica mitjana de les molècules d’heli, de massa molecular 4 g?mol21 a 273 K de temperatura.

Si apliquem la fórmula obtenim: 2 v 5

3 ? 8,314 J?K?mol ? 273 K —————————————— . 1 305 m?s dlllllllllllllllllllll 4 ? 10 kg?mol 21

21

23

21

Observem que la velocitat és extremament gran.

22. Entre els diferents contaminants gasosos podem inclourehi els freons. a) Què són aquests compostos?

Els freons són els derivats clorats i fluorats del metà i l’età. b) Quina problemàtica mediambiental creaven?

Els freons són molt estables i provoquen la destrucció de la capa d’ozó existent a l’estratosfera.

23. Cada dia es liqüen grans quantitats d’aire. Quina es podria considerar la temperatura crítica d’aquest procés?

Cal la taula de l’exercici 15 per poder-lo resoldre. En aquella taula veiem que CO2, oxigen i nitrogen, els tres gasos de l’aire (juntament amb el vapor d’aigua, fàcilment liquable), tenen unes temperatures crítiques de 31 °C, 2119 °C, 2147 °C. Per tant, per poder liquar l’aire, hem d’anar a una temperatura inferior a la més baixa i crítica. Això vol dir que si volem liquar l’aire hem d’anar a una temperatura per sota dels 2147 °C. 24. L’anàlisi de l’aigua d’un riu ens indica la presència de 2 mg de Hg per cada tona analitzada. Si la normativa internacional permet una presència, com a màxim, de 0,05 ppm de mercuri, estem dins la normativa mediambiental internacional?

01

QUÍMICA 2

2 mg Hg 1 tona ————— ? ————— 5 2 ? 1023 ppm 5 0,002 ppm 1 tona 1 000 kg Aquesta concentració és menor que 0,05 ppm; per tant, estem dins la normativa mediambiental internacional.

p (kPa)

0,3 mol HCl 36,5 g HCl 1 000 mL 100 500 mL ? —————— ? —————— ? —————— ? ——— 5 1 000 mL 1 mol HCl 1 180 g HCl 36

Punt crític

7385

25. Per fer una anàlisi d’aigües, cal preparar 500 mL d’una dissolució d’àcid clorhídric 0,3 M. L’ampolla d’àcid clorhídric que tenim al laboratori ens indica que és del 36 % i de densitat 1 180 kg/m3. a) Quants mL de HCl calen per fer la preparació? b) Com ho faries al laboratori?

9

Líquid Sòlid

517,6 101,3 Gas

5 12,89 mL 26. En l’aigua de mar hi ha una proporció de 0,003 g d’àcid ortosilícic (H4SiO4) per cada litre d’aigua. Sabries expressar aquesta concentració en molaritat?

1 mol H4SiO4 0,003 g H4SiO4 ———————— ? ———————— 5 3,12 ? 1025 M 1 L aigua 96,13 g H4SiO4 27. L’alumini és un element tòxic en determinades aigües. La quantitat d’alumini permesa és de 5 ? 1026 g/L. Expressa aquesta concentració en molaritat, tenint en compte que la molècula present en l’aigua és Al(OH)3.

Només cal dividir per la massa atòmica de l’alumini: 1 mol Al 5 ? 1026 g Al ——————— ? ————— 5 1,85 ? 1027 M 3 27 g Al 1 dm solució La molaritat permesa és d’1,85 ? 1027 M. 28. Explica les semblances i diferències entre punt crític i punt triple. El clor és un gas que té un punt crític a 144 °C. Tenim clor a 425 K i el volem liquar. Què haurem de fer?

425 K és una temperatura major que la crítica de 144 °C (5 417 K). Per tant, si volem liquar el clor, abans l’haurem de refredar clarament per dessota aquells 417 K. I després comprimir-lo.

29. Saps explicar de manera qualitativa què li passa a una solució d’aigua una mica salada quan la refredem molt?

Si se la refreda suficientment comença a congelar-se l’aigua sola, i per tant la solució restant es va concentrant en sal. En concentrar-se, cada vegada li costa més glaçar-se l’aigua restant, però ho va fent. I la solució restant es va concentrant cada vegada més en sal. Fins que s’arriba a un punt, a 221,12 °C, en què es glacen separadament la sal i l’aigua, formant cristalls distingibles entre si.

Referent a això val la pena llegir l’interessant article de Claudi Mans, a l’adreça següent: http://www.angel.qui.ub.es/mans/Documents/Textos/ glacons410-NPQ.pdf 30. Observa el diagrama de fases de la figura 1.14. Tenim CO2 a temperatura ambient. El comprimim a poc a poc (quasi a temperatura constant) fins 6 100 kPa (61 atm aproximadament).

194,7 216,6

304,2

T (K)

Fig. 1.14. Diagrama de fases del CO2.

a) Què li passa?

Es liquarà. b) Un cop comprimit i a temperatura ambient el descomprimim sobtadament fins a la pressió atmosfèrica (101,3 kPa); ho fem de forma molt ràpida. En fer-ho la temperatura del CO2 baixa dràsticament. Respon què passarà: I) Sortirà directament gas.

II) Sortirà directament líquid.

III) Sortirà directament líquid que es vaporitzarà al cap de poc.

IV) Sortirà un sòlid amb una miqueta de gas, i el sòlid sublimarà progressivament.

Raona-ho mitjançant el diagrama de fases del CO2.

Sortirà sòlid, resposta d), perquè en la descompressió sobtada, el CO2 agafa l’energia necessària per a aquest procés d’ell mateix, i surt glaçat, però a la pressió atmosfèrica i temperatura ambient, el CO2 només pot estar en fase gas.

Surt barrejat amb una miqueta de gas perquè el procés, tot i ser sobtat, no és del tot instantani. Vegi’s el diagrama de fases. Per tant, el CO2 sòlid sublimarà ràpidament. c) És possible liquar el CO2 a una temperatura inferior a 216,6 K? Raona-ho. És del tot impossible liquar CO2 a una temperatura inferior a 216 K, sigui quina sigui la pressió. d) Tenim CO2 a 315 K (a ple sol d’estiu) i 100 kPa. Què creus que passarà si el comprimim moltíssim? Raona-ho.

El CO2 a aquesta T està en fase supercrítica o fluid permanent, ja que està a T superior a la Tc 5 304,2 K. Per molt que el comprimim, a 315 K no es condensarà (liquarà ni solidificarà). No li passarà res, apart d’estar més comprimit.

31. Una concentració de 3 mg per litre de solució equival a: a) 0,3 %. d) 0,3 ppb.

b) 3 ppm. e) Cap de les anteriors.

La resposta correcta és 3 ppm és la b).

c) 30 ppm.

01

10

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

32. Disposem d’un pot de coure de 0,300 kg de massa. Hi aboquem 0,400 kg d’aigua. El pot i l’aigua estan a 288 K. A continuació hi afegim 0,200 kg d’un altre líquid que està a 333 K. Finalment, la temperatura del conjunt és de 293 K. Les calors específiques del coure i de l’aigua són, respectivament, 389 i 4 186 J/(kg?K). Calcula la calor específica del segon líquid.

En el punt triple coexisteixen les tres fases alhora: sòlid, líquid i gas.

A 1 atm l’aigua congela a 273,15 K.

Q coure 1 Qaigua 5 Q líquid desconegut

Si augmentem la pressió, la temperatura de congelació serà més baixa. Observeu que el pendent de la interfase entre sòlid i líquid és negatiu.

[0,3 kg ? 0,389 kJ/(kg?K) ? (293 K 2 288 K)] 1 1 [0,4 kg ? 4,186 kJ/(kg?K) ? (293 K 2 288 K)] 5 5 0,2 kg ? Ce ? (333 K 2 293 K) on l’única incògnita és Ce: 0,5835 1 8,372 5 8 Ce Ce 5 1 119,4 J/(kg?K) 33. Tenim dos recipients a 300 K. Un conté heli i l’altre conté nitrogen. Les pressions d’un i altre són, respectivament, 200 kPa i 300 kPa. Coneixem les equacions que fan refe3 2 rència a l’energia cinètica de les molècules: Ec 5 — ? k ? T 2 1 2 i Ec 5 — m v2, en què v és la velocitat mitjana de les mo2 lècules i k és la constant universal de Boltzmann, que val 1,38 ? 10223 J/K. Considerem els dos gasos amb comportament ideal. L’heli té una massa atòmica de 4 uma i el nitrogen, diatòmic, té una massa molecular de 28. Indica quin dels dos gasos té les molècules amb una energia cinètica més alta. Raona-la.

En comportar-se els dos gasos com gasos ideals i estar a la mateixa temperatura absoluta, tindran també la mateixa energia cinètica, ja que aquesta depèn només de la temperatura 3 2 absoluta segons l’equació Ec 5 — ? k ? T. 2

Prepara la selectivitat 1. A partir de la figura, on es mostra el diagrama de fases de l’aigua, contesteu raonadament les qüestions.

b) En quines condicions de pressió sublima l’aigua sòlida?

A quina temperatura bull l’aigua a 1 atm de pressió? Si augmentem la pressió, la temperatura d’ebullició serà més alta o més baixa?

L’aigua sòlida sublima per sota de 273,16 K i a una pressió inferior a 0,0006 atm.

Si augmentem la pressió, la temperatura d’ebullició augmenta. A partir del punt crític (624 K, 218 atm) en amunt, no es pot distingir entre líquid i vapor i no es pot parlar d’ebullició.

2. [Curs 10-11] Un dels gasos més presents en la nostra vida és el metà, component principal del gas natural, que és un bon combustible. A partir de les dades de la taula 1.7, responeu a les qüestions.

Reacció de combustió

Entalpia de combustió (kJ?mol21)

CH4(g) 1 2 O2(g)

CO2(g) 1 2 H2O(l)

2890,3

C(s) 1 O2(g)

CO2(g)

2393,5

1/2 H2(g) 1 O2(g)

H2O(l)

2285,8

Taula 1.7. Entalpies de combustió en condicions estàndard i a 298 K.

Dades: Densitat de l’aigua (entre 10 °C i 45 °C) 5 1 kg?L21.

p (atm)

Capacitat calorífica específica de l’aigua (entre 10 °C i 45 °C) 5 4,18 (J?K21?g21).

Punt crític

218

Sòlid

Massa molecular relativa del metà 5 16,0 g/mol.

Imagineu que us voleu dutxar amb l’aigua a una temperatura de 45 °C. Tenint en compte que l’aigua entra a l’escalfador a 10 °C i que en gastareu 30 L, digueu quina massa de metà cal cremar, a pressió constant, per escalfar-la.

Líquid

1 0,006

a) Quin és el significat del punt triple? A quina temperatura congela l’aigua a 1 atm de pressió? Si augmentem la pressió, la temperatura de congelació serà més alta o més baixa?

Calculem la massa d’aigua que cal escalfar i la variació de temperatura de l’aigua:

Gas

massa d’aigua 5 m 5 30 L ? (1 kg/1 L) 5 30 kg 5 30 000 g

Punt triple

variació de temperatura 5 DT 5 (45 2 10) 5 35 °C 5 35 K Càlcul de la calor que es necessita per escalfar l’aigua: 273,15 273,16 373 fases de l’aigua Fig 1.15. Diagrama Diagrama de fases dedel’aigua.

624

q 5 Ce ? m ? DT

T (K)

q 5 4,18

J?K21?g21 ? 30 000

g ? 35 K 5 4 389 000 J 5 4 389 kJ

01

QUÍMICA 2

També es pot donar com a correcte:

A partir de les dades de la taula obtenim l’entalpia de combustió del metà: DHcomb metà 5 2890,3 kJ/mol

ànode (semireacció d’oxidació): OH2 1/2 O2(g) 1 H1 1 2 e2

A pressió constant:

càtode (semireacció de reducció):

q 5 DH 5 2890,3 kJ/mol metà (calor alliberada)

2 H1 1 2 e2 H2(g)

Càlcul de la massa de metà: 1 mol metà 16,0 g metà 4 389 kJ ? —————— ? —————— 5 78,9 g metà 890,3 kJ 1 mol metà Massa de metà 5 78,9 g

4. [Curs 09-10] En fer l’electròlisi de clorur de liti fos, LiCl, s’obté Cl2 a l’ànode i Li al càtode. a) Escriviu el procés que té lloc en cadascun dels elèctrodes i indiqueu quin és el procés d’oxidació i quin el de reducció.

3. Mitjançant el procés d’electròlisi de l’aigua es poden obtenir hidrogen i oxigen gasosos.

b) Quina polaritat tenen els elèctrodes? Ànode, pol positiu.

• Voltàmetre de Hoffmann o bé vas de precipitats (o cubeta) i tubs d’assaig.

Càtode, pol negatiu.

5. [Curs 11-12] Els diagrames de fases són representacions gràfiques de les condicions de pressió i temperatura que fan que una substància estigui en estat sòlid, líquid o vapor. Els perfils d’aquests diagrames per a l’aigua i per al diòxid de carboni són els següents:

• Dos elèctrodes (platí o grafit), pinces de cocodril i cable per connectar els elèctrodes.

• Pila o font d’alimentació.

• Aigua destil.lada.

Punt triple: T 5 273 K i p 5 0,611 kPa

Possible esquema del muntatge experimental:

+

Li1 1 e2 Li(s)

Càtode, reducció

El material que utilitzaria al laboratori per efectuar l’electròlisi de l’aigua seria:

Gas B

2 Cl2 Cl2(g) 1 2 e2

Ànode, oxidació

a) Indiqueu el material que necessitaríeu per dur a terme aquest procés al laboratori i feu un esquema del muntatge experimental.

Gas A

11

Aigua p

–

Líquid Sòlid

Vapor

T Aigua

Punt triple: T 5 216 K i p 5 517,6 kPa

p

Diòxid de carboni p

Elèctrode A

Líquid

Elèctrode B Líquid

Sòlid

Sòlid

b) Escriviu les equacions de les semireaccions que tenen lloc en cadascun dels elèctrodes.

Reaccions: ànode (semireacció d’oxidació): H2O 1/2 O2(g) 1 2 H1 1 2 e2

Vapor

Vapor

càtode (semireacció de reducció): 2 H2O 1 2 e2 H2(g) 1 2 OH

T

T

12

01

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

a) Què representen les línies que apareixen en un diagrama de fases? Expliqueu raonadament com varia la temperatura de fusió de les dues substàncies en augmentar la pressió.

Les línies del diagrama de fases representen les condicions de pressió i temperatura en les quals podem trobar en equilibri dues o tres fases d’una substància.

En augmentar la pressió, la temperatura de fusió de l’aigua disminueix en ser negatiu el pendent de la línia sòlid-líquid, mentre que en el diòxid de carboni la temperatura de fusió augmenta en ser positiu el pendent de la línia sòlid-líquid. b) Justifiqueu el fet que, a pressió atmosfèrica (101,3 kPa), l’aigua pot passar de sòlid a líquid i de líquid a vapor, modificant la temperatura, mentre que amb el diòxid de carboni no passa el mateix.

La pressió del punt triple per a l’aigua és 0,611 kPa, és a dir, inferior a la pressió atmosfèrica (101,3 kPa). Això ens indica que si fixem la pressió igual a la pressió atmosfèrica, es pot passar de sòlid a líquid i de líquid a vapor augmentant la temperatura.

En el cas del diòxid de carboni, la pressió del seu punt triple és 517,6 kPa, superior a la pressió atmosfèrica (101,3 kPa).

Això ens indica que si fixem la pressió igual a la pressió atmosfèrica, es pot passar, només, de sòlid a vapor augmentant la temperatura.

Quimitest 1. La nostra suor és: a) Matèria homogènia.

b) Solució.

c) Mescla homogènia.

d) Totes són veritat.

4. Tenim 1 kg de plom a 600 K i 1 kg de gel a 273 K. Els hem de fondre. Quin absorbirà més calor? a) El plom, ja que és un metall. b) A priori no ho podem saber. c) La mateixa quantitat. d) El gel.

La resposta correcta és la d).

5. L’oli del motor dels cotxes és un producte contaminant? a) Sí. b) No. c) No ho podem saber. d) Depèn de si s’ha utilitzat.

La resposta correcta és la d).

6. Una concentració de 3 mg per litre de solució aquosa equival a: a) 3 ppm.

b) 3 ppb.

c) 3 %.

d) Cap de les anteriors.

La resposta correcta és la a).

7. Si comprimim el CO2 gasós a temperatura ambient fins a 61 bar passa a estat líquid. Si es descomprimeix sobtadament fins a la pressió atmosfèrica, la temperatura del CO2 baixa considerablement. Què et sembla que passaria si obríssim completament l’aixeta d’una bombona plena de CO2 líquid a 65 bar de manera que pogués sortir tot sobtadament? a) Sortiria CO2 gas.

La resposta correcta és la d).

2. L’aigua embotellada comercial: a) És de bona qualitat.

b) És una substància pura.

c) Bull a 100,0 °C.

d) És una solució.

b) Sortiria CO2 líquid. c) Sortiria CO2 sòlid. d) Sortiria una mescla de tots tres.

La resposta correcta és la c).

La resposta correcta és la d).

3. L’aire és una mescla de nitrogen, N2; oxigen, O2; diòxid de carboni, CO2, i quantitats molt petites de gasos nobles com ara neó, Ne; argó, Ar; criptó, Kr, i xenó, Xe. Quan tenim aire a una temperatura determinada, les molècules amb una velocitat mitjana més ràpida són:

8. A quina temperatura bull, a nivell del mar, l’aigua ensucrada de l’almívar? a) A 100 °C. b) A menys de 100 °C.

a) Les d’oxigen.

b) Les de nitrogen.

c) A més de 100 °C.

c) Les de xenó.

d) Les d’argó.

d) No ho podem saber a priori.

La resposta correcta és la c).

La resposta correcta és la c).

QUÍMICA 2

j Unitat 2.

Termodinàmica química

02

13

I obtenim: Qaigua 5 36 kg ? 4,186 kJ/(kg?K) ? 30 K 5 4 520,88 kJ

1. Posa altres exemples quotidians en els quals quedi reflectida la importància de l’energia en una reacció.

4. La utilització de l’hidrogen com a combustible és una de les alternatives energètiques de futur. La baixa contaminació que provoca fa possible que s’utilitzi de manera massiva, si es troba una manera econòmica de fabricar-lo. Calcula la quantitat de calor generada per cada 100 g d’hidrogen.

Una de les reaccions exotèrmiques típiques és la reacció de combustió del carbó segons el procés representat per l’equació:

Dades: la variació d’entalpia de la reacció és de 2285,8 kJ per cada mol de H2O format.

Activitats

C(s) 1 O2(g) CO2(g) La combustió d’un mol de carbó, en estat sòlid, desprèn 395 kJ. Un altre exemple de reacció exotèrmica és la combustió del butà.

L’obtenció d’energia dels aliments és un procés exotèrmic. Els éssers vius necessiten energia per mantenir la temperatura en els éssers homeoterms. Aquesta energia s’obté de la combustió química dels aliments. El contingut energètic d’un aliment, és a dir, la quantitat d’energia despresa en la seva degradació, depèn de la seva composició química.

Un altre exemple quotidià són les piles, dispositius capaços de produir energia elèctrica mitjançant una reacció química.

2. El cafè és probablement la més universal de les preparacions aquoses que es consumeixen. Tenim 100 g de cafè a 15 °C i el posem al microones durant 1 minut per escalfarlo. Quan acabem, en mesurem la temperatura i és de 75 °C. Si la calor específica del cafè és pràcticament la de l’aigua, quina és l’energia calorífica subministrada a aquesta preparació?

Apliquem l’expressió:

Q 5 m ce DT

I obtenim: Qcafè 5 0,1 kg ? 4,186 kJ/(kg?K) ? 60 K 5 25,116 kJ 3. Una de les maneres de coure el bacallà si en volem conservar les propietats organolèptiques és posar-lo en una bossa especial, fer-hi el buit i introduir-la en un bany d’aigua amb control de temperatura a 50 °C durant 14 minuts (l’aparell que s’utilitza s’anomena Roner).

Quina és la calor subministrada a l’aigua del recipient per passar dels 20 °C inicials als 50 °C finals?

Dades: el recipient fa 50 cm de llarg, 30 cm d’ample i 30 cm d’alt, i l’aigua ocupa un 80 % de la capacitat total del recipient.

Primer calculem el volum del recipient: V 5 50 cm ? 30 cm ? 30 cm 5 45 000 cm3 1L 1 kg aigua 80 kg ? —————— ? ———— 5 45 000 cm3 —————— 1 L aigua 100 kg 1 000 cm3

La reacció és: 2 H2(g) 1 O2(g) 2 H2O(l) 1 mol H2(g) 2 mol H2O(l) 2285,8 kJ 100 g H2(g) ? —————— ? ——————— ? —————— 5 2 mol H2(g) 1 mol H2O(l) 2 g H2(g) 5 214 290 kJ 5. El consum de gas butà com a combustible a les llars ha disminuït molt els darrers anys. La variació d’entalpia de la reacció de combustió del butà és 22 878,3 kJ/mol i la reacció és: 13 C4H10(g) 1 —— O2(g) 4 CO2(g) 1 5 H2O(l) 2 Calcula la calor que s’intercanvia en el procés a volum constant i a 298 K. La variació del nombre de mols gasosos és: Dn 5 nproductes 2 nreactius 5 4 2 (6,5 1 1) 5 23,5 Sabem que Qp 5 Qv 1 p DV i que DH 5 Qp. Per tant: Qv 5 DH 2 p DV Calculem p DV:

p DV 5 DnRT

p DV 5 23,5 mol ? 8,31 J/(K?mol) ? 298 K 5 5 28 667,33 J 5 28,67 kJ Qv 5 DH 2 p DV 5 22 878,3 kJ 2(28,67 kJ) 5 22 869,63 kJ 6. El règim estipulat per a una persona d’uns 60 kg és de 2 000 kcal/dia, que s’anomenen també calories nutricionals.

A quans grams de glucosa equivalen?

Dades: la variació d’entalpia de la reacció de combustió de la glucosa és de 22 811,89 kJ per cada mol de glucosa transformat; 1 kcal 5 4,18 kJ La reacció és: C6H12O6(s) 1 6 O2(g) 6 CO2(g) 1 6 H2O(l) 4,18 kJ 2 000 kcal ? ————— 5 8 360 kJ 1 kcal

5 36 kg aigua

1 mol glucosa 8 360 kJ ? ———————— 5 2,97 mol glucosa 2 811,89 kJ

Q 5 m ce DT

180 g glucosa 2,97 mol glucosa ? ———————— 5 534,6 g glucosa 1 mol glucosa

Apliquem l’expressió:

14

02

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

7. [Curs 09-10] Es vol efectuar un experiment al laboratori per determinar, de manera aproximada, l’entalpia de dissolució de l’hidròxid de potassi en aigua.

Dades: Considereu negligible la calor absorbida pel recipient.

Capacitat calorífica específica de la solució 5 4,18 J?g21?°C21.

Densitat de la solució 5 1,0 g?mL21.

Dades: L’entalpia de reacció de combustió de la glucosa és de 22 811,89 kJ per cada mol de glucosa transformat.

La reacció de combustió de la glucosa és: C6H12O6(s) 1 6 O2(g) 6 CO2(g) 1 6 H2O(l) DH°r 5 [6 DH f°(CO2) 1 6 DH f°(H2O)] 2 DH f°(C6H12O6)

Masses atòmiques relatives: H 5 1,0; O 5 16,0; K 5 39,1.

22 811,89 5 [6 (2393,5) 1 6 (2285,8)] 2 DH f°(C6H12O6)

a) Descriviu el procediment que seguiríeu al laboratori i el material que faríeu servir.

DH f°(C6H12O6) 5 2 811,89 2 2 361 2 1 714,8 5 5 21 263,91 kJ/mol

Procediment experimental: En un calorímetre hi col·loquem un determinat volum d’aigua (o una determinada massa d’aigua) i mesurem la temperatura inicial. Posteriorment afegim una determinada massa de KOH sòlid al calorímetre. Agitem la mescla per dissoldre tot el sòlid, tapem el calorímetre i esperem un temps fins que la temperatura que ens marca el termòmetre deixi de pujar (s’estabilitzi). Mesurem aquesta temperarura final.

Material: • Calorímetre (per exemple un vas de plàstic amb tapa i aïllat).

• Reactius: aigua i KOH sòlid.

• Termòmetre.

• Balança.

• Si mesurem el volum d’aigua farem servir una pipeta (volum petit) o una proveta (volums més grans). b) Si en dissoldre 2,0 g d’hidròxid de potassi en 200 mL d’aigua es produeix un increment en la temperatura de la solució de 2,5 °C, quina és l’entalpia molar de la reacció de dissolució de l’hidròxid de potassi?

Massa d’aigua 5 200 mL ? (1 g/mL) 5 200 g m 5 massa de la solució final 5 200 1 2 5 202 g Calor absorbida per la solució 5 m ? c ? DT Calor absorbida per la solució 5 202 ? 4,18 ? 2,5 5 2 110,9 J q 5 calor despresa per la reacció 5 calor absorbida per la solució q 5 2 110,9 J quan es dissolen 2 g de KOH Massa molecular del KOH 5 56,1 Si la pressió és constant: DH 5 q Calor despresa DH , 0 (signe negatiu) 22 110,9 J 56,1 g KOH DH 5 —————— ? —————— 2 g KOH 1 mol KOH DH 5 259 211 J?mol21 8. La glucosa és un glúcid de fórmula C6H12O6 que en nomenclatura culinària s’anomena dextrosa. Quina és l’entalpia de formació de la glucosa?

9. El benzè és un compost perillós, ja que emet vapors tòxics que poden produir trastorns en l’aparell respiratori i nerviós.

Sabent que les entalpies de formació del benzè, del diòxid de carboni i de l’aigua són 48,95 kJ/mol, 2393,5 kJ/mol i 2285,8 kJ/mol, respectivament, calcula l’energia que es desprèn quan es cremen els 20 kg de benzè que conté una bombona.

15 La reacció és C6H6(l) 1 —— O2(g) 6 CO2(g) 1 3 H2O(l) 2 DH°r 5 [6 DH f°(CO2) 1 3 DH f°(H2O)] 2 DH f°(C6H6) DH°r 5 [6 (2393,5) 1 3 (2285,8)] 2 48,95 DH°r 5 22 361 2 857,4 2 48,95 5 23 267,35 kJ/mol 23 267,35 kJ 1 mol C6H6 ——————— ? ————— ? 20 000 g 5 2837 782,05 kJ 78 g C6H6 1 mol C6H6 10. L’alcohol etílic és emprat com a combustible per fer fondues de formatge, xocolata i carn. Calcula l’energia alliberada en cremar 92 g d’etanol a partir de les dades d’energies d’enllaç de la taula 2.3.

L’equació química corresponent a la reacció de combustió és: C2H5OH(l) 1 3 O2(g) 2 CO2(g) 1 3 H2O(l) Si tenim en compte les estructures de les molècules de reactius i productes i l’estequiometria de la reacció: Nombre de mols d’enllaços trencats: 5 C–H, 1 C–O, 1 O–H i 3 O }} O Nombre de mols d’enllaços formats: 4 C}} O i 6 O–H Apliquem la fórmula següent: DH°reacció 5 5 S(energia enllaços trencats) 2 S(energia enllaços formats) DH°r 5 5 ? 414 1 352 1 528 1 3 ? 498 2 (4 ? 715 1 6 ? 528) DH°r 5 21 584 kJ/mol L’entalpia estàndard de combustió de l’etanol varia lleugerament si es calcula a partir de les entalpies de formació dels seus components.

1 mol C2H5OH 21 584 kJ 92 g C2H5OH ? ——————— ? ————— 5 22 474 kJ 1 mol 46 g C2H5OH

02

QUÍMICA 2

11. [Curs 09-10] La reacció de combustió del metà, a 1 atm i 25 °C, es produeix segons l’equació següent:

15

13. Indica raonadament si els processos següents representen un augment o una disminució de l’entropia del sistema: a) L’obtenció de l’aigua (gas) a partir de l’hidrogen i de l’oxigen gasosos.

CH4(g) 1 2 O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(g) DH° 5 2849,3 kJ?mol21

A partir de dues molècules d’hidrogen i una d’oxigen s’obtenen dues molècules d’aigua i, per tant, podem dir que s’ordenen (variació d’entropia negativa).

Dades: Enllaç

O }} O

C }} O

O−H

Entalpia d’enllaç (kJ?mol21)

498

805

464

Taula 2.4

a) En la combustió del metà, és més gran la quantitat d’energia implicada en el trencament d’enllaços o en la formació d’enllaços? Raoneu la resposta.

La variació d’entalpia d’una reacció es pot calcular (aplicant la llei de Hess) com la suma de les entalpies (o energies) dels enllaços trencats menys la dels enllaços formats:

b) La sublimació del iode quan passa de sòlid a gas.

Quan el iode passa de sòlid a gas es desordena, és a dir, la variació d’entropia és positiva.

14. Amb les dades de la taula 2.5, justifica quantitativament si l’evaporació d’aigua líquida és entròpicament favorable.

L’equació química corresponent a la reacció és: H2O(l) H2O(g) Si apliquem la fórmula:

DH 5 (S nr Etrencats) 2 (S np Eformats)

DS°r 5 S np DS°p 2 S nr DS°r

Si DH , 0 E (enllaços formats) . E (enllaços trencats)

DS 5 184 2 70 5 114 J/mol K

Per tant, és més gran la quantitat d’energia implicada en la formació d’enllaços que en el trencament d’enllaços.

Per tant, és entròpicament favorable, tal com ja podíem pronosticar qualitativament, en produir-se un augment del desordre.

b) Calculeu l’entalpia de l’enllaç C−H. Aplicant l’equació anterior: DH 5 (S nr Etrencats) 2 (S np Eformats) En la reacció de combustió del metà: En els reactius, per cada molècula cal trencar 4 enllaços C–H i 1 enllaç O }} O. En els productes, per cada molècula cal formar 2 enllaços C }} O i 2 enllaços O–H. DH 5 [(4 EC–H) 1 (2 ? EO–O)] 2 [(2 EC–O) 1 (2 ? 2 EO–H)]

15. [Curs 09-10] El carbonat de calci es descompon, en condicions estàndards i a 25 °C, segons la reacció següent: CaCO3(s) CaO(s) 1 CO2(g)

Si l’entropia estàndard d’aquesta reacció (DS°) és 165 J?K21·mol21 : a) Calculeu l’energia lliure estàndard de la reacció a 25 °C. Raoneu si la reacció és espontània en condicions estàndards i a 25 °C. L’energia lliure (DG) la podem calcular en condicions estàndards i a 25 °C: DG° 5 DH° 2 T DS° DH° 5 178 kJ?mol21

2849,3 5 [(4 ? EC–H) 1 (2 ? 498)] 2 [(2 ? 805) 1 (4 ? 464)] Entalpia d’enllaç EC–H 5 405 kJ?mol21.

12. L’acidesa gàstrica és provocada per la producció excessiva de HCl. Això ocasiona moltes molèsties. Per tal d’eliminar-les, un dels compostos que s’utilitza és l’hidrogencarbonat de sodi (popularment anomenat bicarbonat).

Indica si la reacció produïda és espontània, és a dir, entròpicament favorable.

L’equació química corresponent a la reacció és: NaHCO3(s) 1 HCl(aq) NaCl(aq) 1 CO2(g) 1 H2O(l) Dels reactius, un es troba en estat sòlid i l’altre en dissolució aquosa, mentre que els productes es troben en dissolució aquosa, en estat gasós o líquid. Això comporta un augment de desordre en les molècules que inicialment estaven més ordenades i, per tant, DS . 0.

DH° 5 178 kJ?mol21

DS° 5 165 J?K21 ?mol21 5 165 ? 1023 kJ?K21 ?mol21 DG° 5 (178) 2 (298 ? 165 ? 1023) DG° 5 128,83 kJ?mol21 (o 128 830 J?mol21) DG° . 0

Reacció no espontània

b) Quina temperatura mínima s’ha d’aconseguir perquè el CaCO3 sòlid es descompongui en condicions estàndards?

Considereu que DS° i DH° no varien amb la temperatura.

Perquè sigui espontània: DG° , 0 Cal buscar la temperatura en què: DG° 5 0.

DG° 5 DH° 2 T DS°

0 5 DH° 2 T DS°

DH° 178 T 5 —— 5 ————— DS° 165 ? 1023 T 5 1 079 K (temperatura mínima perquè sigui espontània)

02

16

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

16. Justifica termodinàmicament que el cava s’hagi de beure molt fred.

En la producció del cava es forma internament diòxid de carboni, que queda dissolt en el líquid segons la reacció: CO2(g) CO2(aq) El procés és entròpicament desfavorable, DS , 0, perquè el CO2 està més ordenat en dissolució aquosa que no pas en estat gasós quan forma part de l’aire. El procés, per tant, ha de ser exotèrmic, DH , 0, perquè, si no, no es produiria mai.

Però perquè la reacció sigui espontània (DG 5 DH 2 T ? DS , 0), el valor de DH ha de ser més gran que el del terme T ? DS, (DH . T DS). És a dir, s’ha de minimitzar el terme desfavorable, T DS, la qual cosa s’afavoreix disminuint la temperatura.

Per tant, a temperatures baixes el gas està més dissolt en el líquid i s’evita que en obrir el cava el gas desaparegui ràpidament.

17. Amb les dades de les entalpies lliures de formació que figuren a la taula 2.7, justifica quantitativament si la descomposició de l’aigua oxigenada (peròxid d’hidrogen) en aigua i oxigen és espontània.

La reacció que es produeix és: H2O2(l)

1 H2O(l) 1 — O2(g) 2

19. En alguns processos industrials s’utilitza el benzè, que prèviament s’ha obtingut en plantes químiques com a derivat del petroli o del carbó.

El benzè pot produir vapors tòxics que afecten el sistema respiratori i nerviós; per tant, cal reciclar-ne els excedents o eliminar-los. Si en eliminar-los per combustió es detecta una emissió d’energia de 32 520 kJ, quina és la quantitat de benzè eliminat?

Dades: DHf (C6H6(l)) 5 48,95 kJ/mol; DHf (CO2(g))5 2393,5 kJ/mol; DHf (H2O(l))5 2285,8 kJ/mol.

La reacció que es produeix és: 15 C6H6(l) 1 —— O2(g) 6 CO2(g) 1 3 H2O(l) 2 Calculem l’entalpia de combustió del benzè: DH°r 5 [6 DH f°(CO2) 1 3 DH f°(H2O)] 2 DH f°(C6H6) DH°r 5 [6 (2393,5) 1 3 (2285,8)] 2 48,95 DH°r 5 22 361 2 857,4 2 48,95 5 23 267,35 kJ/mol Ara ja podem calcular la quantitat de benzè eliminat: 1 mol C6H6 78 g C6H6 32 520 kJ —————— ? —————— 5 776,34 g C6H6 3 267,35 kJ 1 mol C6H6

Apliquem l’expressió: DG °R 5 S np DG°fp 2 S nr DG°fr DG °R 5 2237,2 2 (2120,4) 5 2117 kJ/mol Per tant, la reacció és espontània.

18. El pentaclorur de fòsfor es transforma en triclorur de fòsfor i clor. Consulta les taules de DG°r i DH°r . A partir de quina temperatura és possible la reacció?

La reacció que es produeix és: PCl5(g) PCl3(g) 1 Cl2(g) DG°r 5 DG°f (PCl3) 2 DG°f (PCl5) DG°r 5 2286,3 kJ/mol 2 (2324,6 kJ/mol) 5 38,3 kJ/mol DH°r 5 DH f°(PCl3) 2 DH f°(PCl5)

Activitats finals 1. La massa d’aigua d’una piscina rectangular de dimensions 20 3 10 3 1,5 m s’escalfa durant un dia d’estiu des de 20 °C fins a 28 °C. Si la calor específica de l’aigua és 4,186 kJ/(kg?K), quina quantitat de calor subministra el Sol a aquesta massa d’aigua? (Suposem que la piscina està totalment plena.)

Aigua: 20 m ? 10 m ? 1,5 m 5 300 m3 5 3 ? 105 dm3 5 3 ? 105 kg aigua Calor: Q 5 m ? Ce ? T 5 3 ? 105 kg ? 4,186 kJ/(kg?°C) ? (28 2 20) °C Q 5 1,00464 ? 107 kJ

DH°r 5 2305,97 kJ/mol 2 (2398,77 kJ/mol) 5 92,8 kJ/mol Cal buscar el valor de DS°r aplicant l’expressió: DG°r 5 DH°r 2 T DS°r 38,3 kJ/mol 5 92,8 kJ/mol 2 298 K ? DS°r DS° 5 0,18289 kJ/(K?mol) 5 182,89 J/(K?mol) Per calcular a partir de quina temperatura és possible la reacció, aplicarem les condicions límit: DG°f 5 0 Així:

2. El reciclatge del vidre va ser el primer a introduir-se en l’esquema de la recollida selectiva. La raó és força evident: la transformació en vidre nou és relativament senzilla; només cal netejar-lo, fondre’l i tornar-lo a utilitzar.

Si tenim una tona de vidre a una temperatura de 18 °C i l’hem d’escalfar per fondre’l fins a 800 °C, quina calor cal subministrar en aquest procés només per escalfar el vidre?

La calor específica del vidre és 0,84 kJ/(kg?K).

Calor:

0 5 92,8 2 T ? (0,18289)

Q 5 m ? Ce ? T 5 1 000 kg ? 0,84 kJ/(kg?°C) ? (800 2 18) °C

T 5 507,4 K 5 234,4 °C

Q 5 656 880 kJ

QUÍMICA 2

3. Els cotxes de quatre cilindres són molt habituals. Considerem que en un model hipotètic cada cilindre té un radi de 4 cm, l’èmbol fa un recorregut de 9,95 cm i sobre els quatre cilindres s’efectua una pressió exterior de 2,5 ? 105 Pa. a) Quin és el cubicatge del vehicle?

Calculem el cubicatge del vehicle: Volum cilindre ? nre. cilindres 5 5 (42 ? 9,95) cm3 ? 4 cilindres 5 2 000 cm3 b) Quin és el treball realitzat en un moviment dels èmbols de cada cilindre?

02

17

1 (I) C(s) 1 — O2 CO(g) DH f° 5 2110,5 kJ/mol 2 DH f° 5 2393,5 kJ/mol (II) C(s) 1 O2 CO2(g) ________________________________________________ 1 2(I) CO(g) C(s) 1 — O2 DH f° 5 1110,5 kJ/mol 2 (II) C(s) 1 O2 CO2(g) DH f° 5 2393,5 kJ/mol ________________________________________________ 1 2(I) 1 (II) CO(g) 1 — O2 CO2(g) DH°r 5 ?

2 DH°r 5 1110,5 kJ/mol 2 393,5 kJ/mol 5 2283 kJ/mol

El treball que fa cada cilindre en un moviment de l’èmbol és:

Qp 5 DH°r 5 2283 kJ/mol

Volum d’1 cilindre 5 500 cm3 5 500 ? 1026 m3 5 5 ? 1024 m3

La calor a volum constant es calcula de la manera següent:

W 5 F ? x 5 p ? V 5 2,5 ? 105 Pa ? 5 ? 1024 m3 5 125 J

Qp 5 Qv 1 Dn ? R ? T

4. La calor de formació de l’aigua líquida a pressió constant i en condicions estàndards és 2285,8 kJ/mol. Quina és la calor de formació a volum constant?

1 H2(g) 1 — O2(g) H2O(l) 2 DH 5 DU 1 Dn ? R ? T DU 5 DH 2 Dn ? R ? T DU 5 2285,8 ? 103 J 2 (21,5) mol ? 8,314 J/(K?mol) ? 298 K DU 5 2282,08 kJ/mol 5. L’entalpia de formació del HCl en condicions estàndards és 92,21 kJ/mol. Quin és el valor de l’energia interna?

1 1 — H2(g) 1 — Cl2(g) HCl(g) 2 2

En condicions estàndards, T 5 298 K i, en aquest cas, la variació de mols gasosos és 20,5: Qv 5 Qp 2 Dn ? R ? T Qv 5 2283 000 J 2 (20,5) ? 8,314 ? 298 5 2281 761 J Qv 5 2281,76 kJ/mol c) Indica si la reacció és endotèrmica o exotèrmica i per què.

La reacció és exotèrmica perquè desprèn calor.

7. Calcula l’entalpia estàndard corresponent al procés següent: 3 CO(g) 1 Fe2O3(s) 3 CO2(g) 1 2 Fe(s) DHf (Fe2O3(s)) 5 2824 kJ?mol21 DHf (CO(g)) 5 2110,5 kJ?mol21 DHf (CO2(g)) 5 2393,5 kJ?mol21

DH°r 5 DH f°(productes) 2 DH f°(reactius) 5 92,21 kJ/mol 2 0 2 0

DH°r 5 3 DH f°(CO2) 2 [3 DH f°(CO) 1 DH f°(Fe2O3)]

DH°r 5 92,21 kJ/mol

DH°r 5 3 (2393,5) 2 [3 (2110,5) 1 (2829,73)]

DH° 5 DU 1 Dn ? R ? T 5 DU 1 (0 ? 8,314 ? 298)

DH°r 5 21 180,5 1 331,5 1 829,73 5 219,27 kJ

DU 5 92,21 kJ/mol 6. El monòxid de carboni és un gas tòxic que per reacció amb l’oxigen es pot transformar, en unes condicions determinades, en diòxid de carboni. Sabem que les entalpies de formació del CO i del CO2 són, respectivament, 2110,5 kJ/mol i 2393,5 kJ/mol. a) Escriu l’equació corresponent.

1 CO(g) 1 — O2 O2(g) 2 b) Calcula la calor a pressió i a volum constants en condicions estàndards.

Per calcular la calor a pressió i volum constants necessitem aplicar la llei de Hess. Cal tenir en compte que les entalpies de formació estan mesurades a pressió constant:

8. Calcula el valor de l’entalpia de la reacció següent: A12B 2C1D Dades: les entalpies de formació són: de A 5 241,84 kJ?mol21; de B 5 220,92 kJ?mol21; de C 5 262,76 kJ?mol21, i de D 5 28,37 kJ?mol21.

DH°r 5 [2 DH f°(C) 1 DH f°(D)] 2 [DH f°(A) 1 2 DH f°(B)] DH°r 5 [2 (262,76) 1 (28,37)] 2 [(241,84) 1 2 (220,92)] DH°r 5 2125,52 2 8,37 1 41,84 1 41,84 5 250,21 kJ 9. L’entalpia de la combustió del metanol, CH3OH, a 298 K és de 2724,4 kJ?mol21. Calcula l’entalpia de formació del metanol sabent que les de formació del diòxid de carboni i de l’aigua són, respectivament, 2393,5 kJ?mol21 i 2285,8 kJ?mol21.

02

18

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

La reacció de combustió del metanol és: 3 CH3OH(l) 1 — O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l) DH° c 5 2724,4 kJ/mol 2 DH°c 5 [DH f°(CO2) 1 2 DH f°(H2O)] 2 DH f°(CH3OH) 2724,4 5 [2393,5 1 2 (2285,8)] 2 DH f°(CH3OH) DH °f (CH3OH) 5 724,4 2 393,5 2 571,6 5 2240,7 kJ/mol 10. Calcula la variació d’entalpia estàndard de la reacció entre el carbur de calci i l’aigua per obtenir acetilè i hidròxid de calci: CaC2(s) 1 2 H2O(l) Ca(OH)2 1 C2H2(g) Dades: DH°f (CaC2(s)) 5 262,8 kJ/mol DH°f (CO2(g)) 5 2393,5 kJ/mol DH°f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol DH°f (Ca(OH)2(s)) 5 2986,6 kJ/mol DH°f (C2H2(g)) 5 226,8 kJ/mol DH°r 5 [DH f°(Ca(OH)2) 1 DH f°(C2H2)] 2 2 [DH f°(CaC2) 1 2 DH f°(H2O)] DH°r 5 [(2986,6) 1 (226,8)] 2 [(262,8) 1 2 (2285,8)] DH°r 5 2986,6 1 226,8 1 62,8 1 571,6 5 2125,4 kJ/mol 11. El metanol s’anomena col.loquialment alcohol de cremar. Si per encendre una foguera de Sant Joan comprem un recipient que en conté 900 g, quanta energia desprèn el metanol?

M (CH3OH) 5 12,01 1 (4 ? 1,01) 1 16 5 32,05 g/mol La reacció de combustió del metanol és: 3 (I) CH3OH(l) 1 — O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l) 2

La combinació d’aquestes reaccions, aplicant la llei de Hess, per obtenir la reacció (I) és: 2(IV) 1 (II) 1 2 (III) 5 238,7 2 393,5 2 (2 ? 285,8) 5 5 2726,4 kJ/mol metanol Calculem els mols de metanol que hi ha en el recipient que hem comprat: 900 g metanol ——————————— 5 28,08 mol metanol 32,05 g/mol metanol Finalment, ja podem calcular la calor de combustió que ha desprès: 28,08 g metanol ? (2726,4 kJ/mol) 5 220 397,3 kJ/mol 12. La reacció d’obtenció de l’etilè o etè a partir de l’età es produeix segons l’equació següent: CH3–CH3(g) CH2 }} CH2(g) 1 H2(g) L’etilè és un gas molt utilitzat industrialment per fer plàstics (polietilè), productes intermedis per a farmàcia, perfumeria, etc. Si sabem que les entalpies de formació de l’età i l’etè són, respectivament, 284,7 i 52,3 kJ/mol en condicions estàndards: a) Es tracta d’una reacció exotèrmica o endotèrmica?

La reacció de deshidrogenació és: CH3–CH3(g) CH2}} CH2(g) 1 H2(g) (I) 2 C(s) 1 3 H2(g) CH3–CH3(g) DH f° 5 284,7 kJ/mol (II) 2 C(s) 1 2 H2(g) CH2 } CH2(g) DH f° 5 52,3 kJ/mol Apliquem la llei de Hess i obtenim que: DH°r 5 (2I) 1 (II) 5 184,7 1 52,3 5 1137 kJ/mol Per tant, és una reacció endotèrmica. b) Quina és la calor a volum constant?

Considerem que l’aigua es condensa i allibera la calor de condensació.

La calor a volum constant és la variació d’energia interna, i es pot calcular a partir de:

A les taules trobem que les calors de formació d’aquests compostos són:

DH 5 DU 1 Dn ? R ? T

DH f°(CH3OH(l)) 5 2238,7 kJ/mol DH f°(CO2(g)) 5 2393,5 kJ/mol DH f°(H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol DH °f (O2(g)) 5 0 En estat molecular, la calor de formació de l’oxigen és zero.

Escrivim les reaccions de formació de cada compost: (II) C(s) 1 O2(g) CO2(g)

DH f° 5 2393,5 kJ/mol

1 (III) H2(g) 1 — O2(g) H2O(l) 2

DH f° 5 2285,8 kJ/mol

(IV)

1 C(s) 1 — O2(g) 1 2 H2(g) CH3OH(l) DH °f 5 2238,7 kJ/mol 2

DU 5 DH 2 Dn ? R ? T DU 5 137 000 J/mol 2 1 mol ? 8,314 J/(K?mol) ? 298 K DU 5 134,52 kJ/mol etilè c) Si disposem de 105 kJ, nets de pèrdues d’energia, quants quilograms d’etilè podem preparar?

Si disposem de 105 kJ nets d’energia podem fabricar: 1 mol etilè 28,06 g etilè 105 kJ ? —————— ? ——————— 5 21,90 g d’etilè 134,52 kJ 1 mol etilè 13. Els cotxes vells tenen els pistons balders, ja que no ajusten bé amb les parets del cilindre. Això provoca una combustió imperfecta. En la combustió es crema, a més de benzina o gasoil, oli de motor. Quins tipus de contaminació et sembla que provoquen aquests automòbils?

QUÍMICA 2

Es produeix massa CO, gas força més contaminant que el CO2.

També s’aboca oli lubrificant mal cremat i es malgasta combustible, ja que se n’ha de cremar més per fer el mateix treball.

A més, es produeixen quantitats petites de gasos nitrosos.

14. Quan es forma aigua segons la reacció següent: 2 H2 1 O2 2 H2O s’obté molta calor. Et sembla que és a causa de la combustió de l’hidrogen? Raona-ho.

Sí, ja que és una reacció fortament exotèrmica: DH °f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol 15. En la combustió d’1 g de metanol, CH3OH(l), a 298 K i a volum constant, s’alliberen 22,6 kJ d’energia en forma de calor. Calcula en kJ/mol les entalpies estàndards de combustió i de formació del metanol líquid.

3 CH3OH(l) 1 — O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l) 2 22,6 kJ 32 g metanol ——————— ? ———————— 5 723,2 kJ/mol 1 g metanol 1 mol metanol DU 5 2723,2 kJ/mol DH°r 5 2723,2 1 (1 2 1,5) ? 8,31 ? 1023 ? 298 DH°r 5 2724,4 kJ/mol

19

b) Calcula el volum d’oxigen, en condicions normals, que ha de reaccionar amb un excés de carboni sòlid perquè s’alliberin 451 kJ en la formació de monòxid de carboni segons la reacció de l’apartat a).

22,4 L O2 0,5 mol O2 451 kJ ? —————— ? ————— 5 45,71 L O2 110,5 kJ 1 mol O2 17. El peròxid de sodi, Na2O2, s’utilitza com a blanquejant en la indústria de la cel.lulosa i de la fusta, i també com un oxidant enèrgic. La reacció que es produeix és: 2 Na2O2(s) 1 2 H2O(l) 4 NaOH(s) 1 O2(g) Les entalpies estàndards de formació DH°f dels productes següents són: DH°f (NaOH(s)) 5 2426,7 kJ/mol DH°f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol

Dades: DH°f (CO2(g)) 5 2393,5 kJ/mol DH°f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol

02

DH°f (Na2O2(s)) 5 2511,7 kJ/mol Si tenim 10,0 g de Na2O2, digues quina quantitat de calor s’allibera: a) 7,17 kJ

b) 13,78 kJ

c) 23,84 kJ

d) 47,68 kJ

e) 537 kJ

f ) 688 kJ

La reacció que es produeix és: 2 Na2O2(s) 1 2 H2O(l) 4 NaOH(s) 1 O2(g) Calculem l’entalpia estàndard de reacció:

DH°r 5 [DH f°(CO2) 1 DH f°(H2O(l))] 2 DH f°(CH3OH(l))

DH°r 5 [4 (2426,7)] 2 [2 (2285,8) 1 2 (2511,7)]

2724,4 5 [2393,5 2 2 ? 285,8] 2DH f°(CH3OH(l))

DH°r 5 2111,8 kJ/2 mol Na2O2(s) 5 255,9 kJ/mol Na2O2(s)

DH f°(CH3OH(l)) 5 2240,1 kJ/mol 16. Sabem les variacions d’entalpia de les reaccions següents: 1 CO(g) 1 — O2(g) CO2(g) 2

DH° 5 2283 kJ

C(s) 1 O2(g) CO2(g)

DH° 5 2393,5 kJ

a) Calcula, mitjançant l’aplicació de la llei de Hess, l’entalpia de la reacció: 1 C(s) 1 — O2(g) CO(g) 2 1 (I) CO(g) 1 — O2(g) CO2(g) DH°r 5 2283 kJ/mol 2 (II) C(s) 1 O2(g) CO2(g)

DH f° 5 2393,5 kJ/mol

Combinant les dues equacions anteriors obtenim: 1 2(I) CO2(g) CO(g) 1 — O2(g) 2 (II) C(s) 1 O2(g) CO2(g)

DH°r 5 283 kJ/mol DH f° 5 2393,5 kJ/mol

Sumem aquestes dues darreres equacions: 1 C(s) 1 — O2(g) CO(g) 2

DH f° 5 2110,5 kJ/mol

10 mol Na2O2(s) 55,9 kJ 10 g Na2O2(s) ? ———————— ? ——————— 5 7,17 kJ 1 mol Na2O2(s) 78 g Na2O2(s) La resposta correcta és la a).

18. Calcula l’energia calorífica que s’allibera en la combustió de 50 dm3 d’acetilè, C2H2, mesurats a 25 °C i 101,3 kPa. La reacció de combustió és: 5 C2H2(g) 1 — O2(g) 2 CO2(g) 1 H2O(l) 2 Dades: DH°f (CO2(g)) 5 2393,5 kJ/mol DH°f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol DH°f (C2H2(g)) 5 226,8 kJ/mol La reacció que es produeix és: 5 C2H2(g) 1 — O2(g) 2 CO2(g) 1 H2O(l) 2 Calculem l’entalpia estàndard de reacció: DH°r 5 [2 (2393,5) 1 (2285,8)] 2 [226,8] DH°r 5 21 299,6 kJ/mol etí

20

02

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Tenint en compte que 101,3 kPa 5 1 atm, apliquem l’equació d’estat dels gasos ideals:

Tot seguit calculem la variació d’energia interna: DU° 5 DH° 2 Dn ? R ? T

pV 5 nRT

Dn 5 1 2 2 5 21 mol de gas

1 atm ? 50 L 5 n ? 0,082 (atm?L)/(K?mol) ? 298 K

DU° 5 274,7 2 [(21) ? 8,314 ? 1023 ? 298]

n 5 2,05 mol etí

DU° 5 274,7 1 2,47 5 272,2 kJ/mol

Finalment calculem l’energia que s’allibera: 1 299,6 kJ 2,05 mol etí ? —————— 5 2 664,18 kJ 1 mol etí 19. Calcula l’energia obtinguda en la combustió d’1 m3 de propà, C3H8, a temperatura i pressió constants de 298 K i 101,3 kPa. La reacció és: C3H8(g) 1 5 O2(g) 3 CO2(g) 1 4 H2O(l) Les entalpies estàndards de formació són: DH°f (C3H8(g)) 5 2103,8 kJ/mol DH°f (CO2(g)) 5 2393,5 kJ/mol DH°f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol Calcula també el volum d’aire necessari en la combustió d’1 m3 de propà, si sabem que tots els gasos es mesuren en les mateixes condicions de pressió i temperatura, i que l’aire conté un 20 % en volum d’oxigen.

La reacció de combustió del propà és: C3H8(g) 1 5 O2(g) 3 CO2(g) 1 4 H2O(l)

21. Per obtenir energia, disposem de diversos materials combustibles: metà (CH4), etanol (C2H5OH) i octà (C8H18). Si tenim en compte la rendibilitat energètica del procés de combustió i suposem un cost idèntic per unitat de massa per a cada substància, indica quina proposició és correcta. a) El metà és més car que l’etanol. b) El metà és més car que l’octà. c) L’octà és més car que l’etanol. d) L’octà és més barat que l’etanol i més car que el metà. e) L’octà és més car que l’etanol i que el metà.

Dades: Les variacions d’entalpia estàndards corresponents a les reaccions de combustió són: CH4(g) 1 2 O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l) DH°c 5 2890,2 kJ C2H5OH(l) 1 3 O2(g) 2 CO2(g) 1 3 H2O(l) DH° c 5 21 363 kJ

Tot seguit calculem l’entalpia estàndard de reacció: DH°r 5 [3 (2393,5) 1 4 (2285,8)] 2 (2103,8) DH°r 5 21 180,5 2 1 143,2 1 103,8

25 C8H18(g) 1 —— O2(g) 8 CO2(g) 1 9 H2O(l) 2 DH° c 5 25 473,3 kJ

DH°r 5 22 219,9 kJ/mol Finalment, esbrinem el volum d’aire necessari per cremar 1 m3 de propà: 5 m3 O2 100 m3 aire ? —————— 5 25 m3 aire 1 m3 propà ? —————— 3 20 m3 O2 1 m propà 20. Calcula la variació d’energia interna i la variació d’entalpia, a 298 K, del procés: C(grafit) 1 2 H2(g) CH4(g) Les variacions d’entalpia estàndards de combustió són: DH°c (CH4(g)) 5 2890,4 kJ/mol DH°c (C(grafit)) 5 2393,5 kJ/mol DH°c (H2(g)) 5 2285,8 kJ/mol La reacció de formació del metà és: C(grafit) 1 2 H2(g) CH4(g) Calculem la variació d’entalpia de la reacció, que coincideix amb l’entalpia de formació del metà, aplicant la llei de Hess:

Calculem l’energia obtinguda en cremar 1 mol de metà: 2890,2 kJ 1 mol metà —————— ? —————— 5 255,64 kJ/g metà 1 mol metà 16 g metà Procedim de la mateixa manera per a l’etanol: 21 363 kJ 1 mol etanol ——————— ? ——————— 5 229,63 kJ/g etanol 1 mol etanol 46 g etanol I per a l’octà: 25 473,3 kJ 1 mol octà ——————— ? —————— 5 248,01 kJ/g octà 1 mol octà 114 g octà La resposta correcta és la d). L’octà és més barat que l’etanol i més car que el metà.

22. La variació d’entalpia estàndard de formació del tetraòxid de dinitrogen gas, N2O4, val DH°f 5 9,16 kJ/mol. Calcula la variació d’energia interna DU corresponent.

La reacció de formació del tetraòxid de dinitrogen és:

890,4 5 DH °f (CH4) 2 [(2393,5) 1 2 (2285,8)]

N2(g) 1 2 O2(g) N2O4(g)

DH f°(CH4) 5 274,7 kJ/mol

DH f° 5 9,16 kJ/mol

02

QUÍMICA 2

Calculem la variació d’energia interna:

21

La calor despresa a pressió constant es calcula així:

DU° 5 DH° 2 Dn ? R ? T 5 9,16 2 [(22) ? 8,314 ? 1023 ? 298]

Dn 5 mol gasos final 2 mol gasos inicial 5 1 2 3 5 22 mol

DU° 5 9,16 1 4,96 5 14,12 kJ/mol

Qp 5 DH° 5 DU° 1 Dn ? R ? T

23. Un gas natural té la composició següent: 76 % de metà (CH4), 23 % d’età (C2H6) i 1 % de nitrogen (N2). Si suposem que en la combustió es forma només CO2 gas i H2O líquida, i que el nitrogen roman intacte, calcula l’energia que es desprèn en la combustió d’un metre cúbic de gas natural en condicions estàndards.

Qp 5 2885,25 kJ/mol 1 (22) ? 8,314 ? 1023 kJ/(K?mol) ? 298K Qp 5 2890,2 kJ/mol 25. En la indústria siderúrgica s’obté ferro metàl·lic a partir de la reacció química següent:

Les variacions d’entalpia estàndard de combustió del metà i de l’età són, respectivament:

3 3 Fe2O3(s) 1 — C(s) 2 Fe(s) 1 — CO2(g) 2 2 Calcula la variació d’entalpia d’aquesta reacció sabent que:

CH4(g) 1 2 O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l)

DH°f (CO2) 5 2393,5 kJ/mol

DH° c 5 2890,2 kJ/mol

DH°f (Fe2O3) 5 2829,73 kJ/mol

7 C2H6(g) 1 — O2(g) 2 CO2(g) 1 3 H2O(l) 2

3 DH°r 5 — DH°f (CO2) 2 DH°f (Fe2O3) 2 3 DH°r 5 — (2393,5) 2 (2829,73) 5 239,48 kJ/mol 2 Observa que la reacció d’obtenció del ferro metàl.lic a partir d’òxid de ferro(III) és endotèrmica; és a dir, cal que el sistema absorbeixi energia.

DH° c 5 21 559,7 kJ/mol La composició del gas natural és del 76 % de CH4, 23 % de C2H6 i 1 % de N2. Els percentatges es mantenen encara que variï la temperatura.

Recordeu que en condicions normals la temperatura és de 0 °C i que les entalpies de combustió estàndards es calculen a 25 °C. Recordeu que 1 mol de qualsevol gas en condicions normals ocupa un volum de 22,4 L. 1 m3 de gas natural conté: 1 mol CH4 760 L CH4 ? —————— 5 33,93 mol CH4 22,4 L CH4 1 mol C2H6 230 L C2H6 ? —————— 5 10,27 mol C2H6 22,4 L C2H6 No calculem els mols de N2 perquè no reaccionen.

Tot seguit, calculem l’energia que es desprèn en la combustió de cada gas: 2890,2 kJ 33,93 mol CH4 ? —————— 5 230 204,5 kJ 1 mol CH4 21 559,7 kJ 10,27 mol C2H6 ? ——————— 5 216 018,1 kJ 1 mol C2H6 La calor total despresa és: 230 204,5 kJ 1 (216 018,1 kJ) 5 246 222,6 kJ 24. La calor de combustió del metà a volum constant segons la reacció: CH4(g) 1 2 O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l) és de 2885,25 kJ/mol. Si la combustió es produeix a pressió constant en una bomba calorimètrica, quina és la calor de reacció? I la variació d’entalpia?

A volum constant, la calor despresa és la variació d’energia interna, DU: Qv 5 DU° 5 2885,25 kJ/mol

26. L’entalpia de formació DH°f del diòxid de nitrogen gasós és DH°f 5 33,61 kJ/mol. L’entalpia de formació del tetraòxid de dinitrogen gasós és DH°f 5 9,16 kJ/mol. Calcula la variació d’entalpia de la reacció de dissociació del tetraòxid en el diòxid segons la reacció: N2O4(g) 2 NO2(g) (I)

1 — N2(g) 1 O2(g) NO2(g) 2

DH °f 5 33,61 kJ

(II) N2(g) 1 2 O2(g) N2O4(g) DH °f 5 9,16 kJ ___________________________________________________ N2O4(g) 2 NO2(g) DH°r 5 ?

Apliquem la llei de Hess: 2 ? (I)

N2(g) 1 2 O2(g) 2 NO2(g)

DH° 5 67,22 kJ

2(II) N2O4(g) N2(g) 1 2 O2(g) DH° 5 29,16 kJ ___________________________________________________ N2O4(g) 2 NO2(g) DH°r 5 58,06 kJ 27. En cremar 1 g d’etanol, C2H5OH, es desprenen 29,713 kJ. Quina és l’entalpia de formació de l’alcohol etílic?

DH°f (CO2) 5 2393,5 kJ/mol DH°f (H2O) 5 2285,8 kJ/mol C2H5OH(l) 1 3 O2(g) 2 CO2(g) 1 3 H2O(l) Passem les dades a kJ/mol: 29,713 kJ 46 g C2H5OH —————— ? ——————— 5 1 366,8 kJ/mol d’alcohol 1 mol C2H5OH 1 g C2H5OH DH°c (C2H5OH) 5 21 366,8 kJ/mol

22

02

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

En la reacció de combustió de l’etanol es desprenen 1 366,8 kJ/ mol en forma de calor i, per tant, la variació d’entalpia de la reacció de combustió és: DH°r 5 21 366,78 kJ DH°r 5 [2 DH°f (CO2) 1 3 DH°f (H2O)] 2 DH°f (C2H5OH)

Apliquem la llei de Hess: 2(I) CO2(g) 1 CaO(s) CaCO3(s)

DH° 5 2177,6 kJ

1 (II) Ca(s) 1 — O2(g) CaO(s) 2

DH° 5 2635,5 kJ

DH°f (C2H5OH) 5 2277,6 kJ/mol

DH° 5 2393,5 kJ (III) C(s) 1 O2(g) CO2(g) ___________________________________________________ 3 Ca(s) 1 C(s) 1 — O2(g) CaCO3(s) DH f° 5 21 206,6 kJ 2

La variació d’entalpia de la reacció de formació de l’etanol és negativa, és a dir, és una reacció exotèrmica.

El problema també es pot resoldre mitjançant les entalpies de formació:

21 366,8 5 [2 (2393,5) 1 3 (2285,8)] 2 DH°f (C2H5OH)]

28. A les taules trobem que l’entalpia de formació del monòxid de nitrogen, NO, val DH°f 5 90,4 kJ/mol i que l’entalpia de formació del diòxid de nitrogen, NO2, val DH°f 5 33,61 kJ/mol.

Aplicant la llei de Hess, calcula la variació d’entalpia de la reacció que transforma el monòxid en diòxid segons: 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g) 1 1 (I) — N2(g) 1 — O2(g) NO(g) 2 2

DH f° 5 90,4 kJ

1 DH f° 5 33,61 kJ (II) — N2(g) 1 O2(g) NO2(g) 2 ___________________________________________________ DH°r 5 ?

2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g) Apliquem la llei de Hess: 22 ? (I)

2 NO(g) N2(g) 1 O2(g)

DH° 5 2180,8 kJ

2 ? (II) N2(g) 1 2 O2(g) 2 NO2(g) DH° 5 67,22 kJ ___________________________________________________ 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g) DH°r 5 2113,58 kJ 29. La variació d’entalpia estàndard de la descomposició del carbonat de calci segons la reacció: CaCO3(s) CO2(g) 1 CaO(s) és de 177,6 kJ/mol.

DH°r 5 177,6 5 [(2393,5) 1 (2635,5)] 2 DH f°(CaCO3(s)) DH f°(CaCO3(s)) 5 21 206,6 kJ 30. A partir de l’energia estàndard de formació de l’amoníac, NH3(g), de l’aigua, H2O(l), i de l’òxid de nitrogen, NO(g), calcula la variació d’entalpia estàndard de la reacció: 4 NH3(g) 1 5 O2(g) 6 H2O(l) 1 4 NO(g) La reacció es produeix a 298 K i 101,3 kPa. Indica si és endotèrmica o exotèrmica.

Dades: DH°f (NH3(g)) 5 246,11 kJ/mol DH°f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol DH°f (NO(g)) 5 90,4 kJ/mol 1 3 (I) — N2(g) 1 — H2(g) NH3(g) 2 2

DH f° 5 246,11 kJ

1 (II) H2(g) 1 — O2(g) H2O(l) 2

DH °f 5 2285,8 kJ

1 1 DH f° 5 90,4 kJ (III) — N2(g) 1 — O2(g) NO(g) 2 2 ___________________________________________________ 4 NH3(g) 1 5 O2(g) 6 H2O(l) 1 4 NO(g) DH°r 5 ?

Apliquem la llei de Hess: 24 ? (I) 4 NH3(g) 2 N2(g) 1 6 H2(g) 6 ? (II) 6 H2(g) 1 3 O2(g) 6 H2O(l)

Calcula l’entalpia estàndard de formació del CaCO3(s).

Les entalpies estàndards de formació són: DH°f (CaO(s)) 5 2635,5 kJ/mol DH°f (CO2(g)) 5 2393,5 kJ/mol (I) CaCO3(s) CO2(g) 1 CaO(s)

DH°r 5 177,6 kJ

1 (II) Ca(s) 1 — O2(g) CaO(s) 2

DH °f 5 2635,5 kJ

DH °f 5 2393,5 kJ (III) C(s) 1 O2(g) CO2(g) ___________________________________________________ 3 Ca(s) 1 C(s) 1 — O2(g) CaCO3(s) DH f° 5 ?

2

DH° 5 184,44 kJ DH° 5 21 714,8 kJ

DH° 5 361,6 kJ 4 ? (III) 2 N2(g) 1 2 O2(g) 4 NO(g) ___________________________________________________ 4 NH3(g) 1 5 O2(g) 6 H2O(l) 1 4 NO(g) DH°r 5 21 168,76 kJ L’energia que s’obté per cada mol de NH3 que reacciona és: 21 168,76 kJ ——————— 5 2292,19 kJ/mol 4 mol NH3 Per tant, la reacció és exotèrmica i DH°r 5 2292,19 kJ/mol.

El problema també es pot resoldre directament mitjançant les entalpies de formació: DH°r 5 [6 (2285,8) 1 4 (90,4)] 2 [4 (246,11) 1 5 ? 0] DH°r 5 21 168,76 kJ per a 4 mol NH3

02

QUÍMICA 2

31. La variació d’entalpia de la combustió de l’etanol és DH°c 5 21 363 kJ/mol i la corresponent a la glucosa és DH°c 5 22 817 kJ/mol. En la fermentació per fer vi o cervesa, la glucosa del most o del malt es transforma en etanol. Calcula la variació d’entalpia que es produeix en la formació d’un mol d’etanol a partir de glucosa. Les equacions corresponents són: C2H5OH(l) 1 O2(g) CO2(g) 1 H2O(l)

23

Apliquem la llei de Hess: 2 (I) 2 H2S(g) 1 3 O2(g) 2 SO2(g) 1 2 H2O(l) DH° 5 21 121,4 kJ DH°c 5 890,82 kJ 23 (II) 3 SO2(g) 3 S(s) 1 3 O2(g) ___________________________________________________ 2 H2S(g) 1 SO2(g) 2 H2O(l) 1 3 S(s) DH°r 5 2230,58 kJ 33. Calcula l’entalpia de formació de l’amoníac gasós a partir de les dades següents:

DHc 5 21 363 kJ C6H12O6(s) 1 O2(g) CO2(g) 1 H2O(l) DHc 5 22 817 kJ

Enllaç

Energies d’enllaç (kJ?mol21)

N;N

945

C6H12O6(s) C2H5OH(l) 1 CO2(g)

H–H

436

DH 5 ?

N–H

388

Primer hem d’ajustar les equacions: (I) C2H5OH(l) 1 3 O2(g) 2 CO2(g) 1 3 H2O(l) DH°c 5 21 363 kJ (II) C6H12O6(s) 1 6 O2(g) 6 CO2(g) 1 6 H2O(l) DH°c 5 22 817 kJ ___________________________________________________ C6H12O6(s) 2 C2H5OH(l) 1 2 CO2(g) DH°r 5 ?

Apliquem la llei de Hess: 22 ? (I) 4 CO2(g) 1 6 H2O(l) 2 C2H5OH(l) 1 6 O2(g) DH° 5 2 726 kJ (II) C6H12O6(s) 1 6 O2(g) 6 CO2(g) 1 6 H2O(l) DH°c 5 22 817 kJ ___________________________________________________ C6H12O6(s) 2 C2H5OH(l) 1 2 CO2(g) DH°r 5 291 kJ La variació d’entalpia en la formació d’un mol d’etanol és: 291 kJ 1 mol glucosa ——————— ? ——————— 5 245,5 kJ/mol etanol 1 mol glucosa 2 mol etanol 32. El sulfur d’hidrogen (gas) reacciona amb el diòxid de sofre (gas) per formar aigua (líquida) i sofre (sòlid). La reacció és: 2 H2S(g) 1 SO2(g) 2 H2O(l) 1 3 S(s) La variació d’entalpia de combustió del H2S val 2560,7 kJ/mol i se n’obté aigua en estat líquid. La variació d’entalpia de combustió del S(s) val 2296,94 kJ/mol i se n’obté SO2. Calcula la variació d’entalpia de la reacció del H2S amb el SO2.

Escrivim les equacions i les igualem: 3 (I) H2S(g) 1 — O2(g) SO2(g) 1 H2O(l) DH°c 5 2560,7 kJ 2 DH°c 5 2296,94 kJ (II) S(s) 1 O2(g) SO2(g) ___________________________________________________ 2 H2S(g) 1 SO2(g) 2 H2O(l) 1 3 S(s) DH°r 5 ?

Taula 2.8

El bescanvi net de calor per formar 1 mol de NH3 és la suma algèbrica de la calor necessària per trencar els enllaços dels reactius i formar els enllaços dels productes.

La reacció de formació de l’amoníac és: 1 3 — N2(g) 1 — H2(g) NH3(g) 2 2 Per trencar els enllaços dels reactius cal que donem calor al sistema. En aquest cas, cal trencar els enllaços corresponents a les molècules diatòmiques de nitrogen i hidrogen: 1 3 — ? 945 kJ 1 — ? 436 kJ 5 472,5 kJ 1 654 kJ 5 1 126,5 kJ 2 2 En formar-se els productes, el sistema desprèn energia. En el cas de l’amoníac es formen 3 enllaços N–H; per tant: 3 (2388 kJ) 5 21 164 kJ El balanç global d’energia de la reacció de formació de l’amoníac és la suma algèbrica de les dues calors anteriors: DH f° 5 S DHenllaços productes 2 S DHenllaços reactius DH f° 5 21 164 kJ 1 1 126,5 kJ 5 237,5 kJ/mol Aquest valor no coincideix exactament amb el valor experimental (246,11 kJ), però és del mateix ordre.

34. A partir dels valors de les energies d’enllaç i sabent que l’entalpia de combustió del metà és 2890,2 kJ?mol21, determina l’energia de l’enllaç O–H. Dades: DH° (C–H) 5 414 kJ?mol21 DH° (O }} O) 5 498 kJ?mol21 DH° (C–O) 5 715 kJ?mol21 L’equació química corresponent a la reacció de combustió del metà és: CH4(g) 1 2 O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l) Si tenim en compte les estructures de Lewis de les molècules de reactius i productes i l’estequiometria de la reacció: Nombre de mols d’enllaços trencats: 4 C–H i 2 O }} O

24

02

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Nombre de mols d’enllaços formats: 2 C }} O i 4 O–H Representem per E l’energia de l’enllaç O–H i verifiquem que: 2890,2 5 4 ? 414 1 2 ? 498 2 (2 ? 715 1 4 E) E (O–H) 5 528,05 kJ?mol21 35. Calcula l’entalpia de formació de l’àcid clorhídric gasós a partir de les dades següents: Enllaç

37. L’etè (etilè) es pot obtenir a partir de la hidrogenació de l’etí segons la reacció següent: C2H2(g) 1 H2(g) C2H4(g) Calcula l’increment d’entalpia estàndard a partir de les dades següents: DH°f (etí) 5 1226,8 kJ/mol DH°f (etè) 5 152,3 kJ/mol Per calcular l’increment d’entalpia estàndard de reacció apliquem l’equació:

Energies d’enllaç (kJ?mol21)

H–H

436

DH°r 5 S DH°productes 2 S DH°reactius

Cl–Cl

242

DH°r 5 52,3 kJ/mol 2 226,8 kJ/mol 5 2174,5 kJ/mol

H–Cl

431

Taula 2.9

La reacció de formació de l’àcid clorhídric és: 1 1 — Cl2(g) 1 — H2(g) HCl(g) 2 2 L’energia que cal aportar al sistema per trencar els enllaços és: 1 1 — ? 242 kJ 1 — ? 436 kJ 5 121 kJ 1 218 kJ 5 339 kJ 2 2 L’energia que el sistema desprèn en formar-se l’enllaç H–Cl és de 2431 kJ. DH °f 5 S DHenllaços productes 2 S DHenllaços reactius DH f° 5 2431 kJ 1 339 kJ 5 292 kJ/mol 36. Sabem que l’entalpia de formació de l’aigua en estat gasós és 2241,8 kJ/mol i coneixem les energies d’enllaç següents: Energies d’enllaç (kJ?mol21)

O }} O

498

H–H

436

Taula 2.10

Quina és l’energia de l’enllaç H–O? 1 H2(g) 1 — O2(g) H2O(g) 2

Procés

DH

DS

I

,0

.0

II

.0

,0

III

,0

,0

IV

.0

.0

Taula 2.11

Quins d’aquests processos són sempre espontanis i quins tenen la possibilitat de ser-ho?

Procés II: sempre es compleix que DG . 0, la reacció no pot ser mai espontània.

DH °f 5 241,8 kJ/mol

Procés III: A T baixes, DG , 0 i el procés és espontani.

Quan es forma 1 mol d’aigua es trenquen 1 mol d’enllaços H–H i 0,5 mol d’enllaços O }} O, i cal aportar calor al sistema. Alhora, es formen dos enllaços O–H, i el sistema desprèn calor.

La suma algèbrica de les entalpies que es bescanvien en la reacció és: DH °f 5 S DHenllaços productes 2 S DHenllaços reactius

4

1 241,8 kJ 5 2 ? DH (enllaç O–H) 2 436 kJ 1 — ? 498 kJ 2 DH (enllaç O–H) 5 463 kJ/mol

Perquè DG , 0, la temperatura ha de ser alta. Si el producte T DS és prou gran en valor absolut, pot passar que DH 2 T DS arribi a ser negatiu, i per tant, DG , 0. A temperatures prou altes, el procés pot ser espontani.

Procés I: sempre es compleix que DG , 0, la reacció sempre és espontània.

La reacció de formació de l’aigua és:

3

L’espontaneïtat implica que DG , 0; un procés endotèrmic implica que DH . 0, i una disminució del desordre implica que DS , 0.

39. La termodinàmica ens descriu la possibilitat que s’esdevingui un procés determinat segons el signe de DH i de DS. Després d’estudiar els processos que s’indiquen a la taula (taula 2.11), digues:

La suma algèbrica és:

Enllaç

38. D’acord amb l’equació DG 5 DH 2 T DS i el criteri d’espontaneïtat, justifica si es pot produir espontàniament una reacció endotèrmica i que alhora s’hi produeixi una disminució del desordre.

A T altes, DG . 0 i el procés no és espontani.

Procés IV: A T altes, quan T DS . DH, el procés és espontani.

40. La cristal.lització per evaporació de la sal a les salines és un fenomen de reordenació dels ions de clor i de sodi. És un fenomen espontani a temperatura ambient. Com es pot comprendre aquesta contradicció aparent entre una reordenació cristal.lina i l’espontaneïtat? Fes-ne un raonament d’acord amb les entropies i amb l’energia lliure de Gibbs.

El clorur de sodi disminueix d’entropia en la mateixa mesura que augmenten d’entropia l’aigua i l’entorn, per als quals DS . 0.

QUÍMICA 2

No és un sistema tancat. Com que en aquest procés DH i T gairebé no varien, DG , 0 i el procés és espontani.

41. a) Calcula els valors de la variació estàndard d’entalpia i d’entropia DH° i DS° per a la reacció de síntesi del metanol a partir del CO(g) i H2(g).

CO(g) 1 2 H2(g) CH3OH(l) DH°r 5 S DH°productes 2 S DH°reactius DH°r 5 2238,6 kJ/mol 2 (2110,5 kJ/mol) 5 5 2128,1 kJ/mol La variació d’entropia estàndard de reacció és: DS°r 5 S DS°productes 2 S DS°reactius DS°r 5 126,8 2 (197,5 1 2 ? 130,5) 5 2331,7 J/K?mol b) Calcula també el valor de la variació de l’energia lliure de Gibbs DG° de la reacció de síntesi.

La variació de l’energia lliure de Gibbs és: DG°r 5 229 253,4 J/mol 5 229,25 kJ/mol c) En aquestes condicions estàndards, la reacció és espontània o no? Per què?

La reacció és espontània, ja que DG , 0.

DH°f (kJ/mol)

2110,5

—

2238,6

DS° (J/(K?mol))

197,5

130,5

126,8

Taula 2.12

42. La variació d’entropia d’una reacció espontània, pot ser negativa? Raona-ho.

Sabem que DG 5 DH 2 T DS i que DG , 0 indica espontaneïtat.

En el nostre cas, DH , 0 i DS , 0, i la reacció serà espontània sempre que T sigui baixa, ja que llavors el producte T DS serà petit i la suma algebraica DH 2 T DS donarà un valor negatiu.

43. La formació de l’età, C2H6, a partir del carboni i de l’hidrogen correspon a la reacció: 2 C(s) 1 3 H2(g) C2H6(g)

DG°r 5 232 859,92 J 5 232,86 kJ Com que DG°r 5 232,86 kJ, la reacció és espontània.

a 1 atm i 298 K té uns valors de DG°r 5 212,66 kJ, DH°r 5 229,7 kJ i DS° r 5 260,2 J/(mol?K).

A quina temperatura es descompon l’òxid d’argent en plata metàl.lica i oxigen gasós?

DG°r ha de ser nul o negatiu perquè es comenci a invertir l’espontaneïtat de la reacció: DG° 5 DH° 2 T DS° 0 5 229,7 2 T ? (20,0602)

45. [Curs 09-10] El procés químic d’oxidació de la glucosa transfereix energia al cos humà: C6H12O6(s) 1 6 O2(g) 6 H2O(l) 1 6 CO2(g) En aquest procés, a 25 °C: DH° 5 22 808 kJ?mol21 i DS° 5 182 J?K21?mol21

Les dades termodinàmiques a 298 K són (taula 2.12): CH3OH(l)

DG°r 5 DH°r 2 T DS°r 5 284,7 ? 1 000 2 298 (2173,96)

T . 493,36 K

DG°r 5 DH°r 2 T DS°r 5 2128,1 ? 1 000 2 298 (2331,7)

H2(g)

Calculem l’energia lliure de Gibbs estàndard de reacció:

1 2 Ag(s) 1 — O2(g) Ag2O(s) 2

La variació d’entalpia estàndard de reacció és:

CO(g)

25

44. La reacció de l’argent metàl.lic amb l’oxigen per obtenir òxid d’argent segons l’equació:

La reacció de síntesi del metanol és:

Substància

02

DH 5 284,7 kJ

A temperatura ambient, l’entropia del carboni sòlid és petita perquè és cristall grafit, 5,68 J/(mol?K), la de l’hidrogen gasós és de 130,70 J/(mol?K), i la de l’età gasós val 229,5 J/(mol?K).

Serà espontània la reacció en aquestes condicions? Per què?

Calculem l’entropia estàndard de reacció: DS°r 5 S DS°productes 2 S DS°reactius DS°r 5 229,5 2 (2 ? 5,68 1 3 ? 130,70) 5 2173,96 J/K

Dades: Masses atòmiques relatives: C 5 12,0; H 5 1,0; O 5 16,0. a) Determineu l’energia lliure que s’obté, a 37 °C, quan prenem una cullerada de glucosa (10 g), suposant que les magnituds DH° i DS° no varien amb la temperatura.

Cal calcular DG, que representa el balanç del canvi d’entalpies i entropies del sistema. A pressió i temperatura constants tenim: DG 5 DH 2 T DS Cal passar els valors donats a J o a kJ. DH° 5 22 808 kJ?mol21 DS° 5 182 J?K21?mol21 5 0,182 kJ?K21?mol21 T 5 37 1 273 5 310 K DG 5 22 808 2 (310 ? 0,182) 5 22 864,42 kJ?mol21 Massa molecular de la glucosa 5 180 Calculem l’energia lliure per 10 g de glucosa (una cullerada): 1 mol 22 864,42 kJ 10 g ? ———— ? ——————— 5 2159,1 kJ 180 g 1 mol Energia lliure per 10 g de glucosa 5 2159,1 kJ b) Per què aquesta reacció d’oxidació de la glucosa, a 37 °C, pot transferir energia al cos humà?

Que el valor de l’energia lliure o energia de Gibbs resulti negatiu vol dir que el balanç global del procés incloent

26

02

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

l’entalpia i l’entropia és favorable, és a dir, que la reacció és espontània. Per tant, es pot transferir energia al sistema humà (treball útil).

Calculem la calor despresa: 256,1 kJ 0,200 mols de H1 ? —————— 5 211,22 kJ 1 mol H1 (signe negatiu: desprèn calor)

46. [Curs 10-11] Volem determinar l’entalpia de reacció d’una solució aquosa de HCl 2,00 M amb una solució aquosa de KOH 2,00 M: H1(aq) 1 OH2(aq) H2O(l)

Calor despresa 5 11,22 kJ

DH 5 ?

a) Expliqueu el procediment experimental que seguiríeu al laboratori, i indiqueu el material que utilitzaríeu i les mesures experimentals que caldria determinar per poder calcular l’entalpia de reacció.

Procediment experimental: En un calorímetre hi col·loquem un volum (o massa) conegut de solució de HCl 2,00 M i mesurem la temperatura inicial amb un termòmetre. En un altre recipient tenim una solució de KOH 2,00 M a la mateixa temperatura. Mesurem un volum (o massa) conegut de solució de KOH 2,00 M i l’afegim al calorímetre; agitem la mescla, tapem el calorímetre i esperem un temps fins que la temperatura que ens marca el termòmetre deixi de pujar (s’estabilitzi). Mesurem aquesta temperatura final.

Prepara la selectivitat 1. [Curs 11-12] El combustible més utilitzat al nostre país pels automòbils és la gasolina, que està constituïda fonamentalment per octà, C8H18. Actualment es treballa molt en una línia de combustibles —denominats biocombustibles— que s’obtenen de la matèria orgànica originada en un procés biològic. El bioetanol és un tipus de biocombustible que fonamentalment conté etanol, CH3CH2OH, i que s’obté de la fermentació dels carbohidrats presents en la canya de sucre o el blat de moro.

Dades: Substància

Material: — Calorímetre: per exemple un vas de plàstic amb tapa i aïllat.

— Termòmetre.

— Balança (si mesurem la massa de les solucions); pipeta o proveta (si mesurem el volum de les solucions).

Mesures experimentals que necessitem:

Entalpia estàndard de formació, DH°f , a 298 K (kJ?mol21)

CO2(g)

2393,5

H2O(l)

2285,8

Entalpia estàndard de combustió, DH°comb, a 298 K (kJ?mol21)

C8H18(l)

25 445,3

CH3CH2OH(l)

21 369,0

— Massa o volum de cada solució (HCl i NaOH).

Taula 2.13

— Temperatura inicial dels reactius.

Densitat a 298 K: octà 5 0,70 gm?L21; etanol 5 0,79 gm?L21

— Temperatura final una vegada ha acabat la reacció.

Massa molecular relativa: octà 5 114; etanol 5 46

b) Calculeu la calor despresa quan es barregen 100 mL de HCl 2,00 M amb 250 mL de KOH 2,00 M, si experimentalment hem determinat que l’entalpia de la reacció anterior és 256,1 kJ?mol21.

H1(aq) 1 OH2(aq) H2O(l) DH 5 256,1 kJ?mol21

a) Escriviu l’equació de la reacció de combustió de l’etanol.

Calculeu l’entalpia estàndard de formació de l’etanol a 298 K. CH3CH2OH(l) 1 3 O2(g) 2 CO2(g) 1 3 H2O(l)

100 mL HCl 5 0,100 L HCl

DH°r 5 2 DH°f CO2(g) 1 3 DH°f H2O(l) 2 SH°f CH3CH2OH(l)

250 mL NaOH 5 0,250 L KOH

21 369,0 kJ?mol21 5 2 (2393,5 kJ?mol21) 1 1 3 (2285,8 kJ?mol21) 2 DH°f CH3CH2OH(l)

Calculem els mols que tenim de cada reactiu: Mols de H1 5 Mols de HCl 5 0,100 L ? 2,00 mol/L 5 5 0,200 mols Mols de OH2 5 Mols de KOH 5 0,250 L ? 2,00 mol/L 5 5 0,500 mols Raonem quin reactiu és el limitant. (o HCl), ja que l’estequiometria El reactiu limitant és el de la reacció és 1 a 1, i tenim menys mols de HCl que de NaOH. H1

DH°f CH3CH2OH(l) 5 2275,4 kJ?mol21 b) Si la gasolina es ven a 1,30 €/L, quin haurà de ser el preu de l’etanol, expressat en €/L, per obtenir la mateixa quantitat d’energia per euro?

Calculem primer l’energia que dóna cada combustible per litre: 1 DH°r ? —————————————— ? densitat en grams per litre massa molecular relativa

02

QUÍMICA 2

Etanol:

1 mol 1 369 kJ/mol ? ———— ? 790 g/litre 5 23 511,087 kJ 46 g

Calor:

27

2114,14 kJ 0,205 mol NO ? —————— 5 211,7 kJ 2 mol NO Calor despresa: 11,7 kJ (o 211,7 kJ)

Octà:

1 mol 5 445,3 kJ/mol ? ———— ? 700 g/litre 5 33 436,053 kJ 114 g

Si la gasolina es ven a 1,3 € per litre amb potencial calorífic de 33 436,053 kJ, l’alcoholetílic el caldria vendre a: 1,3 € ——————— ? 23 511,087 kJ 5 0,914 € 33 436,053 kJ 2. [Curs 09-10] El diòxid de nitrogen es pot formar a partir del monòxid de nitrogen, a 298 K, segons la reacció següent: 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g)

DH° 5 2114,14 kJ

Dades: R 5 0,082 atm?L?K21?mol21 5 8,31 J?K21?mol21 Temperatura 5 298 K S° (J?K21?mol21)

NO(g)

O2(g)

210,8

3. [Curs 09-10] La formació del CO és difícil de dur a terme experimentalment perquè, si no es fa servir un excés d’oxigen, la reacció és incompleta, i si hi ha un excés d’oxigen no es pot evitar que l’oxidació continuï i es formi també CO2.

El valor de l’entalpia de formació del CO gasós es calcula a partir de la determinació de les entalpies de combustió del C grafit i del CO gasós.

Dades: Considereu que en tots els casos les reaccions es produeixen en condicions estàndards i a 25 °C. a) Escriviu l’equació de la reacció de formació del CO gasós.

Calculeu l’entalpia estàndard de formació del CO gasós a partir de la figura següent:

NO2(g)

205,1

Taula 2.14

a) Raoneu si la reacció serà espontània en condicions estàndards i a 298 K.

C(grafit) + O2(g)

0 kJ

240,1 H0 (kJ · mol–1)

–393,0 CO (g) + –283,0

Reacció: 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g)

CO2(g)

La reacció és espontània si DG° , 0.

Calculem l’entropia de la reacció a partir de les entropies absolutes, a 298 K: DS° 5 S np S° (productes) 2 S nr S° (reactius) DS° 5 [2 ? S°(NO2)] 2 [2 ? S°(NO) 1 1 ? S°(O2)] DS° 5 (2 ? 240,1) 2 (2 ? 210,8 1 1 ? 205,1) DS° 5 2146,5 J?K21 Unifiquem les unitats a J o kJ: DS° 5 2146,5 J?K21 5 2146,5 ? 1023 kJ?K21 Calculem DG° a 298 K: DG° 5 DH° 2 T DS° DG° 5 (2114,14) 2 [298 ? (2146,5 ? 1023)] DG° 5 270,5 kJ (o 270 500 J) b) Calculeu la calor a pressió constant que es desprendrà en reaccionar 5,0 L de monòxid de nitrogen, mesurats a 298 K i 1,0 atm, amb un excés d’oxigen.

Calculem els mols NO a partir de l'equació dels gasos ideals: p?V n 5 ——— pV 5 nRT

R?T 1?5 n 5 —————

n 5 0,205 mols NO 0,082 ? 298 Reacció: 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g)

DH° 5 2114,14 kJ

Calor a pressió constant 5 qp 5 DH°

1 O (g) 2 2

Fig. 2.16. Diagrama d’entalpies.

Reacció de formació del CO: 1 C(s) 1 — O2(g) CO(g) 2 Pel diagrama es pot deduir que: DH°f (CO) 1 DH°combustió (CO) 5 DH°combustió (CO2) o que: DH°f (CO) 1 (2283) 5 (2393) DH°f (CO) 5 2110 kJ?mol21 b) Es fan reaccionar, a pressió constant, 140 g de CO i 20,4 L de O2 gasós mesurats a 1,2 atm i 25 °C, i es forma CO2 gasós. Quina quantitat de calor es desprèn en aquesta reacció?

Reacció de combustió del CO: 1 CO(g) 1 — O2(g) CO2(g) 2 DH°combustió (CO) 5 2283 kJ?mol21 Cal calcular quin reactiu és el limitant: 1 mol CO Mols de CO 5 (140 g CO) ? ————— 5 5 28 g pV Mols de O2 p V 5 n R T n 5 —— RT

28

02

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

1,2 atm ? 20,4 L n 5 ——————————————— 0,082 atm?L?K21?mol21 ? 298 K

Tenim que: 2DH°r DS°total 5 DS°r 1 DS°entorn 5 DS°r 1 ———— T

n 5 1 mol de O2 L’estequiometria de la reacció ens diu que per cremar 1 mol de CO ens cal 0,5 mols de O2. Amb les dades que tenim es dedueix que l’oxigen és el reactiu limitant.

Calculem la calor despresa: 1 mol CO 2283 kJ 1 mol O2 ? —————— ? ————— 5 2566 kJ 1/2 mol O2 1 mol CO Calor despresa: 566 kJ (o 2566 kJ) 4. [Curs 10-11] El carbonat de calci es pot descompondre d’acord amb la següent equació química: CaCO3(s) CaO(s) 1 CO2(g) Dades: CaCO3(s) Entropia estàndard, S°, a 298 K (J?K21?mol21)

92,9

CaO(s)

CO2(g)

39,8

231,7

Taula 2.15

a) Calculeu la variació d’entropia estàndard de la reacció, a 298 K. Justifiqueu si aquesta reacció és espontània, en condicions estàndards i 298 K, si sabem que quan es du a terme la reacció anterior a 298 K, la variació d’entropia estàndard de l’entorn és de 600,1 J?K21?mol21.

Calculem la variació d’entropia estàndard de la reacció: CaCO3(s) CaO(s) 1 CO2(g) DS°r 5 [S°(CaO) 1 S°(CO2)] 2 [S°(CaCO3)] DS°r 5 (39,8 1 213,7) 2 (92,9) DS°r 5 160,6 J?K21?mol21 (a 298 K)

Si suposem que en variar la temperatura no es modifica ni la variació d’entropia ni la variació d’entalpia de la reacció, podem calcular la temperatura per aconseguir que la variació d’entropia total sigui zero. Caldrà una temperatura superior a aquesta perquè la reacció sigui espontània (DS°total . 0).

2178 830 2DH°r DS°total 5 0 5 DS°r 1 ———— 0 5 160,6 1 ————— T T T 5 1 113,5 K L’exercici es podria fer també (raonaments i càlculs) si a partir de DS°entorn es calcula DH°r , i posteriorment es treballa amb la variació d’energia lliure de reacció (DG°) com a criteri d’espontaneïtat.

Quimitest 1. Hi ha evidències clares que constaten un retrocés de les glaceres dels Pirineus en els últims anys a causa del canvi climàtic. Una vegada el gel glacial s’ha transformat en aigua líquida, si mesurem la temperatura de l’aigua dels rierols al voltant de la glacera, és de 4 °C. Uns quants quilòmetres més avall, és de 10 °C. Quina és l’energia calorífica necessària per escalfar 100 m3 d’aquesta aigua? a) 2 511 600 000 kJ b) 2 511 600 kJ c) 2 511 600 000 cal d) 2 511 600 kcal La resposta correcta és la b).

2. El clorat de potassi s’utilitza en la fabricació de llumins. La seva descomposició es produeix segons la reacció:

DS°entorn 5 2600,1 J?K21?mol21 DS°total 5 DS°r 1 DS°entorn 5 (160,6) 1 (2600,1) 5 5 2439,5 J?K21?mol21 La reacció no és espontània, ja que DS°total , 0. b) Calculeu a partir de quina temperatura la reacció seria espontània en condicions estàndards. Considereu que els valors de variació d’entalpia i d’entropia de la reacció no varien amb la temperatura.

A pressió i temperatura constants: 2DH°r DS°entorn 5 ——— T Per tant, la variació d’entalpia de la reacció en condicions estàndards i a 298 K serà: 2DH°r 2600,1 5 ———— 298 DH°r 5 (600,1 ? 298) 5 178 830 J?mol21

3 KClO3(s) KCl(s) 1 — O2(g) 2 Quina és l’entalpia de la reacció?

Dades: DH°f (KClO3(s)) 5 2390 kJ/mol DH°f (KCl) 5 2435 kJ/mol a) 245 kJ/mol b) 2825 kJ/mol c) 145 kJ/mol d) 1825 kJ/mol La resposta correcta és la a).

3. Calcula la calor que s’intercanvia en el procés de combustió del metanol a volum constant i a 298 K. La reacció és: 3 CH3OH(l) 1 — O2(g) CO2(g) 1 2 H2O(l) 2

QUÍMICA 2

a) 1 203,7 kJ/mol b) 21 203,7 kJ/mol c) 2726,5 kJ/mol d) 2725,26 kJ/mol La resposta correcta és la c).

4. La fermentació de la glucosa de les fruites produeix alcohol etílic i diòxid de carboni segons la reacció: C6H12O6 2 C2H5OH 1 2 CO2 Calcula l’entalpia de la reacció.

Dades: DH°c (C6H12O6(s)) 5 22 811,9 kJ/mol DH°f (C2H5OH(l)) 5 2277,6 kJ/mol DH°f (H2O(l)) 5 2285,8 kJ/mol DH°f (CO2(g)) 5 2393,5 kJ/mol a) 278,3 kJ?mol21 b) 178,3 kJ?mol21 c) 21 263,9

kJ?mol21

La seva reacció amb àcids: a) És impossible. b) Produeix sempre clorur de calci. c) És entròpicament favorable. d) Es dóna només a baixes temperatures.

La resposta correcta és la c).

7. Una indústria farmacèutica ens ha encarregat aigua oxigenada. Es podria obtenir a partir de la reacció següent?

1 H2O(l) 1 — O2(g) H2O2(l) 2 a) És impossible. b) Cal fer-ho a temperatures baixes. c) Cal fer-ho a temperatures altes.

La resposta correcta és la a).

d) L’entalpia ho afavoreix.

Dades: DH°f (metà) 5 274,9 kJ/mol energia d’enllaç H–H 5 436 kJ/mol energia d’enllaç C–H 5 414 kJ/mol a) 1 656 kJ/mol b) 2709,1 kJ/mol c) 709,1 kJ/mol

29

6. La biomineralització és el procés amb el qual els organismes vius són capaços de produir sòlids inorgànics, ossos, dents, closques dels ous, etc. Un exemple de biomineral és el carbonat de calci que forma les closques dels musclos, escopinyes, ostres, etc.

d) 2726,5 kJ?mol21

5. El metà és el component principal de l’anomenat gas natural (que com a mínim en té el 75 %). Quina és l’energia dels enllaços de carboni que cal trencar per produir la reacció de formació del metà?

02

La resposta correcta és la a).

8. Tenint en compte la reacció següent: H2O(l) H2O(g) Quina de les afirmacions següents no és certa? a) És un procés d’entropia positiva (entròpicament favorable). b) És una reacció exotèrmica. c) És una reacció endotèrmica.

d) 21 656 kJ/mol

d) L’entalpia lliure de Gibbs és positiva a temperatures elevades.

La resposta correcta és la c).

La resposta correcta és la c).

30

03

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

j Unitat 3. Cinètica química Activitats 1. Escriu les equacions matemàtiques de la velocitat amb coeficients estequiomètrics corresponent a la reacció: 4 NH3(g) 1 5 O2(g) 4 NO(g) 1 6 H2O(g) L’expressió és: 1 d [O2] 1 d [NO] 1 d [H2O] 1 d [NH3] v 5 2— ———— 5 2— ——— 5 — ——— 5 — ———— 4 dt 5 dt 4 dt 6 dt 2. Si el factor de col.lisió A i l’energia d’activació Ea no depenen quasi de la temperatura i coneixes la constant de velocitat k a dues temperatures donades, com calcularies l’energia d’activació d’una reacció determinada?

Fixeu-vos en l’expressió: k5

Ea 2—— A ? e RT

En què l’energia d’activació es dóna en kJ?mol21. Escrivim les equacions per a dues reaccions 1 i 2 determinades: E r 2—a— u k1 5 A ? e RT1 w E u 2—a— q k2 5 A ? e RT2

Apliquem logaritmes: Ea r ln k 5 ln A 2 —— 1 u R T1 w u Ea q ln k2 5 ln A 2 —— R T2

Restem les dues equacions: Ea Ea ln k1 2 ln k2 5 —— 2 —— R T1 R T2 Hem obtingut una expressió en què coneixem totes les dades excepte la incògnita, Ea. 3. Fes el càlcul de l’energia d’activació d’una reacció que a 550 K té una constant de velocitat de k550 5 1024 s21 i que a 600 K és de k600 5 2 ? 1023 s21.

Apliquem l’expressió matemàtica que hem obtingut en l’activitat anterior: Ea Ea ln k1 2 ln k2 5 —— 2 —— R T1 R T2 Ea Ea ln 1024 2 ln 2 ? 1023 5 —————— 2 —————— 8,314 ? 600 8,314 ? 550 Ea Ea 22,9957 5 ———— 2 ———— 4 988,4 4 572,7 Ea 5 164 381,2487 J/mol 5 164,381 kJ/mol

4. Se t’acut un sistema senzill i ràpid d’aturar un procés de degradació enzimàtica d’una suspensió aquosa de farina de blat de moro, blat o patata?

Si s’hi afegeix una mica de sulfat de zinc dissolt o dispersat en aigua, la reacció enzimàtica s’atura en sec. També s’hi poden afegir sals d’altres metalls barats i no nocius.

(Aquest és el procediment per obtenir midó com a lligant d’aprests per a paper i cartronet. Aquest midó s’aplica en la premsa encoladora o size press).

5. Cerca informació sobre la naturalesa dels llevats i dels ferments i la seva relació amb la cinètica.

El mot ferment és sinònim d’enzim.

Els llevats són microorganismes del regne dels fongs que produeixen enzims. Aquests enzims provoquen la fermentació de substàncies orgàniques.

Per exemple, el llevat fa que la massa de farina humida, en fermentar, desprengui diòxid de carboni. Aquest gas fa esponjosa la massa i la fa més compacta. El llevat de les pastisseries i fleques és massa de farina fermentada que conté microorganismes.

El most del vi conté una bona proporció de sucres. També conté uns microorganismes o llevats anomenats Saccharomyces cerevisiae, que fermenten els sucres i els transformen en alcohol etílic i diòxid de carboni. Si un procés d’oxidació posterior transforma una mica d’etanol en etanal, el vi es torna agre i obtenim vi ranci. Si el procés d’oxidació continua, l’etanol i l’etanal es transformen en àcid acètic i s’obté vinagre.

6. Com podries netejar amb substàncies proteiques els llocs d’accés difícil d’estris de laboratori fortament contaminats i bruts?

Podem introduir l’estri brut en una solució aquosa d’àcid clorhídric i pepsina i deixar-l’hi uns quants dies. La pepsina en medi àcid fort degrada totes les proteïnes. La pepsina és l’enzim natural que tenim a l’estómac. Si l’estri no resisteix el medi àcid, podem provar-ho amb altres enzims com la tripsina o la quimotripsina.

Per netejar els pH-metres s’utilitza pepsina en solució diluïda d’àcid clorhídric.

Activitats finals 1. «Una reacció d’ordre zero depèn de la concentració dels reactius».

Digues si aquesta afirmació és certa o falsa. Raona la resposta.

L’expressió de la velocitat d’una reacció d’ordre zero és d’aquesta forma: v 5 k [A]0 [B]0.

Les concentracions dels reactius no hi influeixen, perquè en elevar-les a zero sempre donen 1 i la velocitat és sempre el valor de la constant cinètica k.

03

QUÍMICA 2

2. En les reaccions d’ordre zero, com evoluciona la velocitat de reacció en el decurs del temps?

La velocitat roman constant en el decurs del temps.

3. Hi pot haver reaccions amb energies d’activació, Ea, negatives? Raona la resposta.

Tal com hem explicat en la teoria cinètica, és del tot impossible que l’energia d’activació Ea sigui negativa. Altrament, en collocar els reactius en contacte, aquestes reaccions es produirien sempre espontàniament i sense activar-les. Sabem que totes les reaccions, fins i tot les espontànies, amb DG , 0, necessiten una Ea positiva. Recordeu el cas de l’obtenció d’aigua a partir de l’hidrogen i l’oxigen gasosos.

ció d’aigua roman constant durant el procés. Per tant, podem escriure: v 5 k [sacarosa]a Observem que, quan es duplica el temps, la concentració es redueix a la meitat: Temps (h) Concentració

(mol?L21)

v 5 k [A]a [B]b [C]g passa a

2 v 5 k [2 A]a [B]b [C]g

Això només succeeix quan a 5 1, és a dir, quan la reacció és de primer ordre respecte del reactiu A.

6. La sacarosa (el sucre habitual a les cuines) es pot degradar en sucres primaris mitjançant l’enzim invertasa, o bé mitjançant àcids. A temperatura constant, degradem una solució de sacarosa que té una concentració inicial de 0,15 M amb els enzims adients. Al cap de 10 hores, la concentració s’ha reduït a 0,075 M i, al cap de 20 hores, a 0,037 M. Calcula l’ordre de la reacció i el valor de la constant de velocitat a la temperatura de l’assaig.

7. Tenim dues reaccions: A i B. L’energia d’activació de A és molt superior a la de B; és a dir, E aA .. E aB. En augmentar la temperatura del sistema, com et sembla que evolucionaran les velocitats de les dues reaccions?

EaB és molt menor que EaA i T1 , T2. En augmentar la temperatura, el percentatge de molècules amb energia major que EaB creix molt més ràpidament que el percentatge de molècules amb energia major que EaA. Per tant, en augmentar la temperatura, la velocitat de la reacció B creix més ràpidament que la velocitat de la reacció A. 8. Una reacció A 1 B P ha donat, a una temperatura T, els valors següents de velocitat en funció de les concentracions de A i B: [A]o (mol/L)

[B]o (mol/L)

assaig 1

0,2

0,1

7,5 ? 1026

assaig 2

0,3

0,1

7,5 ? 1026

assaig 3

0,4

0,2

7,4 ? 1025

Com que hi ha una quantitat desproporcionada d’aigua respecte de la quantitat de sacarosa, podem considerar que la concentra-

Velocitat de formació P (mol/(L?s))

Taula 3.3

Digues l’expressió de la llei de velocitat a la temperatura T. En l’assaig 1 i l’assaig 2, la concentració de B roman constant.

Quan la concentració de A augmenta un 50 %, la velocitat també creix un 50 %: [A]o (mol/L)

L’expressió general de la velocitat d’aquesta reacció és: v 5 k [sacarosa]a [H2O]b

0,037

k 5 1,9 ? 1025 s21

8 v 5 k [2 A]a [B]b

Això només succeeix quan a 5 3. En aquest segon cas, b hauria de valer 0, ja que l’ordre total d’una reacció no pot ser superior a 3.

0,075

ln 2 5 k ? 36 000 s

Si la velocitat augmenta vuit vegades, llavors: v 5 k [A]a [B]b passa a

0,15

0,15 ln ——— 5 k ? 10 ? 3 600 s 0,075

Per a les reaccions d’ordre 3: L2/(mol2?s)

Si quan es duplica la concentració inicial d’un reactiu també es duplica la velocitat de la reacció, aleshores:

20

[sacarosa]inicial ln ———————— 5 k ? t [sacarosa]final

Per a les reaccions d’ordre 2: L/(mol?s)

b) Si la velocitat augmentés vuit vegades, de quin ordre seria la reacció?

10

L’equació que relaciona la variació de la concentració amb el temps en les reaccions de primer ordre és:

Per a les reaccions d’ordre 0: mol/(L?s)

a) De quin ordre és la reacció respecte a aquest reactiu?

0

Això només succeeix si a 5 1. És una reacció de primer ordre (en realitat, és de pseudoprimer ordre).

4. Quines unitats té la constant de velocitat per a les reaccions d’ordre 0? I per a les d’ordre 2 o les d’ordre 3?

5. En una reacció determinada, quan es duplica la concentració inicial d’un reactiu també es duplica la velocitat inicial de la reacció.

31

Velocitat de formació v (mol/(L?s))

assaig 1

0,2

7,5 ? 1026

assaig 2

0,3

7,5 ? 1026

32

03

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Per tant, l’ordre de reacció respecte de l’espècie A és 1.

En l’assaig 1 i l’assaig 3, dupliquem la concentració de A i de B. L’augment de velocitat de la reacció és de vuit vegades: 4 ? 1025 ————— 5 8 5 ? 1026

Calculem la variació de concentració D [A] 5 [A]f 2 [A]0 i la D [A] velocitat inicial de la reacció v0 5 ————.

Dt Tenim que: Cas

D [A] (mol/h)

D t (h)

D [A] v0 5 ——— Dt

a

0,005

1

0,005

b

0,02

1

0,02

c

0,01

4

0,0025

L’expressió general de la velocitat d’aquesta reacció és: v 5 k [A] [B]b Hem d’esbrinar el valor de b. Substituïm dades dels assaigs 1 i 3 en l’expressió general de la velocitat: r 5 ? 1026 5 k (0,2) (0,1)b w q 4 ? 1025 5 k (0,4) (0,2)b

Dividim la segona equació entre la primera i obtenim:

Comparem els casos a i c. [B] roman constant. [A] passa a la meitat i la velocitat passa de 0,050 a 0,0025, és a dir, a la meitat. Per tant, l’ordre respecte de A és 1.

1 2

4 ? 1025 0,4 0,2 ————— 5 —— ? —— 5 ? 1026 0,2 0,1

Comparem els casos a i b. [A] roman constant i [B] es duplica.

La velocitat passa de 0,005 a 0,02; per tant, es quadruplica.

Això implica segon ordre respecte de B.

b

8 5 2 ? 2b

L’expressió matemàtica de la velocitat és:

b52

v 5 k [A] [B]2 Per calcular k de manera aproximada, agafem qualsevol dels tres assaigs i fem una mitjana de les concentracions entre el principi i el final de l’experiència:

L’expressió general de la velocitat és: v 5 k [A] [B]2 A partir d’aquesta equació, i substituint en qualsevol dels tres assaigs, obtenim:

D [A] ———— 5 k [A] [B]2 Dt

5 ? 1026 5 k ? 0,2 ? 0,12

D [A] k 5 —————— Dt [A] [B]2

5 ? 1026 5 k ? 0,2 ? 0,01 5 ? 1026 k 5 ————— 5 2,5 ? 1023 2 ? 1023

0,005 mol/L k 5 ———————————————————————— 0,195 1 0,180 1 h ? ————————— mol/L ? (1 mol/L)2 2

1

Per tant, l’expressió completa de la velocitat és: v 5 2,5 ? 1023 [A] [B]2

k 5 0,0267 (mol?L21)22?h21 k 5 7,417 ? 1026 (mol?L21)22?s21

9. Una reacció del tipus: A1B P dóna experimentalment els resultats cinètics que es mostren a la taula 3.5: [A]0 (mol/L)

[B]0 (mol/L)

2

Temps d’experimentació (h)

[A] (mol/L)

0,20

1,0

1

0,195

0,20

2,0

1

0,180

0,10

1,0

4

0,090

10. Una reacció té una energia d’activació, Ea, de 60 kJ/mol. A 1 000 K, la constant de velocitat val 9 ? 1023 (mol?L21)21?s21. a) Quant valdrà la constant a 1 200 K? b) De quin ordre és aquesta reacció?

Hem d’utilitzar l’equació d’Arrhenius: Ea 2—— RT

k 5 A?e

Ea

r k1 000 5 A ? e2———— 1 000 R u Ea w 2———— u q k1 200 5 A ? e 1 200 R

Taula 3.4

a) Quin és l’ordre respecte a cadascun dels reactius?

Tot seguit, dividim i resolem els logaritmes:

1

S’ha de tenir en compte que les variacions de concentració són petites en el decurs d’hores. Per tant, podeu aproximar les velocitats mitjanes a velocitats instantànies.

2

Ea T2 2 T1 k1 200 ln ——— 5 ———— ? ————— k1 000 2,303 R ? T1 ? T2

b) Quin és el valor de la constant de velocitat?

1

2

k1 200 6 ? 104 (1 200 2 1 000) ln ——— 5 —————————————— 5 0,5223 2,303 ? 8,314 ? 1 000 ? 1 200 k1 000

03

QUÍMICA 2

1

2

k1 200 ln ——— 5 0,5223 k1 000 k1 200 ——— 5 100,5223 5 3,33 k1 000 Finalment, podem calcular la constant a 1 200 K: k1 200 ——— 5 3,33 k1 000

13. Una reacció del tipus: A B1C ha donat els valors següents de velocitat en funció de la concentració: Concentració en mol/L

Velocitat en mol/(L?s)

1,0

1,7

k1 200 5 3,33 ? k1 000 5 3,33 ? 9 ? 1023 5 29,97 ? 1023 L/(mol?s)

0,8

1,09

Les unitats són L/(mol?s), que corresponen a una reacció de segon ordre.

0,6

0,61

0,5

0,42

11. Un anhídrid orgànic A (s’anomena anhídrid el compost format per la condensació de dues molècules d’àcid orgànic amb pèrdua d’una molècula d’aigua) es pot esterificar amb etanol B. El resultat de la reacció és un èster P i aigua Q segons l’estequiometria següent:

0,4

0,27

0,3

0,15

0,2

0,07

0,1

0,02

A12B 2P1Q La reacció es pot realitzar en diferents medis. Si s’utilitza com a medi de reacció l’heptà, s’obté una velocitat de reacció que segueix l’equació: v 5 k [anhídrid] [etanol] Però si la reacció s’efectua en etanol, la velocitat segueix l’equació: v 5 k [anhídrid]

b) Pots calcular-ne la constant de velocitat?

Quan la concentració passa d’1,0 a 0,8, la velocitat es redueix d’1,7 a 1,09 mol/(L?s): v 5 k [A]a r 1,7 5 k ? 1a w q 1,09 5 k ? 0,8a

Dividim membre a membre i operem amb logaritmes:

1 2

1,7 1 ——— 5 —— 1,09 0,8

CH3–CO–O–CO–CH3 1 C2H5OH Medi heptà: vheptà 5 k [anhídrid] [etanol]

log 1,56 5 a log 1,25

En medi etanol, la concentració d’etanol és tan gran respecte de la d’anhídrid que roman constant durant la reacció. Per tant:

log 1,56 a 5 ———— 5 2 log 1,25

vetanol 5 k9 [anhídrid]

Calcula la velocitat de descomposició quan la concentració de reactiu R val: a) 2 ? 10–2 mol/L Sabem que:

a

1,56 5 1,25a

Medi etanol: vetanol 5 k [anhídrid] [etanol]

12. Una substància R es descompon seguint una cinètica de segon ordre. A una certa temperatura s’ha comprovat que la constant k de la reacció val 0,3 L/(mol?s).

Per tant, a 5 2.

Quan la concentració passa de 0,8 a 0,6, la velocitat es redueix d’1,09 a 0,61. Anàlogament: r 1,09 5 k ? 0,8a w q 0,61 5 k ? 0,6a

Dividim membre a membre i operem amb logaritmes: R 2P

I que l’expressió de la velocitat de reacció és: v 5 K [R]2 5 0,3 [R]2 v 5 0,3 [2 ? 1022]2 5 1,2 ? 1024 mol/(L?s) b) 2 ? 10–3 mol/L v 5 0,3 [2 ? 1023]2 5 1,2 ? 1026 mol/(L?s)

Taula 3.5

a) Saps dir de quin ordre és aquesta reacció?

A què et sembla que pot ser deguda aquesta diferència?

La reacció es pot realitzar en dos medis, heptà o etanol:

33

1 2

1,09 0,8 ——— 5 —— 0,61 0,6

a

1,79 5 1,33a log 1,79 5 a log 1,33 log 1,79 a 5 ————— 5 2 log 1,33 I també obtenim a 5 2.

34

03

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Podem repetir el mateix procediment amb la resta de velocitats i concentracions, i sempre obtenim el mateix resultat: a 5 2.

El valor de la constant es troba prenent qualsevol valor de la velocitat: 1,09 5 1,7 1,09 5 k (0,8)2 k 5 ——— 0,82 0,07 5 1,7 0,07 5 k (0,2)2 k 5 ——— 0,22 14. Els accidents de trànsit en persones joves són una xacra del segle XXI. Poden generar traumatismes cerebrals, que cal evitar. Una tècnica nova consisteix a refrigerar les extremitats i el cos fent-hi recircular aigua molt gelada. Amb aquesta tècnica, la temperatura del cos disminueix uns 5 o 6 °C. Explica per què s’utilitza aquesta teràpia de xoc.

En baixar la temperatura corporal, es retarden les reaccions químiques que es produeixen al cos i, per tant, s’alenteixen les reaccions de destrucció de cèl.lules cerebrals.

15. En un recipient tenim claus de ferro, i en un altre, llimadures de ferro. Explica el fenomen que es produeix i les velocitats de reacció en afegir salfumant (dissolució d’àcid clorhídric) en els dos recipients.

Es produeix la reacció següent:

Substituïm valors en l’equació de la velocitat: 2,3 ? 1027 5 k [6,2 ? 1023] 9,25 ? 1028 5 k [2,5 ? 1023] 5,92 ? 1028 5 k [1,6 ? 1023] Suposem que a 5 1. Aleshores, k té, en els tres casos, el mateix valor, 3,7 ? 1025 s21. Per tant, la suposió era correcta.

L’expressió és: v 5 k [N2O5].

18. En una reacció hipotètica resulta que en barrejar diverses quantitats de dos components obtenim els valors de velocitat següents: Concentració component A (mol/L)

Concentració component B (mol/L)

Velocitat de la reacció (mol/(L?s))

0,2

0,02

1,4 ? 1024

0,2

0,04

2,8 ? 1024

0,4

0,02

2,8 ? 1024

Taula 3.7

Quin és l’ordre de reacció?

L’expressió de la velocitat és v 5 k [A]a [B]b, en què hem de calcular els valors dels ordres.

2 Fe 1 6 HCl 2 FeCl3 1 3 H2 El recipient amb les llimadures té una superfície de contacte amb l’àcid clorhídric més gran i, per tant, la velocitat d’aquesta reacció és més elevada que si hi posem claus de ferro.

16. Els midons són polisacàrids formats per amilosa i amilopectina que segons la proporció dels dos compostos poden tenir propietats diferents. Així, els midons de blat de moro, blat, arròs, tapioca o patata s’utilitzen d’acord amb les propietats que els donen aquestes variacions. Què passa quan el midó d’un aliment entra en contacte amb la saliva humana?

S’accelera la reacció de descomposició del midó a causa de la catàlisi que es produeix gràcies als enzims presents en la saliva.

17. El pentaòxid de dinitrogen es descompon en diòxid de nitrogen i oxigen a 298 K al laboratori. Les dades experimentals obtingudes són:

Substituïm valors en l’equació de la velocitat: 1,4 ? 1024 5 k [0,2]a [0,02]b 2,8 ? 1024 5 k [0,2]a [0,04]b 2,8 ? 1024 5 k [0,4]a [0,02]b Si suposem que a 5 1 i b 5 1, la k obtinguda en la primera equació és 0,035.

Aplicada en les altres dues ens dóna la solució suposada.

Per tant, l’ordre de reacció és 2.

19. Les reaccions catalitzades per enzims moltes vegades són transcendents per als esdeveniments vitals. Per tant, cal tenir clars alguns conceptes generals. Digues quin o quins dels enunciats següents són erronis. a) Els enzims formen complexos amb els seus substrats.

Concentració de N2O5 (mol/L)

Velocitat de la reacció (mol/(L?s))

b) Les reaccions enzimàtiques succeeixen en el que s’anomena centre actiu de l’enzim.

6,2 ? 1023

2,3 ? 1027

2,5 ? 1023

9,25 ? 1028

c) Els enzims rebaixen l’energia d’activació de les reaccions químiques associades.

1,6 ? 1023

5,92 ? 1028

Taula 3.6

d) Els enzims canvien la constant d’equilibri de les reaccions associades.

Quina és la constant de la velocitat de reacció? I l’ordre de reacció?

L’única afirmació que no és correcta és la d). Els enzims canvien la constant d’equilibri de les reaccions associcades.

L’expressió de la velocitat és v 5 k [N2O5], en què hem de calcular el valor de a i el valor de la constant k.

Els enzims són catalitzadors i, per tant, afecten la velocitat de la reacció, però no l’equilibri.

03

QUÍMICA 2

20. A la temperatura de 36 °C s’ha mesurat la velocitat d’una reacció bioquímica amb i sense catàlisi enzimàtica. La reacció catalitzada amb enzims és 104 vegades més ràpida. De les respostes següents, quina et sembla que és l’energia d’activació Ea d’aquesta reacció? Raona la resposta.

35

El perfil de la cinètica d’aquesta reacció és el següent: Energia

a) L’energia d’activació Ea es pot determinar amb les dades del problema.

B

b) L’energia d’activació és diferent en les dues reaccions. c) En reaccions bioquímiques no té sentit parlar d’energia d’activació.

A +

d) Ea 5 4/R T

+

CH3OH + H + Br

Una reacció catalitzada té una energia d’activació menor que una altra que no ho sigui. La resposta correcta és la b).

Les respostes a), c) són falses. Manquen valors per calcular l’energia d’activació. Les reaccions bioquímiques també tenen energia d’activació. La resposta d) és absurda.

21. Se sap que a temperatures entre 300 K i 400 K, en pujar la temperatura 10 °C, sovint es duplica la velocitat d’una reacció. Suposem ara una reacció qualsevol a 310 K i després a 320 K. Quina hauria de ser la seva energia d’activació perquè sigui del tot certa aquesta asseveració?

Ea 2——

Sabem que k 5 A ? e R T , i si això ho apliquem a les temperatures 310 i 320 K tenim: k310 5

–

CH3OH2 + Br –

C +

–

CH3Br + H + OH

Coordenada de reacció

Fig. 3.19

a) Indiqueu quines magnituds representen les lletres A, B i C. Quina de les dues etapes del mecanisme de la reacció és la més lenta? La reacció d’obtenció del bromur de metil a partir de metanol en un medi àcid és exotèrmica o endotèrmica?

Justifiqueu les respostes.

Ea 2——— A ? e R310

— A és l’energia d’activació de la reacció intermèdia per arribar a l’intermedi de reacció, en aquest cas, CH3–OH21.

Ea 2——— R320

— B és l’energia d’activació de la reacció definitiva per arribar de l’intermedi de reacció als productes.

k320 5 A ? e

i dividint ordenadament membre a membre es té: Ea 2——— A ? e R310

k310 —— 5 2 5 —————— Ea k320 2——— A ? e R320

E 1 1 ln 2 5 2— —— 2 —— 5 R 320 310 E 210 5 2——————— ———— 8,314 J/(mol?K) 320 ? 310 10 E 0,693 5 ——————— 8,314 ? 320 ? 310 E 5 57 155 J/mol E 5 57,15 kJ/mol

Prepara la selectivitat 1. [Curs 11-12] El bromur de metil s’obté del metanol mitjançant una reacció de substitució catalitzada en un medi àcid: H1 CH3OH 1 Br2 CH3Br 1 OH2

— L’etapa més lenta és la superació de l’energia B, que és més gran que A. — C és l’entalpia neta global de la reacció.

— La reacció és exotèrmica, ja que el nivell entàlpic final (CH3Br) és més baix que l’inicial (CH3OH). b) Expliqueu què s’entén per intermedi de reacció i per estat de transició (o complex activat). Quants intermedis de reacció i quants estats de transició hi ha en el mecanisme de la reacció d’obtenció del bromur de metil a partir de metanol?

— Hi ha un sol intermedi de reacció i dos estats de transició (o complexos activats), que són els dos pics.

2. [Curs 10-11] El peròxid d’hidrogen (aigua oxigenada) és un producte de rebuig de moltes de les reaccions que tenen lloc en les cèl?lules vives. L’enzim catalasa en provoca la descomposició en productes menys nocius. catalasa: 2 H2O2(aq) 2 H2O(l) 1 O2(g) Es pot investigar experimentalment la cinètica d’aquesta reacció mesurant la quantitat d’oxigen gasós que es produeix amb el pas del temps. En una primera sèrie d’experiments al laboratori es van obtenir les dades que es mostren en la taula següent:

03

36

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Dades experimentals sobre la descomposició de l’aigua oxigenada Experiment

[H2O2] inicial (mol?L21)

Velocitat inicial (m mol?L21?s21)

1

0,10

4,2

2

0,20

8,5

3

0,30

12,7

4

0,40

16,8

b) Si duem a terme una segona sèrie d’experiments al laboratori, similar a l’anterior però utilitzant un conjunt de solucions de peròxid d’hidrogen de concentracions més elevades, obtenim la representació gràfica següent: Velocitat inicial

Taula 3.8

a) Justifiqueu quin és l’ordre de reacció respecte al peròxid d’hidrogen i calculeu la constant de velocitat de la reacció.

L’expressió de la velocitat de la reacció amb la concentració dels reactius serà: v 5 k [H2O2]x on x és l’ordre de reacció respecte al peròxid d’hidrogen.

En les experiències 1 i 2, si comparem com augmenta la velocitat inicial en augmentar la concentració de peròxid, tenim: [H2O2] exp2 0,20 v exp2 8,5 —————— 5 —— 5 2 ——— 5 —— 5 2,02 0,10 v exp1 4,2 [H2O2] exp1 En les experiències 1 i 3, si comparem com augmenta la velocitat inicial en augmentar la concentració de peròxid, tenim: [H2O2] exp3 0,30 v exp3 12,7 —————— 5 —— 5 3 ——— 5 —— 5 3,02 0,10 v exp1 4,2 [H2O2] exp1 En les experiències 1 i 4, si comparem com augmenta la velocitat inicial en augmentar la concentració de peròxid, tenim: [H2O2] exp4 0,40 v exp4 16,8 —————— 5 —— 5 4 ——— 5 —— 5 4,00 0,10 v exp1 4,2 [H2O2] exp1 Observem que, en duplicar la concentració de peròxid d’hidrogen, es duplica (21) la velocitat; en triplicar-la, es triplica (31) la velocitat, i en quadruplicar-la, es quadruplica (41) la velocitat.

Això ens indica que l’ordre de reacció respecte al peròxid d’hidrogen és 1.

Escrivim, ara, l’equació de velocitat de la reacció: v 5 k [H2O2]

Concentració inicial de peròxid d’hidrogen

Fig. 3.20

Justifiqueu quin és l’ordre de reacció respecte al peròxid d’hidrogen a concentracions elevades. Escriviu l’equació de velocitat en aquestes condicions i indiqueu les unitats de la constant de velocitat.

Dades: La temperatura i la concentració de catalasa són constants en tots els experiments.

L’ordre de reacció respecte al peròxid d’hidrogen és zero quan la concentració de peròxid d’hidrogen és alta, ja que en el gràfic s’observa que quan la concentració de peròxid d’hidrogen és alta un augment de la concentració d’aquest reactiu no modifica la velocitat de la reacció (pendent zero en el gràfic).

L’equació de velocitat de la reacció és: v 5 k [H2O2]0 És a dir: v 5 k Les unitats de la constant de velocitat seran les mateixes que les de la velocitat: mol?L21?s21 (o m mol?L21?s21) 3. Una reacció

A B1C

DH , 0

segueix a una temperatura T (K) l’equació de velocitat següent: log v 5 3 1 1,5 log [A] a) Calcula quin és el seu ordre de reacció i la constant cinètica a la temperatura T. La reacció segueix una equació cinètica del tipus v 5 k [A]n.

Si fem logaritmes tenim: log v 5 log k 1 n log [A]

v Aïllant la constant de velocitat: k 5 ——— H2O2

Si comparem amb log v 5 3 1 1,5 log [A]

Agafant qualsevol experiència, per exemple la primera, tenim:

Per tant, l’expressió de la velocitat d’aquella reacció és v 5 1 000 [A]1,5

1 mol 5 4,2 ? 1026 mol?L21?s21 v 5 4,2 m mol?L21?s21 ? ————— 106 mmol 4,2 ? 1026 mol?L21?s21 k 5 ——————————— 0,10 mol?L21 k 5 4,2 ? 1025 s21

ens dóna que log k 5 3, és a dir, k 5 1 000, i que n 5 1,5.

b) Fes el perfil del recorregut (entre reactius i productes) respecte a les entalpies de la reacció. c) Repeteix l’apartat b) en el cas que la reacció fos catalitzada.

03

QUÍMICA 2

sense catàlisi H amb catàlisi R

37

b) Què succeeix amb la velocitat de la reacció si s’augmenta la temperatura i es manté constant el volum? I si s’augmenta el volum i es manté constant la temperatura?

Justifica les respostes.

EFECTE DE LA TEMPERATURA (volum constant)

P

Recorregut de la reacció

d) Com interpretaries el fet que l’ordre de reacció fos un nombre fraccionari i no un nombre enter?

L’ordre fraccionari de la reacció és degut al fet que hi ha diversos mecanismes que competeixen entre ells. e) Digues si la reacció és endotèrmica o exotèrmica. Raona com podria afectar teòricament a la velocitat de reacció una disminució de la temperatura de reacció (fes-ho tenint en compte la variació de k amb la temperatura i el valor DH , 0).

La reacció és exotèrmica, ja que DHproductes 2 DHreactius , 0.

Si es baixés la temperatura, la k cinètica seria menor, d’acord amb l’equació d’Arrehnius, i per tant, la velocitat hauria de minvar. Tanmateix, com que la reacció és exotèrmica, en refrigerar-la l’equilibri es desplaçaria cap a la dreta i afavoriria la producció de productes. Per tant, s’esdevenen dos efectes contraris entre ells. S’hauria d’avaluar quin predominaria.

4. Una reacció en fase gas 2 A(g) 1 B(g) 2 C(g) té ordre 2 respecte a A, i ordre 1 respecte a B. a) Escriu l’equació de velocitat per a aquesta reacció. Indica, raonadament, les unitats amb què s’expressen la velocitat i la constant de velocitat d’aquesta reacció.

La velocitat d’una reacció és igual a la constant de velocitat multiplicada per la concentració de cada reactiu elevada al seu ordre de reacció: Equació de velocitat: v 5 k [A]2 [B] La velocitat ens indica la variació de la concentració d’un reactiu o producte quan varia el temps. Per tant, tindrà unitats de concentració dividit per temps: Unitat de la velocitat: mol ? L21 ? s21 Les unitats de la constant de velocitat (k) depenen de l’ordre total de la reacció, que en aquest cas és 3: v k 5 ———— 2 [A] [B]

Raonament 1r Un augment de la temperatura, a volum constant, implica que tindrem més molècules amb una energia cinètica mínima per fer xocs efectius i, per tant, augmentarà la velocitat de la reacció (model de col?lisions).

Raonament 2n L’augment de la temperatura provoca un augment de la constant de velocitat k. De l’equació de velocitat es dedueix que augmentarà la velocitat, ja que la constant de velocitat augmenta i les concentracions no s’han modificat perquè es manté el volum.

EFECTE DEL VOLUM (a temperatura constant) Raonament 1r Mitjançant el model de col?lisions, es pot dir que en augmentar el volum la probabilitat que xoquin les molècules disminueix i, per tant, disminueix la velocitat de la reacció (en mantenir la temperatura no ha variat l’energia cinètica de les molècules).

Raonament 2n Si s’augmenta el volum, i es manté la temperatura, les concentracions dels reactius disminueixen (com que no varia la temperatura es manté la constant de velocitat, k). De l’equació de velocitat es dedueix que disminuirà la velocitat de la reacció.

5. [Curs 09-10] La hidròlisi de la sacarosa, o sucre de taula, es pot efectuar en un medi àcid que actua com a catalitzador. S’ha comprovat experimentalment que aquesta reacció té una cinètica de primer ordre respecte de la sacarosa.

H1

C12H22O11(aq) 1 H2O(l) C6H12O6(aq) 1 C6H12O6(aq) sacarosa

glucosa

a) Definiu el concepte d’ordre de reacció respecte d’un reactiu. Quin dels següents gràfics (A, B o C) indica que la hidròlisi àcida de la sacarosa és de primer ordre respecte d’aquest reactiu? Raoneu la resposta.

Velocitat de la reacció d’hidròlisi àcida de la sacarosa en funció de la concentració d’aquest reactiu Gràfic A

Gràfic

velocitat velocitat

mol?L21?s21 unitats de k: —————————— (mol2? L22) (mol L21) Unitats de k: mol22?L2?s21

fructosa

concentració de sacarosa

Fig. 3.21a

Gràfic C velocitat

concentrac

03

38

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Gràfic A Gràfic B

àfic velocitat A velocitat Gràfic B velocitat concentració de sacarosa

6. [Curs 11-12] Una de les aplicacions del cloroetà durant el segle XX ha estat la producció d’un antidetonant per a la gasolina. El cloroetà s’hidrolitza en una solució calenta concentració de sacarosa d’hidròxid de sodi, segons l’equació següent:

concentració de sacarosa

tració de sacarosa

Estudiem la variació de la velocitat inicial d’aquesta reacció per a diferents concentracions inicials dels reactius, a una temperatura determinada. Els resultats es poden observar en la taula següent:

Gràfic C Gràfic velocitat C velocitat (concentració de sacarosa)

2

Fig. 3.21c

L’ordre de reacció respecte a un reactiu és la potència a la qual està elevada la concentració d’aquest reactiu en l’equació de velocitat.

(concentració de sacarosa)2

Equació de velocitat: v 5 k [A]a ? [B]b en què a i b són els ordres de reacció.

Si la cinètica de la hidròlisi àcida de la sacarosa és de primer ordre respecte a la sacarosa, vol dir que l’equació de velocitat (suposant constants les concentracions dels altres reactius —en aquest cas l’aigua—) seria: v 5 k [sacarosa]1 El gràfic que representa la velocitat en funció de la concentració de sacarosa seria lineal: gràfic B. b) Què és un catalitzador? Expliqueu com actua un catalitzador en una reacció química a partir del model de l’estat de transició.

Un catalitzador és una substància que posem a la reacció, que no es consumeix, però que augmenta la velocitat de la reacció.

Segons el model de l’estat de transició, una reacció, per anar de reactius a productes, passa per un estat de transició de més energia que reactius i productes; la diferència d’energies entre l’estat de transició i els reactius s’anomena energia d’activació. El catalitzador proporciona un mecanisme alternatiu a la reacció: passa per un altre estat de transició que fa que la reacció tingui una energia d’activació més petita i, per tant, una velocitat més alta. sense catalitzador

Energia

CH3CH2Cl 1 OH2 CH3CH2OH 1 Cl2

Fig. 3.21b

Estudi experimental de la cinètica de la reacció d’hidròlisi del cloroetà Concentració inicial de cloroetà (mol?dm23)

Concentració inicial d’ió hidròxid (mol?dm23)

Velocitat inicial de la reacció (mol?dm23?s21)

0,010

0,020

8,60 ? 1028

0,020

0,020

1,72 ? 1027

0,020

0,060

5,16 ? 1027

Taula 3.9

a) Determineu l’ordre de reacció respecte a cada reactiu i l’ordre total de la reacció.

Expliqueu raonadament les respostes.

L’equació de la velocitat de la reacció es pot escriure així: v 5 k [CH3CH2Cl]a ? [OH2]b en què a i b són els ordres de reacció parcials respecte a cloroetà i l’ió hidroxil, respectivament.

Si tenim en compte els dos primers experiments, en els quals la concentració de OH2 es manté constant, en doblar la concentració del cloroetà també es duplica la velocitat; per tant, la reacció serà d’ordre 1 respecte al cloroetà (a 5 1).

Si tenim en compte els experiments segon i tercer, en els quals la concentració de cloroetà es manté constant, en triplicar la concentració d’ions hidroxil també es triplica la velocitat de la reacció; per tant, la reacció serà d’ordre 1 respecte a l’hidroxil (b 5 1).

L’ordre total de la reacció (n) serà la suma dels ordres de la reacció respecte a cada reactiu: n5a1b5111 n52 b) Calculeu la constant de velocitat de la reacció.

amb catalitzador

L’equació de velocitat de la reacció serà: v 5 k [CH3CH2Cl]1 [OH2]1 Agafant la velocitat inicial de la reacció i les concentracions inicials de cada reactiu en un experiment (el primer, per exemple) tenim:

reactius

Experiment 1: 8,60 ? 1028 5 k ? 0,01 ? 0,02 productes Coordenada de reacció

8,60 ? 1028 k 5 —————— 0,0002 k 5 4,3 ? 1024 mol21?dm3?s21

QUÍMICA 2

Quimitest 1. A temperatura constant, la velocitat d’una reacció només varia si es modifica la concentració de A. Si es duplica la concentració de A, s’observa que la velocitat augmenta quatre vegades. Per tant, l’ordre de la reacció és: a) 1 b) 2

d) Depèn de l’estat físic dels reactants (sòlid, líquid, gasós).

La resposta correcta és la a).

5. L’energia d’activació d’una reacció exotèrmica, DH , 0: a) Pot ser positiva o negativa. b) Sempre serà negativa.

d) No es pot saber.

c) Ha de ser positiva.

2. Els catalitzadors modifiquen la velocitat de les reaccions.

Això vol dir que: a) Modifiquen la seva constant específica, fan que sigui més gran. b) Modifiquen la seva constant específica, fan que sigui més petita. c) Alenteixen la reacció inversa i, per tant, la directa s’accelera. d) Rebaixen les energies d’activació de la reacció.

La resposta correcta és la d).

3. Una certa reacció a temperatura constant implica dos reactius A i B. Si dupliquem la concentració de A sense modificar la concentració de B, la velocitat es duplica. Si sense modificar la concentració de A, tripliquem la concentració de B, la velocitat de la reacció es multiplica per nou vegades. Si les concentracions de A i de B es dupliquen, la velocitat augmenta vuit vegades. La reacció és d’ordre: a) 1 respecte a A i 2 respecte a B. Ordre total 4.

39

c) Depèn de les partícules amb una energia superior a l’energia d’activació.

c) 3

La resposta correcta és la b).

03

d) Depèn de l’energia absorbida o alliberada.

La resposta correcta és la c).

6. En una reacció de primer ordre global v 5 k [A]: a) k és la velocitat específica i depèn de la concentració. b) La constant de reacció és independent de la concentració. c) La velocitat específica no depèn de la temperatura. d) Cap de les anteriors.

La resposta correcta és la b).

7. En qualsevol reacció gasosa la velocitat específica depèn de: a) La concentració. b) La pressió. c) L’energia d’activació. d) Cap les anteriors.

La resposta correcta és la d).

8. L’expressió de la velocitat d’una reacció és

b) 2 respecte a A i 3 respecte a B. Ordre total 3.

v 5 k [A] [B]

c) 1 respecte a A i 2 respecte a B. Ordre total 3.

Si la velocitat de reacció inicial és 0,02 M/minut amb concentracions inicials de A 0,15 M i de B 0,2 M, quina és la constant de la velocitat de reacció?

d) 1 respecte a A i 3 respecte a B. Ordre total 3.

La resposta correcta és la c).

4. L’entalpia d’una reacció, DH, tant si és endotèrmica com si és exotèrmica: a) És la diferència entre les energies d’activació del procés directe i invers. b) Disminueix si s’utilitza catalitzador.

a) 1,5 b) 0,33 c) 0,66 d) Sempre és 1.

La resposta correcta és la c).

04

40

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

j Unitat 4. Equilibri químic

Hi substituïm les concentracions de les espècies en equilibri: 3,68 ? 10 3—————— 4 3—————— 4 V V K 5 ———————————————————————— 5 4 3,76 ? 10 2 3,68 ? 10 x 2 3,68 ? 10 3———————— 4 3————————————— 4 V V 3,68 ? 1023

Activitats

c

1. A la revista Investigación y Ciencia del mes de juliol de 2008 es va publicar un article sobre la perillositat de l’addicció al tabac entre els adolescents. En relació amb aquest problema, el monòxid de carboni alliberat per la combustió del tabac entra en competició amb l’oxigen per tal d’unir-se a l’hemoglobina. Aquesta reacció d’equilibri és: CO(g) 1 Hb-O2 Hb-CO(g) 1 O2(g)

23

23

23

23

Com podem observar, els volums desapareixen i podem reescriure l’expressió de la manera següent: (3,68 ? 1023) (3,68 ? 1023) 54 Kc 5 —————————————————————— (x 2 3,68 ? 1023) (3,76 ? 1023 2 3,68 ? 1023) I obtenim que x 5 0,046 mol CH3COOH.

Quina és la seva Kc?

Ara ja podem calcular el percentatge d’àcid acètic en el vinagre comercial del problema:

Dades: O2(g)/CO(g) 5 4 000; Hb-CO(g)/Hb-O2 5 0,05

60 g CH3COOH 0,046 mol CH3COOH ? ———————— 5 2,76 g CH3COOH 1 mol CH3COOH

[Hb-CO] [O2] Kc 5 ——————— 5 0,05 ? 4 000 5 200 [Hb-O2] [CO] 2. La normativa d’etiquetatge dels productes de consum alimentari estableix que en el cas del vinagre cal indicar la proporció d’àcid acètic que conté. Es disposa de 50 g d’un vinagre del qual no coneixem el contingut d’àcid, que reacciona amb 0,18 g d’alcohol etílic del 96 % en massa. Si s’obtenen 0,32384 g d’acetat d’etil i sabem que la constant d’equilibri és 4, quin és el percentatge d’àcid acètic en aquest vinagre?

2,76 g CH3COOH % CH3COOH 5 ————————— ? 100 5 5,52 % 50 g vinagre 3. Un dels accidents domèstics més habituals és la intoxicació provocada per la barreja de lleixiu amb salfumant. La reacció produeix clor, que és tòxic. Aquesta reacció està descrita per l’equació d’equilibri següent: HClO 1 HCl Cl2 1 H2O

Primer, calculem les quantitats inicials:

Cap a on està desplaçat l’equilibri?

96 g CH3CH2OH 0,18 g alcohol 96 % ? ———————— 5 0,1728 g CH3CH2OH 100 g alcohol 96 %

Dades: [HClO] 5 0,2 M; [HCl] 5 0,5 M; [Cl2] 5 1 M; [H2O] 5 2 M; K25 °C 5 3,125 Per a aquesta reacció:

0,1728 g n (CH3CH2OH) 5 ————— 5 3,76 ? 1023 mol 46 g/mol 0,32384 g n (CH3COOC2H5) 5 —————— 5 3,68 ? 1023 mol 88 g/mol Escrivim la reacció d’equilibri: CH3COOH 1 CH3CH2OH CH3COOCH2CH3 1 H2O C0

3,76 ? 1023 —————— V

x — V

3,68 ? 1023 Cr —————— V

3,68 ? 1023 —————— V

0

0

(1 M) (2 M) [Cl2] [H2O] Qc 5 ——————— 5 ——————— 5 20 [HClO] [HCl] (0,2 M) (0,5 M) Kc 5 3,125 i Qc 5 20; per tant, Qc . Kc, la qual cosa ens indica que la concentració de productes és molt superior a la de reactius i que en aquest moment la concentració dels productes està per sobre de la concentració que tindran en l’equilibri. Per tant, el sentit de la reacció és cap a la formació de reactius.

4. El brom es dissocia segons la reacció: Br2(g) 2 Br(g)

3,68 ? 1023 3,68 ? 1023 —————— —————— V V

x 2 3,68 ? 1023 3,76 ? 1023 2 3,68 ? 1023 3,68 ? 1023 Ce ———————— —————————————— —————— V V V 23 3,68 ? 10 —————— V Escrivim l’expressió de la constant d’equilibri: [CH3COOCH2CH3] [H2O] Kc 5 ———————————— 5 4 [CH3COOH] [CH3CH2OH]

A una temperatura determinada, les pressions parcials del Br2(g) i del Br(g) són, respectivament, 0,08 atm i 0,05 atm.

Troba el valor de Kp. L’expressió matemàtica de Kp és la següent: p2Br —— Kp 5 pBr2 Si substituïm en l’expressió de Kp: (0,05 atm)2 p2Br Kp 5 —— 5 —————— 5 0,03125 atm pBr2 (0,08 atm)

04

QUÍMICA 2

5. En una recerca es fan diferents proves amb l’esquema de reacció següent: A(g) 1 2 B(g) C(g) 1 D(g) En un recipient de 30 L es posen 2 mol de A i 2 mol de B. Quan s’assoleix l’equilibri, la temperatura és de 30 °C i la pressió total, de 3 atm. Calcula la Kp del procés.

Escrivim la reacció d’equilibri: A(g)

1

2 B(g)

41

En aquest cas, a 5 0,27. Escrivim la reacció d’equilibri: Br2(g)

2 Br(g)

C0

1

0

Cr

0,27

2 ? 0,27

Ce

1 2 0,27

2 ? 0,27

El nombre de mols totals en l’equilibri és:

C(g) 1

D(g)

n0

2

2

0

0

nr

x

2x

x

x

ne

22x

2 2 2x

x

x

Per tant, els mols totals en l’equilibri es calculen segons l’expressió algèbrica següent: ntotal 5 (2 2 x) 1 (2 2 2 x) 1 2 x 5 4 2 x L’enunciat ens dóna el valor de la pressió total en l’equilibri; per tant, podem calcular el nombre de mols totals en l’equilibri a partir de l’equació d’estat dels gasos ideals: pV p V 5 ntotal R T ntotal 5 —— RT 3 atm ? 30 dm3 ntotal 5 ———————————————— 5 3,62 mol 0,082 atm?dm3/(K?mol) ? 303 K Substituïm en l’expressió algebraica anterior: 3,62 5 4 2 x x 5 0,38 mol Ara ja hem calculat totes les dades necessàries per obtenir el valor de les pressions parcials de cada gas en l’equilibri: 22x 1,62 pA 5 xA ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 1,34 atm 42x 3,62

ntotal 5 1 2 0,27 1 2 ? 0,27 5 1,27 Calculem les pressions parcials: 2 ? 0,27 pBr 5 xBr ? ptotal 5 ———— ? 0,1 atm 5 0,0425 atm 1,27 1 2 0,27 pBr2 5 xBr2 ? ptotal 5 ————— ? 0,1 atm 5 0,0575 atm 1,27 Apliquem l’expressió de Kp: p2Br Kp 5 —— pBr2 I substituint per les pressions en l’equilibri, trobem el valor de Kp: (0,0425 atm)2 Kp 5 ———————— 5 0,0314 atm 0,0575 atm Ara podem trobar el valor de Kc aplicant l’expressió que relaciona Kp i Kc: Kc 5 Kp (R T)21 Kc 5 0,0314 atm ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 1 400 K)21 Kc 5 2,735 ? 1024 M 7. La reacció de conversió del monòxid de carboni en diòxid de carboni a 1 000 ºC és: CO(g) 1 H2O(g) CO2(g) 1 H2(g)

2 2 2x 1,24 pB 5 xB ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 1,03 atm 42x 3,62

Si volem eliminar CO per mitjà de la pressió, cal augmentarla o disminuir-la?

x 0,38 pC 5 xC ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 0,315 atm 42x 3,62

En aquest cas, la pressió no afecta l’equilibri, ja que el nombre de mols de gas és igual en els reactius i en els productes. Per tant, no podem modificar l’equilibri amb la pressió.

x 0,38 pD 5 xD ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 0,315 atm 42x 3,62 Si substituïm els valors de les pressions en l’expressió de la constant Kp, en trobem el valor: (0,315 atm)2 pC ? pD ———————————— 5 0,0698 atm21 Kp 5 ———— 2 5 pA ? pB (1,34 atm) ? (1,03 atm)2 6. Les molècules de brom es dissocien seguint la reacció d’equilibri següent: Br2(g) 2 Br(g) El brom està dissociat un 27 % a 1 400 K. Si la pressió total és 0,1 atm, troba Kp i Kc.

8. Dins una ampolla de cava es produeix la reacció d’equilibri següent: CO2(g) 1 H2O(l) H2CO3(aq) Com explicaries el que succeeix en obrir l’ampolla?

En obrir l’ampolla de cava, disminueix la pressió a l’interior i, per tant, l’equilibri es desplaça per tal de contrarestar aquest efecte, és a dir, reacciona de manera que el nombre de mols gasosos augmenti, o sigui cap a la formació de reactius, cosa que fa que s’alliberi el gas del líquid.

9. Representeu gràficament l’evolució de la reacció següent: N2(g) 1 H2(g) NH3(g)

42

04

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Inicialment hi ha [N2(g)] 5 2 M i [H2(g)] 5 2 M [NH3(g)] 5 0M a) Si en l’equilibri s’augmenta la [NH3(g)], cap a on es desplaça la reacció? Representeu-ho gràficament.

En arribar a l’equilibri augmenta la concentració d’amoniac i per tant l’equilibri es desplaça cap a l’esquerra (reactius), baixa la concentració d’amoníac i pugen les de nitrogen i hidrogen. b) Si en l’equilibri s’augmenta la [H2(g)], cap a on es desplaça la reacció? Representeu-ho gràficament.

En arribar a l’equilibri augmenta la concentració d’hidrogen i per tant l’equilibri es desplaça cap a la dreta (productes), augmenta la concentració d’amoníac i baixen les de nitrogen i hidrogen.

Anàlisi global: una anàlisi global i pràctica ens indica que treballar amb aigües a temperatures baixes és la metodologia econòmicament més rendible.

Activitats finals 1. Escriu l’expressió de la constant d’equilibri de les reaccions següents i indica en quin sentit es desplaça l’equilibri. a) C2H4(g) 1 HCl(g) C2H5Cl(g) K25 °C 5 3,29·104 [C2H5Cl] Kc 5 ——————— 5 3,29 ? 104 [C2H4] [HCl] Està desplaçada cap als productes.

10. En la reacció de formació de l’etilè en condicions estàndards (25 ºC i 1 atm), DG° 5 168,12 kJ/mol. Calcula el valor de la constant d’equilibri en aquestes condicions.

b) C4H10(g) C2H6(g) 1 C2H4(g) K25 °C 5 1,12·1029

Escrivim la reacció d’equilibri:

[C2H6] [C2H4] Kc 5 ——————— 5 1,12 ? 1029 [C4H10]

2 C(s) 1 2 H2(g) C2H4(g) D’acord amb l’expressió:

Està desplaçada cap als reactius.

DG° 5 2R T ln K Aïllem la constant d’equilibri: DG° ln K 5 2—— RT L’energia lliure de Gibbs s’expressa en joules; així, doncs, R 5 8,314 J/(K?mol).

68 120 J/mol ln K 5 2———————————— 8,314 J/(K?mol) ? 298 K Per tant:

K 5 1,15 ? 10212

11. En una piscifactoria de salmons han d’augmentar la proporció d’oxigen dissolt en l’aigua segons l’equilibri següent: O2(g) O2(aq)

c) CH25CH2(g) 1 H2O(g) CH3CH2OH(g) K25 °C 5 23,1 [CH3CH2OH] Kc 5 ————————— 5 23,1 [CH2 }} CH2] [H2O] Està desplaçada cap als productes.

2. En la reacció entre l’àcid hipoclorós i l’àcid clorhídric s’allibera clor. Si tenim una dissolució 2 M d’hipoclorit i una dissolució 1 M d’àcid clorhídric, quina serà la concentració del clor en l’equilibri, suposant que tot queda dissolt?

HClO 1 HCl Cl2 1 H2O HClO C inicial

2M

1

K25 °C 5 3,125

HCl

C que reacciona

Es tracta d’estudiar les condicions que fan que la reacció d’equilibri es desplaci cap a la dreta. Els factors que, en modificar-se, afecten l’equilibri són els següents:

Escrivim l’expressió de la constant d’equilibri:

Concentració de reactius: si aconseguim augmentar la quantitat de O2(g), l’equilibri es desplaçarà cap a la formació de O2(aq).

Pressió: si s’augmenta la pressió de la mescla gasosa, l’equilibri es desplaçarà cap al sentit en què es redueixi el nombre total de mols de gasos (en aquest cas, cap a la formació de productes) i s’afavorirà la formació de O2(aq).

Temperatura: es tracta d’un procés exotèrmic, DH°r , 0. Ho podem assegurar, ja que l’entropia és desfavorable, el sistema augmenta d’ordre. Per tant, si es treballa a temperatures baixes, s’afavoreix la formació de O2(aq).

H2O

—

—

1M

Quines condicions afavoriran l’augment de la presència de O2(aq)?

C equilibri

Cl2 1

x

x

x

x

22x

12x

x

x

[Cl2] [H2O] Kc 5 ——————— 5 3,125 [HClO] [HCl] x2 Kc 5 ————————— 5 3,125 (2 2 x) (1 2 x) 2,125 x 2 2 9,375 x 1 6,25 5 0 x 5 0,82 M 3. En escalfar el HI, es descompon segons la reacció: 2 HI(g) I2(g) 1 H2(g)

04

QUÍMICA 2

A 448 °C un recipient tancat conté 0,38 mol de I2, 0,081 mol de H2 i 1,24 mol de HI en equilibri. En un altre recipient de 2 L de capacitat es posen 0,1 mol de H2, 0,1 mol de I2 i 0,2 mol de HI i es tanca fins a assolir la temperatura de 448 °C. Calcula les concentracions dels gasos en l’equilibri.

Escrivim la reacció d’equilibri i calculem el valor de Kc:

[I2] [H2] (0,38) (0,081) Kc 5 ————— 5 ——————— 5 0,02 (1,24)2 [HI]2 Calculem el valor de Qc per saber en quin sentit evolucionarà l’equilibri: 0,1 0,1 —— —— 2 2 5 0,25 Qc 5 ———————— 0,2 2 —— 2

1 21 2 1 2

Com que Qc . Kc, la reacció d’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius.

C inicial

0,1 M

C que reacciona C equilibri

I2(g) 1 0,05 M

H2(g) 0,05 M

2x

x

x

0,1 1 2 x

0,05 2 x

0,05 2 x

(0,05 2 x)2 [I2] [H2] ——————— 5 0,02 Kc 5 ————— 5 (0,1 1 2 x)2 [HI]2 0,92 x2

2 0,108 x 1

2,3 ? 1023

d) Els catalitzadors augmenten la constant d’equilibri.

Falsa. Els catalitzadors no influeixen en el valor de la constant d’equilibri. e) L’equilibri és una situació d’estancament.

Falsa. L’equilibri és dinàmic.

2 HI(g) I2(g) 1 H2(g)

2 HI(g)

43

50

r x1 5 0,089 w q x2 5 0,028

La primera solució no és vàlida, ja que no té sentit químic. Per tant, les concentracions en equilibri són: [HI] 5 0,1 1 2 x 5 0,156 M [I2] 5 0,05 2 x 5 0,022 M [H2] 5 0,05 2 x 5 0,022 M

5. A 1 000 °C la constant d’equilibri de la reacció entre el monòxid de carboni i l’aigua gasosa per formar diòxid de carboni i hidrogen val 0,62. Un recipient tancat conté inicialment 0,01 mol CO, 0,50 mol H2O, 0,30 mol CO2 i 0,10 mol H2. El sistema s’escalfa fins a 1 000 °C. Calcula la quantitat de cada espècie química present en l’equilibri.

Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kc: CO(g) 1 H2O(g) CO2(g) 1 H2(g) [CO2] [H2] Kc 5 —————— 5 0,62 [CO] [H2O] Calculem el valor de Qc per saber en quin sentit evolucionarà l’equilibri: (0,30) (0,10) Qc 5 ——————— 5 6 (0,01) (0,50) Com que Qc . Kc, la reacció d’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius.

CO(g) C inicial C que reacciona

1

H2O(g)

H2(g)

0,01 ——— V

0,50 ——— V

0,30 ——— V

0,10 ——— V

x

x

x

x

0,01 1 x 0,50 1 x ———— ———— V V

C equilibri

CO2(g) 1

0,30 2 x 0,10 2 x ———— ———— V V

0,30 2 x 0,10 2 x —————2 1————— 2 1 V V K 5 —————————————— 5 0,62 0,01 1 x 0,50 1 x 1————— 2 1————— 2 V V c

0,38 x 2 2 0,7162 x 1 0,0269 5 0 4. Digues si les afirmacions següents són certes o falses: a) Un valor negatiu de la constant d’equilibri significa que l’equilibri està desplaçat cap a la formació de reactius.

r x1 5 1,8464 w q x2 5 0,0383

Falsa. La constant d’equilibri no pot tenir valor negatiu.

La primera solució no és vàlida, ja que no té sentit químic. Per tant, els mols de cada espècie en l’equilibri són:

b) Com que la temperatura no és present en l’expressió de la constant d’equilibri, no hi influeix.

0,01 1 x 5 0,0483 mol CO

Falsa. La constant d’equilibri depèn de la temperatura i té un valor determinat per a cada temperatura. c) Les condicions d’equilibri varien segons si considerem la reacció directa o la inversa.

Falsa. Les condicions d’equilibri són úniques i independents de com s’hagi assolit l’equilibri.

0,50 1 x 5 0,5383 mol H2O 0,30 2 x 5 0,2617 mol CO2 0,10 2 x 5 0,0617 mol H2 6. Per a una constant d’equilibri qualsevol, cap a quin sentit es desplaçarà l’equilibri si la concentració dels productes supera la concentració d’aquests productes en l’equilibri i

44

04

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

la de reactants és inferior a les seves concentracions en l’equilibri?

L’equilibri es desplaçarà cap a la formació de reactius, ja que tindrem un valor de Qc . Kc ; aleshores, per assolir l’equilibri han de reaccionar els productes per obtenir més reactius.

7. Quina diferència hi ha entre Qc i Kc? Qc no és una constant i en la seva expressió no hi figuren les concentracions en l’equilibri.

8. Quan coincideixen els valors de les constants d’equilibri Kc i Kp? Quan no hi ha increment en el nombre de mols gasosos d’una reacció, és a dir, quan el nombre de mols gasosos de reactius és igual al nombre de mols gasosos de productes.

9. En reaccionar el diòxid de sofre amb el diòxid de nitrogen, s’obté triòxid de sofre i monòxid de nitrogen. Un recipient d’1 L conté en equilibri 0,8 mol SO2, 0,1 mol NO2, 0,6 mol SO3 i 0,4 mol NO. Calcula els mols de NO que cal afegir al recipient perquè la concentració de NO2 sigui de 0,3 mol?L21, si la temperatura es manté constant. Tots els compostos són gasos.

Escrivim la reacció d’equilibri i calculem el valor de Kc:

SO3(g) 1 NO(g)

0,8

0,1

0,6

0,4 1 y

C que reacciona

x

x 5 0,2

x

x

C equilibri

1

0,3

0,4

0,2 1 y

[SO3] [NO] (0,4) (0,2 1 y) Kc 5 —————— 5 ———————— 5 3 (1) (0,3) [SO2] [NO] Resolent l’equació resultant obtenim que y 5 2,05; per tant, hem d’afegir 2,05 mol de monòxid de nitrogen.

4 NH3(g) 1 5 O2(g) 4 NO(g) 1 6 H2O(g)

K1

2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g)

K2

calcula la constat d’equilibri de la reacció següent: 4 NH3(g) 1 7 O2(g) 4 NO2(g) 1 6 H2O(g) b) K3 5 K1 K 22

K1 c) K3 5 —— 2 K2

K1 d) K3 5 —— K 22

e) K3 5

K 12

K2

[NO2]2 K2 5 —————— ; [NO]2 [O2]

[NO2]4 K92 5 —————— [NO]4 [O2]2

És a dir, K92 5 K 22 i, per tant, K3 5 K1 K 22 i la resposta correcta és la b).

11. Per sintetitzar un compost orgànic AD es necessita elevar la temperatura fins a 300 °C. Una vegada assolit l’equilibri, la mescla té 3 atm de pressió. Si la fracció molar del compost AD és 0,2 i la de la substància D és 0,57, determina el valor de Kp si la reacció és la següent: A 1 D AD Escrivim l’expressió de Kp:

pAD Kp 5 ———— pA ? pD

Calculem el valor de la fracció molar de A: xA 5 1 2 0,2 2 0,57 5 0,23

Finalment substituïm valors en l’expressió de Kp: (0,6 atm) pAD Kp 5 ———— 5 ———————————— 5 0,5 atm21 pA ? pD (0,69 atm) ? (1,71 atm) 12. A 600 °C un recipient de 1 000 mL conté una mescla gasosa en equilibri formada per 0,8480 g de triòxid de sofre, 0,2048 g de diòxid de sofre i 0,0512 g d’oxigen. Calcula les constants d’equilibri Kc i Kp del procés: 2 SO2(g) 1 O2(g) 2 SO3(g) a la temperatura esmentada.

Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kc: 2 SO2(g) 1 O2(g) 2 SO3(g)

10. Si coneixem les constants d’equilibri següents:

a) K3 5 K1 K2

[2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g)] ? 2 K92 _________________________________________ 4 NH3(g) 1 7 O2(g) 4 NO2(g) 1 6 H2O(g) K3

pAD 5 xAD ? ptotal 5 0,2 ? 3 atm 5 0,6 atm

Tot seguit escrivim la situació que ens descriu el problema:

C inicial

K1

pA 5 xA ? ptotal 5 0,23 ? 3 atm 5 0,69 atm pD 5 xD ? ptotal 5 0,57 ? 3 atm 5 1,71 atm

[SO3] [NO] (0,6) (0,4) Kc 5 —————— 5 —————— 5 3 (0,8) (0,1) [SO2] [NO]

4 NH3(g) 1 5 O2(g) 4 NO(g) 1 6 H2O(g)

Calculem les pressions parcials:

SO2(g) 1 NO2(g) SO3(g) 1 NO(g)

SO2(g) 1 NO2(g)

Combinem les equacions de manera que obtinguem l’equació de la reacció de la qual hem d’esbrinar la constant d’equilibri:

f ) K3 5 3 K1 K2

[SO3]2 Kc 5 —————— [SO2]2 [O2] A partir de les dades que ens dóna el problema podem calcular les concentracions en equilibri: 0,8480 g 1 mol ? ———— 5 0,0106 M [SO3] 5 ————— 3 80 g 1 dm 0,2048 g 1 mol ? ———— 5 3,2 ? 1023 M [SO2] 5 ————— 64 g 1 dm3 0,0512 g 1 mol ? ———— 5 1,6 ? 1023 M [O2] 5 ————— 3 32 g 1 dm

04

QUÍMICA 2

Finalment, substituïm valors en l’expressió de Kc: (0,0106)2 [SO3]2 Kc 5 —————— 5 ———————————— 2 (3,2 ? 1023)2 (1,6 ? 1023) [SO2] [O2] Kc 5 6 858 (mol/dm3)21 Per acabar calculem el valor de Kp: Kp 5 Kc

Kp 5 6 858 L/mol ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 873 K)21 Kp 5 95,8 atm21 13. Troba el valor de Kp per a les reaccions següents: Kc 5 2,8 ? 1023 mol/L (27 °C) Kp 5 Kc (R T)Dn Kp 5 2,8 ? 1023 mol/L ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 300 K)1 Kp 5 0,069 atm

e) També es pot aconseguir introduint un gas inert en el recipient, ja que implica un augment de la pressió i l’equilibri es desplaça cap al sentit on hi ha menys mols de gasos, en aquest cas, cap a la formació de productes.

a) Calcula la constant d’equilibri Kc i les pressions parcials dels gasos en l’equilibri.

Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kc:

b) 4 HCl(g) 1 O2(g) 2 Cl2(g) 1 2 H2O(g) Kc 5 4,38 ? 104 (mol/L)21 (340 °C)

N2(g) 1 3 H2(g) 2 NH3(g) [NH3]2 Kc 5 ————— [N2] [H2]3

(R T)Dn

Kp 5 4,38 ? 104 L/mol ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 613 K)21 Kp 5 871,4 atm21 14. El monòxid de nitrogen gasós es descompon en nitrogen i oxigen en un procés exotèrmic. Explica raonadament: a) Si una disminució de la temperatura afavoreix la descomposició del NO. Escrivim la reacció d’equilibri: DH , 0

Una disminució de la temperatura afavoreix la descomposició del NO, ja que l’equilibri es desplaça en el sentit exotèrmic i, per tant, cap a la formació de productes. b) La influència de la disminució de volum sobre aquest equilibri.

Una disminució del volum implica un augment de la pressió, però en aquesta reacció no hi ha variació en el nombre de mols gasosos; per tant, l’equilibri no es veu afectat per la variació de la pressió.

15. En un recipient a volum constant té lloc l’equilibri següent: 1 SO2(g) 1 — O2(g) SO3(g) 2

c) Augmentant la concentració d’oxigen, per la mateixa raó que en l’apartat b).

16. A 750 K, un litre d’una mescla de NH3, N2 i H2 en equilibri es compon d’1,20 mol H2, 1 mol N2 i 0,329 mol NH3. L’equilibri és: N2(g) 1 3 H2(g) 2 NH3(g)

a) COCl2(g) CO(g) 1 Cl2(g)

2 NO(g) N2(g) 1 O2(g)

b) Augmentant la concentració del diòxid de sofre, que en ser un reactiu, desplaça l’equilibri cap a la formació de productes.

d) Disminuint la concentració de triòxid de sofre, ja que és un producte i, així, l’equilibri es desplaça cap a la dreta.

(R T)Dn

Kp 5 Kc

45

DH 5 2981,3 kJ

Explica raonadament quatre maneres diferents d’incrementar la quantitat de SO3.

Es pot aconseguir desplaçar l’equilibri cap a la formació de productes de les maneres següents: a) Disminuint la temperatura, ja que l’equilibri es desplaça en el sentit exotèrmic.

Tot seguit calculem el valor de Kc: [NH3]2 (0,329)2 —————— 5 0,0626 (mol/dm3)22 Kc 5 ————— 5 [N2] [H2]3 (1) (1,20)3 Per calcular les pressions parcials de cada gas en l’equilibri, necessitem conèixer la pressió total: ntotal 5 1,20 1 1 1 0,329 5 2,529 mol Apliquem l’equació d’estat dels gasos ideals: ptotal V 5 ntotal R T ntotal R T 2,529 mol ? 0,082 atm?L/(K?mol) ? 750 K ptotal 5 ———— 5 —————————————————— V 1L ptotal 5 155,53 atm Calculem les pressions parcials: 1 p (N2) 5 x (N2) ? ptotal 5 ——— ? 155,53 atm 5 61,5 atm 2,529 1,20 p (H2) 5 x (H2) ? ptotal 5 ——— ? 155,53 atm 5 73,8 atm 2,529 0,329 p (NH3) 5 x (NH3) ? ptotal 5 ——— ? 155,53 atm 5 20,23 atm 2,529 b) Si la variació d’entalpia corresponent al procés és 292,4 kJ, indica en quin sentit es desplaça l’equilibri si la temperatura augmenta fins a 1 373 K. N2(g) 1 3 H2(g) 2 NH3(g)

DH 5 292,4 kJ

Si la temperatura augmenta, l’equilibri es desplaça en el sentit endotèrmic, és a dir, cap a la formació de reactius.

46

04

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

17. Què és el grau de dissociació? Quins valors numèrics pot tenir?

Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kc: PCl5(g) PCl3(g) 1 Cl2(g)

El grau de dissociació és el tant per 1 que reacciona (que es dissocia). Els valors que pot tenir estan compresos entre 0 , a , 1.

18. El N2O4 es dissocia segons l’equilibri:

[PCl3] [Cl2] Kc 5 —————— [PCl5] Tot seguit escrivim la situació que ens descriu el problema:

N2O4 2 NO2 Si inicialment tenim 42 g de N2O4 i en l’equilibri tenim 18,35 L a 50 °C i a una pressió de 710 mmHg, calcula: a) El grau de dissociació del N2O4.

Calculem els mols de N2O4 a l’inici de la reacció:

C inicial C que reacciona C equilibri

PCl5 c ca c (1 2 a)

PCl3 1 Cl2 — — ca ca ca ca

Substituïm els valors en l’expressió de Kc:

42 g n (N2O4) 5 ————— 5 0,46 mol 92 g/mol

c2 a2 c a2 [PCl3] [Cl2] Kc 5 —————— 5 ————— 5 ———— c (1 2 a) (1 2 a) [PCl5]

Calculem els mols totals (N2O4 1 NO2) que tenim en l’equilibri aplicant l’equació d’estat dels gasos ideals:

0,015 ? 0,52 Kc 5 —————— 5 7,5 ? 1023 mol?dm23 1 2 0,5

ptotal V 5 ntotal R T 710 ——— atm ? 18,35 L 760 ptotal V ntotal 5 ———— 5 —————————————— RT 0,082 atm?L/(K?mol) ? 323 K ntotal 5 0,647 mol

n inicial n que reacciona n equilibri

2 NO2(g) — 2na 2na

n na n (1 2 a)

Si tenim unes dissolucions inicials d’alcohol i àcid 1 M i sabem que Kc a 25 °C és 9, calcula’n el grau de dissociació.

Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kc:

Escrivim l’equació d’equilibri: N2O4(g)

20. L’alcohol etílic reacciona amb l’àcid acètic i es forma acetat d’etil i aigua, en una reacció anomenada d’esterificació.

CH3CH2OH 1 CH3COOH CH3COOCH2CH3 1 H2O [CH3COOCH2CH3] [H2O] Kc 5 ———————————— 5 9 [CH3CH2OH] [CH3COOH] Tot seguit escrivim la situació que ens descriu el problema:

Per tant:

C inicial C reacciona C equilibri

ntotal 5 n (1 2 a) 1 2 n a 5 n (1 1 a) 0,647 5 0,46 (1 1 a) a 5 0,4

CH3CH2OH 1 CH3COOH CH3COOCH2CH3 1 H2O 1 1 — — a a a a 12a 12a a a

Substituïm els valors en l’expressió de Kc:

b) La constant d’equilibri Kp. Escrivim l’expressió de Kp i l’expressem en funció del grau de dissociació: 2 2na ————— ? ptotal x2 (NO2) ? p2total p2 (NO2) n (1 1 a) Kp 5 ———— 5 ——————— 5 —————————— x (N2O4) ? ptotal n (1 2 a) p (N2O4) ————— n (1 1 a) 4 a2 ———— ? ptotal (1 1 a)2 4 a2 ? ptotal 4 a2 Kp 5 ———————— 5 ———————— 5 ———— ? ptotal (1 2 a) (1 1 a) (1 2 a) 1 2 a2 ———— (1 1 a)

3

4

710 4 (0,4)2 ? ——— 5 0,712 atm Kp 5 ————— 2 760 1 2 0,4 19. El grau de dissociació de la reacció de descomposició del pentaclorur de fòsfor en triclorur de fòsfor i clor és 0,5 a 473 K. Quina és la constant d’equilibri si la concentració inicial de PCl5 és 0,015 mol?L21?

a2 Kc 5 ————— 59 (1 2 a)2 I obtenim que a 5 0,75.

21. A 400 °C, el clorur d’hidrogen reacciona en fase gasosa amb l’oxigen, i s’obté clor i vapor d’aigua. La reacció assoleix l’estat d’equilibri. Justifica en quin sentit es desplaça l’equilibri quan: a) Se’n disminueix la pressió total.

Escrivim la reacció d’equilibri: 4 HCl(g) 1 O2(g) 2 Cl2(g) 1 2 H2O(g) Si disminuïm la pressió, l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de més mols gasosos, és a dir, cap a la formació de reactius. b) S’hi afegeix argó mantenint el volum constant.

L’argó no intervé en l’equilibri, però augmenta la pressió del sistema; per tant, l’equilibri es desplaça en el sentit de

04

QUÍMICA 2

formació de menys mols de gasos, és a dir, cap a la formació de productes. c) S’hi afegeix clor mantenint el volum constant.

Si augmentem la concentració de clor, l’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius.

22. A 2 000 °C i 1 atm de pressió total, el diòxid de carboni es descompon en un 60 % segons l’equació següent: 2 CO2(g) 2 CO(g) 1 O2(g)

DH . 0

a) Calcula la constant d’equilibri Kp a 2 273 K. Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kp: 2 CO2(g) 2 CO(g) 1 O2(g) p2 (CO) ? p (O2) Kp 5 ——————— p2 (CO2) Tot seguit escrivim la situació que ens descriu el problema: 2 CO2(g) 2 CO(g) 1 O2(g) n inicial n que reacciona n equilibri

1

—

—

2 c a 5 0,6

2ca

ca

0,4

0,6

0,3

Els mols totals en l’equilibri són 1,3 mol i la pressió total és d’1 atm.

Desenvolupem l’expressió de Kp en funció de les fraccions molars: Kp 5

x2 (CO) ? p2total ? x (O2) ? ptotal ————————————— x2 (CO2) ? p2total

x2 (CO) ? x (O2) 5 ——————— ? ptotal x2 (CO2)

Hi substituïm els valors i obtenim el valor de Kp:

1 2 1 2 1 2

0,6 2 0,3 —— ? —— x2 (CO) ? x (O2) 1,3 1,3 ? ptotal 5 ————————— ? 1 atm Kp 5 ———————— x2 (CO2) 0,4 2 —— 1,3 Kp 5 0,519 atm b) Explica quin efecte tindria sobre l’equilibri un augment de temperatura.

Si la temperatura augmenta, l’equilibri es desplaçarà en el sentit endotèrmic, és a dir, cap a la formació de productes. c) Quin seria l’efecte d’una disminució de pressió?

Si disminuïm la pressió, l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de més mols gasosos, és a dir, cap a la formació de productes.

23. A 323 K i una pressió de 105 Pa, el tetraòxid de dinitrogen està dissociat en un 40 % en diòxid de nitrogen. Calcula Kp de l’equilibri de dissociació. Si la variació d’entalpia és positiva, discuteix l’efecte sobre la constant d’equilibri i sobre el rendiment de la reacció en augmentar la temperatura i la pressió total.

47

Escrivim l’equació d’equilibri i l’expressió de Kp: N2O4(g) 2 NO2(g) p2 (NO2) Kp 5 ————— p (N2O4) Tot seguit escrivim la situació que ens descriu el problema: N2O4(g) 2 NO2(g) n inicial n que reacciona n equilibri

1 0,4 0,6

— 2 ? 0,4 0,8

El nombre de mols totals és d’1,4 mol i la pressió total és aproximadament d’1 atm. Desenvolupem l’expressió de Kp en funció de les fraccions molars: x2 (NO2) ? p2total x2 (NO2) p2 (NO2) Kp 5 ————— 5 ———————— 5 ———— ? ptotal x (N2O4) ? ptotal x (N2O4) p (N2O4) Hi substituïm els valors i obtenim Kp: 0,8 1—— 1,4 2 5 ————— ? 1 atm 5 0,76 atm 0,6 1—— 1,4 2 2

x2 (NO2) Kp 5 ————— ? ptotal x (N2O4)

Sabem que l’entalpia és positiva; per tant, significa que la reacció és endotèrmica.

Si augmenta la temperatura, l’equilibri es desplaça cap al sentit endotèrmic, és a dir, cap a la formació de productes, i augmenta el rendiment de la reacció.

Si augmenta la pressió total, l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de menys mols gasosos, és a dir, cap a la formació de reactius, i disminueix el rendiment de la reacció.

24. Com es pot millorar el rendiment de la reacció següent?

A(g) 1 2 B(g) 4 C(g) DH , 0 Podem millorar el rendiment de la reacció: a) Disminuint la temperatura del sistema, ja que l’equilibri es desplaçarà en el sentit exotèrmic. b) Disminuint la pressió, ja que l’equilibri es desplaçarà en el sentit de formació de més mols gasosos, és a dir, cap a la formació de productes. c) Augmentant la concentració d’algun dels reactius. d) Disminuint la concentració del producte.

25. A 600 K l’equilibri de dissociació següent: CH3CHOHCH3(g) CH3COCH3(g) 1 H2(g) és exotèrmic. Indica raonadament si la dissociació augmenta, disminueix o no varia:

48

04

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

a) En augmentar la pressió.

En augmentar la pressió, la dissociació disminueix, ja que l’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius, sentit en el qual hi ha menys mols gasosos. b) En disminuir la temperatura.

En disminuir la temperatura, augmenta la dissociació, ja que l’equilibri es desplaça en el sentit exotèrmic. c) En afegir-hi un catalitzador.

En afegir-hi un catalitzador, l’equilibri no varia.

26. Interpreta els valors de l’energia lliure de Gibbs per a diferents valors de la constant d’equilibri: DG° 5 2R T ln K Un procés és espontani quan DG° , 0 i K . 1.

Obtenim que x 5 4,8 ? 1025 i la concentració de NO en l’equilibri és: [NO] 5 2 x 5 9,6 ? 1025 mol/L La resposta correcta és la e).

28. A 800 °C la constant d’equilibri, Kp, per a la descomposició del carbonat de calci en òxid de calci i diòxid de carboni és 1,16. a) Indica la massa de carbonat de calci que reaccionarà si s’introdueixen 20 g d’aquest compost en un recipient de 10 L i s’escalfa el recipient fins a 800 °C. Calculem el nombre de mols de CaCO3 inicials: 20 g n (CaCO3) 5 ————— 5 0,20 mol 100 g/mol Escrivim la situació que ens descriu el problema:

Un procés és no espontani quan DG° . 0 i K , 1.

27. En un matràs d’un litre de capacitat s’introdueix un mol de NO2 i la temperatura es manté a 25 °C. L’equilibri de la reacció que s’estableix és: 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g) Quina serà la concentració de NO un cop establert l’equilibri?

Dades: DG°f (NO a 25 °C) 5 86,55 kJ/mol DG°f (NO2 a 25 °C) 5 51,30 kJ/mol a) 7,6 ? 1025 mol/L

b) 1,5 ? 1024 mol/L

c) 0,012 mol/L

d) 2,3 ? 10212 mol/L

e) 9,6 ? 1025 mol/L

f ) 7,9 ? 1023 mol/L

Calculem l’increment d’entalpia lliure de Gibbs de la reacció: DG°r 5 2 DG°f (NO2) 2 2 DG°f (NO) DG°r 5 2 ? 51,30 2 2 ? 86,55 5 270,5 kJ

CaCO3(s) CaO(s) 1 CO2(g) n inicial n que reacciona n equilibri

0,2 x 0,2 2 x

— x x

— x x

Com que estem treballant amb concentracions, hem d’esbrinar el valor de Kc. Kp 5 Kc (R T)Dn Kp 1,16 5 ———————— 5 0,013 mol/L Kc 5 ———— Dn (0,082 ? 1 073)1 (R T) Escrivim l’expressió de Kc:

1—Vx 2

2

[CaO] [CO2] Kc 5 —————— 5 —————— 5 0,013 mol/L 0,2 2 x [CaCO3] ———— V x2 —————— 5 0,013 mol/L (0,2 2 x) V

A partir de l’expressió DG° 5 2R T ln K, calculem el valor de la constant d’equilibri:

Obtenim que x 5 0,109 i, per tant, la massa de carbonat de calci que reacciona és:

DG° 5 2R T ln K

100 g CaCO3 0,109 mol CaCO3 ? ——————— 5 10,9 g CaCO3 1 mol CaCO3

270 500 5 28,314 ? 298 ? ln K

Han reaccionat 10,9 g de CaCO3.

K 5 2,28 ? 1012 (mol/L)21 Tot seguit, escrivim la situació que ens descriu el problema: 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g) n inicial n reacciona n equilibri

— 2x 2x

— x x

1 2x 1 2 2x

Escrivim l’expressió de la constant de concentracions de l’equilibri: [NO2]2 (1 2 2 x)2 Kc 5 ————— 5 ————— 5 2,28 ? 1012 (mol/L3)21 2 [NO] [O2] x (2 x)2

b) Justifica el desplaçament de l’equilibri: — En afegir un gas inert al recipient.

En afegir un gas inert, la pressió augmenta i l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de menys nombre de mols gasosos, és a dir, cap a la formació de reactius.

— En augmentar el volum del recipient.

Si augmentem el volum, la pressió disminueix; per tant, l’equilibri es desplaça cap a la formació de productes.

04

QUÍMICA 2

29. Podem obtenir clor a partir de l’oxidació del clorur d’hidrogen gasós segons l’equació següent:

Constant d’equilibri de concentracions: [NO2]2 Kc 5 ———— N2O4

4 HCl(g) 1 O2(g) 2 H2O(g) 1 2 Cl2(g) a) Calcula la constant d’equilibri, Kp, a 390 °C si en mesclar 0,080 mol de clorur d’hidrogen i 0,100 mol d’oxigen a aquesta temperatura obtenim 0,0332 mol de clor a la pressió total d’1 atm.

n inicial

Calculem les masses moleculars: Massa molecular del N2O4 5 92 g/mol Massa molecular del NO2 5 46 g/mol Mols inicials de reactiu 5

Escrivim la situació que ens descriu el problema: 4 HCl(g) 1 O2(g)

2 Cl2(g) 1 2 H2O(g)

0,080

0,100

—

—

n reacciona

4x

x 5 0,0166

2x

2x

n equilibri

0,0136

0,0834

0,0332

0,0332

1 mol N2O4 5 184 g N2O4 ? ————— 5 2,0 mols de N2O4 92 g N2O4 Mols finals de producte 5 1 mol NO2 5 36,8 g NO2 ? ————— 5 0,80 mols de NO2 46 g NO2

Els mols totals en l’equilibri són 0,1634 mol i la pressió total és d’1 atm.

Plantejament de l’equilibri:

Escrivim l’expressió de Kp i l’expressem en funció de les fraccions molars:

mols inicials

x2 (Cl2) ? p2total ? x2 (H2O) ? p2total p2 (Cl2) ? p2 (H2O) ——————————————— Kp 5 ————————— 5 x4 (HCl) ? p4total ? x (O2) ? ptotal p4 (HCl) ? p (O2) x2 (Cl2) ? x2 (H2O) Kp 5 ——————————— 4 x (HCl) ? x (O2) ? ptotal

Kp

N2O4(g) mols en equilibri

2,0

0

2,0 2 x

2x

mols de NO2 en equilibri 5 0,80 5 2 x 0,80 x 5 ——— 5 0,40 mols 2

2

4

2 NO2(g)

Calculem les concentracions en equilibri sabent que:

0,0332 0,0332 ? 1————2 1———— 2 0,1634 0,1634 5 ————————————— 5 69,6 atm 0,0136 0,0834 ? 1————2 1———— 2 0,1634 0,1634 2

49

21

b) Indica quin desplaçament de l’equilibri es produirà si el volum es redueix a la meitat. Justifica la resposta.

V 5 4,00 litres 2,0 2 x 2,0 2 0,40 [N2O4] 5 ———— 5 ————— 5 0,40 M 4,00 4,00 2x 0,80 [NO2] 5 ——— 5 ——— 5 0,20 M 4,00 4,00 Càlcul de la constant d’equilibri:

Si disminueix el volum, la pressió augmenta i l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de menys mols gasosos, és a dir, cap a la formació de productes.

[NO2]2 (0,20)2 Kc 5 ———— Kc 5 ———— 0,40 N2O4 Kc 5 0,10

Prepara la selectivitat 1. [Curs 10-11] Els òxids de nitrogen formen part de la pollució de les grans ciutats a causa de la combustió en els motors d’explosió. El N2O4(g) és incolor i el NO2(g) és marró i més tòxic. En una experiència de laboratori s’introdueixen 184,0 g de N2O4(g) en un recipient de 4,00 L, i s’escalfen fins a 300 K per provocar la dissociació del N2O4(g) en NO2(g). Passat un cert temps, quan la mescla ha assolit l’equilibri, s’analitza el contingut del recipient i es troba que la quantitat de NO2(g) és 36,8 g. a) Determineu la constant d’equilibri en concentracions (Kc) de la reacció de dissociació del N2O4(g) a 300 K. Reacció de dissociació del N2O4(g): N2O4(g) 2 NO2(g)

b) Si l’aire de les grans ciutats a l’estiu, i en dies sense vent, és més marró que a l’hivern, justifiqueu si la reacció de dissociació del N2O4(g) és endotèrmica o exotèrmica.

Dades: Masses atòmiques relatives: N 5 14,0; O 5 16,0.

Reacció:

N2O4(g) 2 NO2(g) incolor

marró

Si a l’estiu l’aire és més marró que a l’hivern vol dir que hi ha més proporció de NO2 a l’estiu que a l’hivern.

Per tant, la reacció de dissociació del N2O4 està més desplaçada cap a la dreta a l’estiu, quan la temperatura és més alta, a causa del fet que el N2O4 absorbeix la calor.

Si absorbeix calor, la reacció de dissociació del N2O4 és endotèrmica.

50

04

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

2. [Curs 10-11] L’àcid sulfúric és un dels compostos més fabricats del món. Actualment, la major part de la producció es fa servir per elaborar fertilitzants, tot i que també s’utilitza en diversos processos metal·lúrgics o en les bateries dels automòbils. Una de les etapes en el procés d’obtenció de l’àcid sulfúric és la reacció d’oxidació del diòxid de sofre a triòxid de sofre. A partir de les dades de la taula següent, responeu a les qüestions i justifiqueu les respostes.

Variació de la constant d’equilibri amb la temperatura 2 SO2(g) 1 O2(g) 2 SO3(g)

Reacció Temperatura (K) Constant d’equilibri en pressions (Kp)

500

700

1 100

2,5 ? 1010

3,0 ? 104

1,3 ? 1021

Taula 4.2

a) Per aconseguir que la reacció tingui un rendiment alt, convé treballar a temperatures altes o baixes?

Per aconseguir un rendiment alt de la reacció, ha d’anar al màxim cap a la formació de productes (SO3).

b) Si en un recipient tancat d’1,0 L de volum que està a una temperatura de 1 100 K introduïm 1,0 mol de nitrogen i 1,0 mol d’oxigen, quants mols de monòxid de nitrogen hi haurà en el recipient quan la reacció assoleixi l’equilibri?

Plantegem les condicions inicials i d’equilibri de la reacció: N2(g) 1 O2(g) Inicial Equilibri

1

1

—

12x

12x

2x

b) En quines condicions de pressió podem millorar el rendiment de la reacció?

Kc (1 100 K)

[NO]2 Kc 5 1028 5 ————— [N2] [O2] (2 x/1)2 Kc 5 ——————————— (1 2 x/1) ? (1 2 x/1) (2 x)2 Kc 5 1025 5 ————— (1 2 x)2 Fent l’arrel quadrada a cada costat de l’equació: 2x 1022,5 5 ———— 12x

Això passa si la constant d’equilibri és alta.

De la taula podem deduir que a temperatures baixes (500 K) tenim un rendiment més alt.

2 NO(g)

x 5 1,58 ? 1023 mols Mols de NO a l’equilibri 5 2 x Mols de NO a l’equilibri 5 3,2 ? 1023 Si suposem que x és petita, arribem a la mateixa solució.

Per aconseguir un rendiment alt de la reacció, ha d’anar al màxim cap a la formació de productes (SO3). La pressió no modifica la constant d’equilibri, però pot desplaçar la reacció cap a productes o reactius.

4. [Curs 09-10] La formació de iodur d’hidrogen gasós es produeix a 448 °C segons la reacció:

Aplicant el principi de Le Châtelier, si la pressió augmenta, l’equilibri de la reacció es desplaça cap a on hi ha menys mols de gasos.

Un recipient tancat d’un litre conté inicialment una barreja amb 0,50 mols de iode, 0,50 mols d’hidrogen i 1,00 mol de iodur d’hidrogen, a la temperatura de 448 °C.

En la reacció igualada, tenim 3 mols de gasos en reactius i 2 mols de gasos en productes. Per tant, un augment de pressió desplaçarà la reacció cap a la formació de productes i n’augmentarà el rendiment.

a) Justifiqueu, fent els càlculs necessaris, que la reacció no està en equilibri i indiqueu en quin sentit es desplaçarà la reacció.

I2(g) 1 H2(g) 2 HI(g)

Kc 5 50

Calculem les concentracions molars: 3. [Curs 09-10] Als motors dels automòbils es produeix la reacció següent, que provoca contaminació atmosfèrica per òxids de nitrogen: N2(g) 1 O2(g) 2 NO(g) La constant d’equilibri de concentracions d’aquesta reacció és 1,0 ? 10230 a 298 K, però a una temperatura de 1 100 K és 1,0 ? 1025. a) Raoneu si la reacció és endotèrmica o exotèrmica.

Quan augmentem la temperatura de 298 K a 1 100 K, la constant d’equilibri augmenta, és a dir, la reacció va més cap a la dreta.

Això ens indica que quan hi afegim calor, la reacció l’absorbeix i evoluciona cap a la formació de productes.

La reacció és endotèrmica (DH . O).

[I2] 5 0,5 M

[H2] 5 0,5 M

[HI] 5 1 M

El quocient de reacció és: [HI]2 1 Qc 5 ———— 5 ————— 5 4 (0,5) (0,5) [I2] [H2] Kc 5 50 i Qc 5 4. Qc és més petit que Kc. Per tant, la concentració de productes està per sota de la que tindria en l’equilibri; així doncs, la reacció es desplaçarà cap a la formació de més productes, és a dir, cap a la dreta. b) Calculeu el nombre de mols de iode, hidrogen i iodur d’hidrogen que hi haurà en el recipient quan s’arribi a l’equilibri.

[HI]2 Kc 5 ———— [I2] [H2]

QUÍMICA 2

[HI]2 (1 1 x)2 50 5 ———— 5 —————————— (0,5 2 x) (0,5 2 x) [I2] [H2] x 5 0,314 M [HI] 5 1,314 M

[I2] 5 0,186 M

[H2] 5 0,186 M

5. [Curs 09-10] L’amoníac és un dels compostos de producció industrial més elevada. Es pot obtenir a partir de la reacció del nitrogen amb l’hidrogen segons la següent equació: N2(g) 1 3 H2(g) 2 NH3(g)

04

51

Quimitest 1. El monòxid de carboni, un dels components del fum del tabac, redueix dràsticament la quantitat d’oxigen transportada per l’hemoglobina. Quina és la reacció d’equilibri corresponent? a) CO(g) 1 Hb-O2(aq) Hb-CO(aq) 1 O2(g) b) CO2(g) 1 Hb-O2(aq) Hb-CO2(aq) 1 O2(g) c) O2(g) 1 Hb-CO(aq) Hb-O2(aq) 1 CO(g)

Amb l’ajut de la figura, contesteu les qüestions.

d) CO(g) 1 Hb 1 O2(aq) Hb-CO(aq) La resposta correcta és la a).

rendiment %

60

38,

7

40

8,8

12, 9 16 ,9 9 26, 20, 0 32 8 ,2 3 27, 3 7,8 4 5,9 4 2,9 48, 47, 600 8 8 54, 9 60 ,6 18,

80

2. A una temperatura determinada el grau de dissociació d’una dissolució 0,15 M d’àcid iodhídric és 0,2. Quina és la constant d’equilibri de concentracions?

500

20 450

200 300 pressió / atm

400 500

400

temperatura / °C

Figura 4.9. Rendiment de la reacció de formació de l’amoníac en funció de la pressió i la temperatura.

a) Deduïu, i raoneu, si la reacció serà exotèrmica o endotèrmica.

Aplicant la fòrmula DG°r 5 DH°r 2 T DS°r DS°r és negativa. El procés és entròpicament desfavorable, passa de 4 molècules de gas a dues molècules de gas i, per tant, és un procés clarament d’ordenació.

Si la reacció es produeix en determinades circumstàncies, DH°r ha de ser negatiu i, per tant, la reacció és exotèrmica.

Si no ho fos, el procés no es produiria mai, DG°r sempre seria positiu. b) En quines condicions de pressió es pot obtenir un rendiment més alt de la reacció? Expliqueu els fonaments teòrics que justifiquen la vostra resposta.

Si s’observa la figura, el màxim rendiment s’obté a temperatures (relativament baixes). A temperatures més baixes hi ha problemes de velocitat de reacció i a pressions altes: Temperatures baixes: Com que la reacció és exotèrmica, si es disminueix la temperatura s’afavoreix el sentit exotèrmic i, per tant, augmenta el rendiment.

Pressions altes: Si s’augmenta la pressió, l’equilibri tendeix a desplaçar-se cap a produir menys pressió, és a dir, cap a menys mols, que és cap a la producció de productes. Augmenta el rendiment.

a) 0,15 b) 0,2 c) 0,0075 d) 0,012 La resposta correcta és la c).

3. El N2O4 es dissocia segons l’equilibri: N2O4 2 NO2. La Kp a 323 K és 0,79. Quina és la Kc de la reacció inversa? a) 0,79 b) 33,52 c) 0,0298 d) 0,21 La resposta correcta és la b).

4. En la reacció de conversió de monòxid de carboni a diòxid de carboni a 1 273 K segons la reacció: CO(g) 1 H2O(g) CO2(g) 1 H2(g) Kc val 0,62. Quant val Kp? a) 1,24 b) 64,72 c) 0,62 d) 6 755,79 La resposta correcta és la c).

5. El sulfat d’alumini es dissocia segons la reacció: Al2(SO4)3 2 Al31 1 3 SO 422 Quina és la Kc si el grau de dissociació d’aquesta substància en una dissolució 1 M de sulfat d'alumini és 0,22? a) 0,78 b) 0,078

52

04

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

c) 0,71

La reacció és exotèrmica. Si es vol afavorir la formació de NO2 cal:

d) 0,071 La resposta correcta és la d).

6. En les estructures de bronze es produeix la formació de carbonat de coure, que dóna una coloració verdosa a les figures. La reacció és la següent: CuO(s) 1 CO2(g) CuCO3(s) Si es vol limitar la formació de carbonat de coure cal: a) Afegir diòxid de carboni. b) Evitar la presència de CFC. c) Limitar la contaminació de diòxid de carboni.

a) Disminuir la temperatura. b) Augmentar la temperatura. c) Disminuir la pressió. d) Afegir un catalitzador.

La resposta correcta és la a).

8. L’etilè és un dels productes derivats del craqueig del petroli més utilitzats per a la síntesi de productes orgànics. Fins i tot se’n pot obtenir alcohol etílic segons la reacció: CH25CH2(g) 1 H2O(g) CH3CH2OH(g) Es podria augmentar el rendiment d’aquesta reacció:

d) Evitar la presència de pluja àcida.

a) Amb platí com a catalitzador.

La resposta correcta és la c).

b) Afegint alcohol.

7. Entre les reaccions amb els òxids de nitrogen que es produeixen en processos de combustió tenim la següent: 2 NO(g) 1 O2(g) 2 NO2(g)

c) Augmentant la pressió. d) Disminuint la pressió.

La resposta correcta és la c).

05

QUÍMICA 2

j Unitat 5. Reaccions de transferència de protons

53

5. Indica els parells àcid-base conjugats de la reacció que es produeix entre l’àcid acètic i l’hidròxid de sodi: CH3COOH(aq) 1 NaOH(aq) CH3COONa(aq) 1 H2O(l) L’ió acetat, CH3COO2, és la base conjugada de l’àcid acètic. L’ió sodi, Na1, és l’àcid conjugat de l’hidròxid de sodi.

Activitats 1. Fes una taula comparativa de les propietats dels àcids i de les bases segons la teoria d’Arrhenius i posa’n exemples. Àcid

Base

En dissolució aquosa, es dissocia en ions hidrogen H1 i en l’anió respectiu.

En dissolució aquosa, es dissocia en ions hidròxid OH2 i en el catió respectiu.

Es representa per mitjà de HA.

Es representa per mitjà de BOH.

Té gust agre.

Té gust amarg.

Té poder dissolvent.

Té poder desgreixador.

2. Com podem formular l’amoníac de manera que sigui justificable classificar-lo com a base segons Arrhenius?

Antigament es formulava de la manera següent: 2 NH4OH NH1 4 1 OH

6. Què vol dir que el concepte d’àcid o base és relatiu?

Un àcid és tota substància que té tendència a cedir un protó, però segons la teoria de Brönsted i Lowry també dependrà de la tendència a acceptar el protó de la substància amb la qual reaccioni com a base. Per tant, una substància pot tenir caràcter molt àcid davant d’una substància i davant d’una altra substància pot modificar el seu caràcter.

7. Justifica si tota base de Brönsted i Lowry és també base d’Arrhenius. I a l’inrevés?

El concepte de base de Brönsted i Lowry és més ampli que el d’Arrhenius, i l’inclou. Qualsevol base d’Arrhenius és base de Brönsted i Lowry, perquè els ions OH2 que cedeix la base són els que accepten protons. No totes les bases de Brönsted i Lowry són bases d’Arrhenius.

8. Si l’àcid sulfúric fos un àcid fort en les dues dissociacions, troba la concentració d’ions hidrogen que tindria una dissolució 0,3 mol?dm23 d’aquest àcid.

Fins i tot es comercialitzava amb aquest nom.

3. Per què perden la corrosivitat els àcids en posar-se en contacte amb els àlcalis?

Perquè es produeix una reacció de neutralització.

1 H2SO4 1 2 H2O SO22 4 1 2 H3O

CI

0,3 M

—

—

CR

0,3 M

0,3 M

2 ? 0,3 M

CF

—

0,3 M

0,6 M

La concentració d’ions hidrogen seria 0,6 mol?dm23.

4. Indica quines de les espècies químiques següents poden actuar típicament com a àcid o base de Brönsted i Lowry.

Indica quins són els seus àcids o bases conjugats respectius. a) HClO4 Àcid. Base conjugada: ClO2 4.

9. L’àcid 2-[4-(2-metilpropil)fenil]propanoic es coneix amb el nom d’ibuprofèn. Aquest compost té característiques antiinflamatòries i s’utilitza per combatre el dolor i els estats febrils. És un àcid feble amb una constant d’acidesa de 6,3 ? 1026.

Troba la concentració d’ions hidrogen d’una dissolució 0,2 mol?dm23 d’aquest àcid.

b) CH3NH2

1 C13H18O2 1 H2O C13H17O2 2 1 H3O

Base. Àcid conjugat: CH3NH1 3. c) Br2 Base. Àcid conjugat: HBr.

0,2 M

—

—

CR

x

x

x

CF

0,2 2 x

x

x

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa:

d) PO432 Base. Àcid conjugat: HPO22 4 . e) CH3CH3COOH Àcid. Base conjugada: CH3CH3COO2. f ) HNO3 Àcid. Base conjugada:

CI

1 x2 x2 [C13H17O2 2 ] [H3O ] Ka 5 ————————— 5 ———— . —— 5 6,3 ? 1026 [C13H18O2] 0,2 2 x 0,2

Com que el valor de la constant d’equilibri és molt baix, vol dir que l’equilibri està molt desplaçat cap als reactius; per tant, el valor de x ,, 0,2 i podem aproximar: x2 5 0,2 ? 6,3 ? 1026 5 1,26 ? 1026

NO2 3.

x 5 1,12 ? 1023

54

05

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Per tant, la concentració d’ions hidroni és: O1]

[H3

5

1,12 ? 1023

Calculem la concentració d’àcid bromhídric:

M

10. L’hidròxid de magnesi és una base. A causa de les seves propietats laxants és utilitzat com a fàrmac.

Determina la concentració d’ions hidròxid d’una dissolució 0,15 mol?dm23 d’aquest compost suposant que es dissocia totalment.

Mg(OH)2 Mg21 1 2 OH2 CI

0,15 M

—

—

CR

0,15 M

0,15 M

2 ? 0,15 M

CF

—

0,15 M

0,3 M

La concentració d’ions hidròxid és 0,3 M. 11. El 23 de maig del 2008 al port de Barcelona es va produir una fuita de dimetilamina, líquid inflamable i gas verinós emprat en la síntesi de productes químics agrícoles com a fungicida i per a l’elaboració de productes farmacèutics, detergents i sabons. La dimetilamina té caràcter bàsic feble, amb una constant de basicitat Kb 5 5,4 ? 1024. Determina la concentració d’ions hidroni d’una dissolució 0,25 mol?dm23 d’aquesta substància.

2 (CH3)2NH 1 H2O (CH3)2NH1 2 1 OH

CI CR CF

0,25 M x 0,25 2 x

— x x

— x x

Escrivim l’expressió de la constant de basicitat: 2 [(CH3)2NH1 2 ] [OH ]

x2

Kb 5 —————————— 5 ————— 5 5,4 ? 1024 [(CH3)2NH] 0,25 2 x x2

1

5,4 ? 1024

1,35 ? 1024

x2

Els resultats de l’equació són x 5 0,0114 i x 5 20,0119. Com que el resultat negatiu químicament no té sentit, només considerem el positiu. Per tant: [H3

5

10214

10214 ———— 5 8,77 ? 10213 [H3O1] 5 ———— 5 [OH2] 0,0114 La concentració d’ions hidroni és

No és possible, perquè sempre s’ha de complir: [H3

5

Tenint en compte la dissociació de l’aigua: H2O OH2 1 H3O1 La presència d’ions hidroni H3O1, que provenen de la dissociació de l’àcid, altera l’equilibri d’ionització de l’aigua desplaçantlo cap als reactius. Així, les concentracions dels ions queden: [H3O1] 5 x 1 0,08 M < 0,08 M [OH2] 5 x M Com que s’ha de complir: [H3O1] [OH2] 5 10214 10214 10214 ———— 5 1,25 ? 10213 M [OH2] 5 ———— 5 0,08 [H3O1] 14. Les constants d’acidesa dels àcids clòric i benzoic són 0,011 i 6,6 ? 1025, respectivament. Escriu les reaccions de dissociació dels àcids i les reaccions de les seves bases conjugades amb l’aigua i calcula la constant de basicitat corresponent.

La dissociació de l’àcid clòric és: 1 HClO3 1 H2O ClO2 3 1 H3O

La reacció de l’ió clorat (base conjugada) és: 2 ClO2 3 1 H2O HClO3 1 OH

La seva constant de basicitat és: Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 Kb 5 ———— 5 ———— 5 9,09 ? 10213 Ka 0,011 La dissociació de l’àcid benzoic és: C6H5COOH 1 H2O C6H5COO2 1 H3O1 C6H5COO2 1 H2O C6H5COOH 1 OH2 La seva constant de basicitat és:

M.

12. Raona si és possible una dissolució d’una base amb una concentració d’ions hidroni nul.la.

O1] [OH2]

CI CF

HBr 1 H2O Br2 1 H3O1 0,08 — — — 0,08 0,08

L’ió benzoat (base conjugada) reacciona segons:

10214

8,77 ? 10213

Com que l’àcid bromhídric és un àcid fort, es dissocia totalment:

50

x 5 0,0114

O1] [OH2]

0,04 mol HBr [HBr] 5 ——————— 5 0,08 M 0,5 dm3

10214

13. L’àcid bromhídric és una substància corrosiva que pot causar irritacions greus en contacte amb la pell, les mucoses, els pulmons i els ulls. Com que és un àcid fort el trobem totalment dissociat. Determina la concentració d’ions H3O1 i OH2 si afegim 0,04 mol HBr a 500 mL d’aigua. Suposa que el volum no varia.

Ka ? Kb 5 10214 10214

10214 Kb 5 ———— 5 ————— 5 1,52 ? 10210 Ka 6,6 ? 1025 15. El 1886 es creà la Coca-Cola, una de les begudes més consumides arreu del món. Es va dissenyar com a medicament, concretament com a digestiu, però després s’ha convertit en un refresc. Un dels ingredients d’aquesta beguda és l’àcid fosfòric. Si considerem aquest àcid com l’únic responsable de l’acidesa de la beguda (pH 5 2,5), determina la concentració d’àcid fosfòric si només considerem la primera dissociació.

Dades: Ka (H3PO4) 5 7,5 ? 1023

05

QUÍMICA 2

Si el pH és 2,5, significa que [H3O1] 5 3,16 ? 1023 M.

La reacció de dissociació de la piridina és la següent: C5H5N 1 H2O C5H6N1 1 OH2

Escrivim l’equació de la primera dissociació de l’àcid fosfòric: CI CR CF

1 H3PO4 1 H2O H2PO2 4 1 H3O

CI CR CF

— x x

c x c2x

Sabem que x 5 [H3 5 la constant d’acidesa: O1]

3,16 ? 1023

— x x

M. Escrivim l’expressió de

0,17 ca c (1 2 a)

7,5 ? 1023

c5

3,369 ? 1025

c 5 4,5 ? 1023 M Cal preparar àcid fosfòric de concentració 4,5 ? 1023 M. 16. L’àcid sòrbic és el nom comú de l’àcid 2,4-hexadienoic, àcid orgànic de caràcter feble que és emprat en la indústria alimentària com a additiu, ja que és eficaç contra els fongs i llevats. S’empra com a additiu per exemple en iogurts, pastissos, pizzes, llimonades i altres. Determina el pH d’una dissolució d’1,12 g d’àcid dissolt en 250 mL d’aigua.

Dades: Ka (C6H8O2) 5 1,7 ? 1025 Calculem la concentració de l’àcid sòrbic: 1,12 g C6H8O2 1 mol C6H8O2 [C6H8O2] 5 ——————— ? ——————— 5 0,04 M 112 g C6H8O2 0,25 dm3 La reacció de dissociació de l’àcid sòrbic és: 0,04 x 0,04 2 x

— x x

— ca ca

c a2 [C5H6N1] [OH2] Kb 5 ———————— 5 ———— . c a2 5 1,7 ? 1029 [C5H5N] 12a 0,17 a2 5 1,7 ? 1029 a 5 1024

Kb Com que —— , 1024 podem aproximar (1 2 a) < 1. c El grau de dissociació de la piridina és del 0,01 %.

Calculem la concentració d’ions hidròxid: [OH2] 5 c a 5 0,17 ? 1024 5 1,7 ? 1025 M Finalment: pOH 5 2log [OH2] 5 2log 1,7 ? 1025 5 4,77 pH 5 14 2 pOH 5 9,23 18. Un sabó de rentar mans té un pH 5 9. Calcula: a) La concentració d’una dissolució de Ca(OH)2 necessària per aconseguir el mateix pH. Calculem la concentració d’ions hidròxid que correspon a un pH 5 9: pOH 5 14 2 pH 5 5 [OH2] 5 1025 mol?dm23 L’hidròxid de calci és una base forta que es dissocia totalment:

1 C6H8O2 1 H2O C6H7O2 2 1 H3O

CI CR CF

— ca ca

Escrivim l’expressió de la constant de basicitat de la piridina:

[H2PO24 ] [H3O1]

x2 (3,16 ? 1023)2 Ka 5 ———————— 5 ——— 5 ——————— 5 7,5 ? 1023 [H3PO4] c2x c 2 3,16 ? 1023

55

— x x

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa:

[C6H7O22 ] [H3O1]

x2 x2 Ka 5 ———————— 5 ————— 5 ——— 5 1,7 ? 1025 [C6H8O2] 0,04 2 x 0,04

Ca(OH)2 Ca21 1 2 OH2 CI CF

Ka Com que —— , 1024 podem aproximar (0,04 2 x) < 0,04. c Finalment: pH 5 2log [H3O1] 5 2log 8,25 ? 1024 5 3,08 17. La piridina pura és una substància nociva per a la salut; en canvi, combinada, forma part dels compostos orgànics dels éssers vius com ara el NAD, de les bases pirimidíniques dels àcids nucleics com ara la timina, la citosina i l’uracil.

La seva fórmula és C5H5N i presenta un caràcter bàsic feble (Kb (C5H5N) 5 1,7 ? 1029). Calcula el grau de dissociació d’una dissolució 0,17 mol ? dm23 de piridina i el seu pH.

— — x 2 x 5 1025

Per tant, necessitem [Ca(OH)2] 5 5 ? 1026 M. b) La concentració d’una dissolució d’amoníac necessària per aconseguir el mateix pH. L’amoníac és una base feble que reacciona segons:

x2 5 6,8 ? 1027 x 5 8,25 ? 1024 M

x —

2 NH3 1 H2O NH1 4 1 OH

CI CR CF

c x c2x

— x x

— x x

Sabem que [OH2] 5 1025 mol?dm23.

Escrivim l’expressió de la constant de basicitat:

[NH14 ] [OH2] (1025)2 Kb 5 ——————— 5 ————— 5 1,8 ? 1025 [NH3] c 2 1025 1,8 ? 1025 c 2 2,8 ? 10210 5 0 c 5 1,56 ? 1025 M Per tant, necessitem [NH3] 5 1,56 ? 1025 M. Dades: Kb (NH3) 5 1,8 ? 1025

56

05

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

19. L’àcid salicílic, C6H4OHCOOH, és un àcid feble utilitzat per fabricar l’aspirina. Si una dissolució 0,3 M d’aquest àcid té un pH d’1,76, determina’n la constant d’acidesa.

Calculem la concentració d’ions hidroni que correspon a un pH 5 1,76: [H3O1] 5 1,74 ? 1022 mol?dm23

b) Quina concentració d’ions hidròxid tindrà la dissolució?

HClO4 1 H2O CI CF

1 ClO2 4 1 H3O

3 ? 1022

—

—

—

3 ? 1022

3 ? 1022

[H3O1] 5 3 ? 1022

C6H4OHCOOH 1 H2O C6H4OHCOO2 1 H3O1 CI

4

—

—

CR

x

x

x

CF

42x

x

x

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa de l’àcid salicílic: [C6H4OHCOO2] [H3O1] x2 (1,74 ? 1022)2 Ka 5 ——————————— 5 ——— 5 ———————— 5 42x 4 2 1,74 ? 1022 [C6H4OHCOOH]

[OH2] 5 3,33 ? 10213 4. El pH d’un producte de neteja és d’11,5. Calcula la concentració d’una dissolució aquosa d’amoníac que tingui el mateix pH. Dades: Kb 5 1,8 ? 1025 11,5 1 pOH 5 14 pOH 5 2,5 [OH2] 5 3,16 ? 1023 2 NH3 1 H2O NH1 4 1 OH

5 7,6 ? 1023 20. Quin és el color que pren l’indicador universal en una dissolució d’àcid clorhídric 0,1 mol?dm23?

Color vermell. De la barreja d’indicador, el tornassol és el que ens marca el color de la dissolució.

21. Quin color té l’aigua destil.lada si hi afegim fenolftaleïna? És incolora. El pH de l’aigua destil.lada és 7 i fins a 8 no es produeix el viratge cap a vermell (fúcsia).

Activitats finals

CF c 2 x

x

x

[OH2] 5 3,16 ? 1023 5 x x2 (3,16 ? 1023)2 x2 Kb 5 ——— 5 —— 5 ——————— 5 1,8 ? 1025 c2x c c [NH3] 5 c 5 0,56 M 5. a) Ordena per valors creixents de pH les dissolucions següents, totes de concentració 0,1 mol ? dm23: NaCl, CH3COOH, HCl, NaOH pH (HCl) 5 1 , pH (CH3COOH) 5 2,87 , pH (NaCl) 5 5 7 , pH (NaOH) 5 13

1. Indica quines de les espècies químiques següents poden actuar com a àcid o base de Brönsted i Lowry. a) CO322

b) NH41

c) OH2

e) HPO422

f ) F2

g) H2S

b) Quin pH té la solució de HCl? I la de NaOH? HCl 1 H2O H3O1 1 Cl2

d) SO422 concentració final

0,1

—

0,1

pH 5 2log [H3O1]

22 Àcids: NH1 4 , HPO4 i H2S.

pH 5 1

Bases: CO322, OH2, SO422, HPO422 i F2.

2. Aparella cada àcid amb la seva base conjugada i cada base amb el seu àcid conjugat: SO422, CH3COOH, I2, H2SO4, NH41, H3O1, HI, H2O, CH3CH2NH2, HSO42, NH3, CH3CH2NH31, CH3COO2 COO2,

Àcid/base conjugada: CH3COOH/CH3 22 HI/I2, HSO2 4 /SO4 .

H2SO4/HSO2 4,

Base/àcid conjugat: H2O/H3O1, CH3CH2NH2/CH3CH2NH1 3, .

NH3/NH1 4 3. L’àcid perclòric és l’àcid més fort que es coneix. Tenim una dissolució d’aquest àcid de concentració 3 ? 1022 M. a) Quina concentració d’ions hidrogen tindrà la dissolució?

NaOH Na1 1 OH2 concentració final

—

0,1

0,1

pOH 5 log [OH2] pOH 5 1 pH 1 pOH 5 14 pH 5 13 6. Dues dissolucions aquoses tenen el mateix pH. La primera s’ha obtingut dissolent 60 g d’àcid acètic fins a obtenir 1 dm3 de dissolució, i la segona, dissolent 0,16 g d’àcid clorhídric fins a obtenir el mateix volum que la primera dissolució. Calcula:

05

QUÍMICA 2

a) El pH de les dissolucions.

60 g CH3COOH 1 mol CH3COOH ? ———————— 5 1 M CH3COOH 5 ———————— 60 g CH3COOH 1 dm3

(0,13 a)2 0,13 a2 Ka 5 ——————— 5 ———— 5 1,7 ? 1022 0,13 (1 2 a) (1 2 a) 0,13 a2 1 1,7 ? 1022 a 2 1,7 ? 1022 5 0

0,16 g HCl 1 mol HCl [HCl] 5 —————— ? —————— 5 4,38 ? 1023 M 3 36,5 g HCl 1 dm b) El grau d’ionització i la constant d’acidesa de l’àcid acètic.

HCl 1 H2O CI

Cl2

H3O1

1

4,38 ? 1023

—

—

—

4,38 ? 1023

4,38 ? 1023

CF

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 4,38 ? 1023 5 2,36 CH3COOH 1 H2O CH3COO2 1 H3O1 CF

1 2 ca

ca

a 5 0,30 a 5 30 % b) El grau de dissociació que tindria l’àcid després d’afegir a la dissolució anterior 0,2 mol ? dm23 d’ions H3O1.

HA 1 H2O CF

0,13 (1 2 a)

A2 1

H3O1

0,13 a 0,13 a 1 0,2

(0,13 a) (0,13 a 1 0,2) 0,13 a2 1 0,2 a Ka 5 ———————————— 5 ———————— 5 0,13 (1 2 a) (1 2 a) 5 1,7 ? 1022

ca

[CH3COOH] 5 c 5 1 M

0,13 a2 1 0,217 a 2 1,7 ? 1022 5 0

Com que les dues dissolucions tenen el mateix pH, es compleix que: c a 5 4,38 ? 1023 M

a 5 0,075

Com que [CH3COOH] 5 c 5 1 M: a5

4,38 ? 1023

M 5 0,00438

Per tant, el grau d’ionització en percentatge és 0,438 %.

a 5 7,5 % 9. L’àcid acètic és un àcid feble. A 25 °C li correspon un valor de Ka 5 1,8 ? 1025. Calcula el nombre de molècules d’aquest àcid sense ionitzar a 25 °C que hi ha en 1 cm3 d’una dissolució 0,1 mol ? dm23.

Finalment, calculem la constant d’acidesa de l’àcid acètic: ca?ca (c a)2 (4,38 ? 1023)2 Ka 5 ———— 5 ———— 5 ———————— 5 1 2 ca 1 2 ca 1 2 4,38 ? 1023 5

CH3COOH 1 H2O CH3COO2 1 H3O1 CF

CH3COOH 1 H2O CH3COO2 1 H3O1 CF

c2x

x

x

[H3O1] 5 [CH3COO2] 5 1025 8. La constant d’acidesa d’un àcid monopròtic és 1,7 ? 1022.

Calcula: a) El grau de dissociació d’una dissolució d’aquest àcid de concentració 0,13 mol ? dm23.

HA 1 H2O CF CF

c (1 2 a) 0,13 (1 2 a)

A2 1 ca 0,13 a

H3O1 ca 0,13 a

x

x

x 5 1,34 ? 1023 M [CH3COOH] 5 0,1 2 1,34 ? 1023 5 0,099 M 0,099 mol 6,02 ? 1023 molècules —————— ? ——————————— ? 1023 dm3 5 1 mol 1 dm3 5 5,9 ? 1019 molècules

[H3O1] [OH2] 5 10214 10214 10214 ———— 5 1025 [H3O1] 5 ———— 5 [OH2] 1029

0,1 2 x

x2 x2 Ka 5 ———— 5 —— 5 1,8 ? 1025 0,1 2 x 0,1

1,93 ? 1025

7. L’àcid acètic és un àcid feble. En una dissolució aquosa d’àcid acètic, la concentració d’ions OH2 és 1029 M. Quina és la concentració d’ions acetat en la dissolució?

57

10. L’àcid fòrmic o metanoic és l’àcid present en les formigues.

A 25 °C, una dissolució aquosa 1 M d’àcid fòrmic té dissociades un 1,3 % de les seves molècules. Calcula la Ka de l’àcid fòrmic a aquesta temperatura. Quin serà el pH de la dissolució?

HCOOH 1 H2O HCOO2 1 H3O1 CF

c (1 2 a)

ca

ca

CF

(1 2 0,013)

0,013

0,013

0,0132 Ka 5 —————— 5 1,7 ? 1024 (1 2 0,013) pH 5 2log [H3O1] 5 2log 0,013 5 1,89

58

05

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

11. La constant d’acidesa de l’àcid cacodílic, que és un àcid orgànic monopròtic, és de 6,4 ? 1027. Calcula el valor de pH d’una dissolució 0,3 M d’aquest àcid.

L’amoníac és una base feble que es dissocia segons l’equilibri: 2 NH3 1 H2O NH1 4 1 OH

CF CF

HA 1 H2O A2 1 H3O1 CF CF

c2x 0,3 2 x

x x

x x

Kb 5 ————— 5 6,4 ? 1027 0,3 2 x x2 1 6,4 ? 1027 x 2 1,92 ? 1027 5 0

][ 2 [NH1 0,0012 4 OH ] Kb 5 ——————— 5 —————— 5 1,8 ? 1025 [NH3] c 2 0,001 1,8 ? 1025 c 5 1,018 ? 1026

x 5 4,4 ? 1024 M pH 5 2log [H3O1] 5 2log 4,4 ? 1024 5 3,36 12. a) Explica com prepararies 1 L de solució 0,1 M d’àcid clorhídric a partir d’àcid clorhídric 10 M. Indica el material que utilitzaries i el volum d’àcid clorhídric 10 M necessari.

103 cm3 0,1 mol HCl 1 dm3 1 dm3 ? ——————— ? —————— ? ————— 5 3 10 mol HCl 1 dm3 1 dm 5 10 cm3 HCl 10 M

b) Calcula el pH de la solució obtinguda.

HCl 1 H2O Cl2 1 H3O1 — 0,1

— 0,1

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 0,1 5 1 c) Indica el color que tindria la solució si hi afegim una gota d’indicador blau de tornassol, que té un interval de viratge entre 4,5 i 8,3, i els colors són vermell i blau.

Justifica la resposta.

La solució és de color vermell, ja que el valor de pH és 1, mentre que l’interval de viratge de l’indicador no es produeix fins a valors de pH de 4,5.

13. Quina ha de ser la concentració d’una dissolució d’amoníac per tal que tingui el mateix pH que una dissolució d’hidròxid de potassi 0,001 M? Dades: Kb (NH3) 5 1,8 ? 1025 Calculem el pH de la dissolució d’hidròxid de potassi, que és una base forta i es dissocia totalment: CI CF

KOH

K1 1 OH2

0,001 —

— — 0,001 0,001

pOH 5 2log

[OH2]

5 2log 0,001 5 3

pH 5 14 2 pOH 5 11

c 5 0,057 La concentració d’amoníac ha de ser 0,057 M. 14. Es volen preparar 250 cm3 d’una dissolució d’àcid acètic de pH 5 3. Quants grams de l’àcid es necessiten?

Dades: Ka (CH3COOH) 5 1,8 ? 1025 Si pH 5 3, aleshores [H3O1] 5 1023 M L’àcid acètic és un àcid feble que reacciona segons:

Amb una pipeta de 10 mL mesurem 10 cm3 de la dissolució concentrada de HCl (10 M) i els aboquem en un matràs aforat d’1 L, arrasant amb aigua fins a aconseguir 1 L de dissolució.

0,1 —

x x 0,001 0,001

Escrivim l’expressió de la constant de basicitat:

x2

CI CF

c2x c 2 0,001

CH3COOH 1 H2O CH3COO2 1 H3O1 CF

c2x

x

x

[CH3COO2] [H3O1] x2 (1023)2 Ka 5 ————————— 5 ———— 5 ————— 5 1,8 ? 1025 [CH3COOH] c2x c 2 1023 1,8 ? 1025 c 5 1,018 ? 1026 c 5 0,057 Per estequiometria: 0,057 mol CH3COOH 60 g CH3COOH ? ———————— 5 0,25 dm3 CH3COOH ? —————————— 1 mol CH3COOH 1 dm3 CH3COOH 5 0,855 g CH3COOH

Prepara la selectivitat 1. [Curs 09-10] Es prepara una solució aquosa d’àcid fòrmic, HCOOH, barrejant 4,60 g d’aquest àcid amb aigua en un vas de precipitats. Després, la solució es transvasa quantitativament a un matràs aforat de 500 mL i s’enrasa amb aigua.

Es mesura experimentalment el pH de la solució a 25 °C i s’obté un valor de 2,22.

Dades: Massa molecular relativa de l’àcid fòrmic 5 46,0. a) Quina és la constant d’acidesa de l’àcid fòrmic a 25 °C? Massa d’àcid fòrmic 5 4,60 g Volum de solució 5 500 mL 5 0,500 L 4,60 g 1 mol C (inicial, àcid fòrmic) 5 ———— ? ———— 5 0,20 M 0,5 L 46 g

05

QUÍMICA 2

Reacció d’equilibri:

HCOOH 1 H2O

CI CR CF

0,2 M x 0,2 2 x

HCOO2 1 H3O1 — x x

pH 5 2log [H3O1]

— x x

[H3O1] 5 102pH

[H3O1] 5 1022,22 5 6,026 ? 1023 mol?dm23 x2 (6,026 ? 1023)2 Ka 5 ———— Ka 5 ————————— 5 0,2 2 x 0,2 2 6,026 ? 1023 (6,026 ? 1023)2 5 ——————— 5 1,87 ? 1024 0,1940

b) L’hidròxid de calci, compost relativament barat, és emprat en moltes estacions depuradores com a agent coagulant en el tractament d’aigües. A més de facilitar la decantació d’impureses, també pot actuar com a agent regulador del pH d’aigües massa àcides. Si dissolem 4,44 g d’hidròxid de calci en aigua fins a obtenir 600 cm3 de dissolució, quin serà el seu pH? Hem de conèixer la concentració molar de l’hidròxid de calci en la dissolució: 4,44 g Ca(OH)2 1 mol Ca(OH)2 1 000 cm3 ———————— ? ———————— ? ————— 5 0,1 M 74 g Ca(OH)2 1L 600 cm3 L’hidròxid de calci és una base forta i, per tant, en dissolució aquosa es dissocia totalment en els seus ions:

b) Quina hauria de ser la concentració d’una solució d’àcid clorhídric perquè tingués el mateix pH que la solució d’àcid fòrmic anterior?

L’àcid clorhídric és un àcid fort, i per tant, la seva reacció amb aigua està totalment desplaçada cap a la dreta (formació d’ions oxoni): HCl(aq) 1 H2O(l) Cl2(aq) 1 H3O1(aq) Si volem tenir el mateix pH que la solució anterior d’àcid fòrmic, la concentració d’ions oxoni ha de ser: pH 5 2,22

Ca(OH)2(s)

Ca21(aq) 1 2 OH2(aq)

CI

0,1 M

—

—

CF

—

0,1 M

0,2 M

• Substituïm la [OH2] a l’equació d’ionització de l’aigua: [H3O1] ? [OH2] 5 1 ? 10214 [H3O1] ? 2 ? 1021 5 1 ? 10214

Per aconseguir aquesta concentració d’ions oxoni, la concentració inicial d’una solució de HCl ha de ser la mateixa.

[H3O1] 5 5 ? 10214 pH 5 2log (5 ? 10214) pH 5 13,30

[HCl] 5 6,026 ? 1023 M

• Calculem el pOH de la dissolució i, després, el pH:

2. La metilamina, CH3NH2, és una base feble.

[OH2] 5 0,2 M pOH 5 0,70

a) Escriviu l’equació corresponent a l’equilibri de dissociació en aigua i l’expressió de Kb. Quan la metilamina es dissol en aigua, s’estableix l’equilibri següent: CH3NH2(aq) 1 H2O(l)

H 2O

Hi ha dues maneres equivalents de solucionar el problema:

[H3O1] 5 1022,22 5 6,026 ? 1023 mol?dm23

CH3NH13 (aq)

59

1

OH2

(aq)

La constant Kb de la metilamina s’expressa de la manera següent: [CH3NH13 ] [OH2] Kb 5 ———————— [CH3NH2] b) Indiqueu les espècies químiques existents en una dissolució aquosa de metilamina.

Com que és una base feble i no està totalment dissociada, en una dissolució aquosa de metilamina trobarem, a banda de molècules de dissolvent, H2O, molècules de CH3NH2, ions 2 CH3NH1 3 i ions OH . També hi trobarem una petitíssima con1 centració de H3O , tal com veurem més endavant.

3. Responeu les qüestions següents: a) El pH d’una dissolució aquosa és 2,5. Indica si es tracta d’una dissolució àcida o bàsica. Quina és la concentració d’ions H3O1 i d’ions OH2 en la dissolució?

El pH d’aquesta dissolució és més petit que 7. Es tracta, per tant, d’una dissolució àcida.

pH 5 14 2 pOH 5 13,30 4. Les amines més importants són les aromàtiques, i d’aquestes, la més significativa és la fenilamina (anilina). És la matèria primera en l’obtenció de molts productes intermedis de la indústria dels colorants. A temperatura ambient és un líquid incolor que es dissol lleugerament en aigua i dóna dissolucions bàsiques. És una substància verinosa que produeix vertigen i cianosi.

Dades: Kb (C6H5NH2) 5 4 ? 10210 a) Quin és el pH d’una dissolució 0,1 M de fenilamina?

El fet que Kb tingui un valor petit ens permet afirmar que la fenilamina és una base molt feble. No és gaire soluble en aigua, perquè són poques les molècules que hi reaccionen i, per tant, l’equilibri de dissociació corresponent està molt desplaçat cap a l’esquerra: C6H5NH2(aq) 1 H2O(l)

C6H5NH13 (aq) 1 OH2(aq)

CI

0,1 M

—

—

CR

x

x

x

CE

0,1 2 x

x

x

05

60

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Com sempre, les concentracions en equilibri han de verificar la constant corresponent, en aquest cas, Kb:

[C6H5NH13 ] [OH2] x2 Kb 5 ————————— 4 ? 10210 5 ————— [C6H5NH2] 0,1 2 x Els valors de Kb i c ens permeten fer l’aproximació 0,1 2 x < < 0,1. Per tant: x2 4 ? 10210 5 —— x 2 5 4 ? 10211 x 5 6,32 ? 1026 0,1 En conseqüència:

Quimitest 1. L’àcid butanoic és l’àcid present quan la mantega es fa rància.

Si la constant d’àcidesa de l’àcid butanoic és Ka 5 1,5 ? 1025, quin és el pH d’una dissolució 0,27 M? a) 8,5 b) 2,7 c) 3,4 d) 3,8 La resposta correcta és la b).

[OH2] 5 x 5 6,32 ? 1026 M 2. El grup amino és present en molts compostos de caràcter bàsic. L’etilamina CH3CH2NH2 n’és un exemple. Determina el pH d’una dissolució 0,5 M d’aquest compost tenint en compte que Kb (CH3CH2NH2) 5 6,41 ? 1026.

pOH 5 5,20 pH 5 14 2 pOH 5 8,80 b) Calculeu el pH en el cas d’una dissolució 0,04 M.

a) 9,45

Només cal repetir els càlculs de l’apartat a) amb les noves dades de concentració.

b) 11,25

5. La morfina és un alcaloide que s’extreu de l’opi. És considerada una droga per la seva forta addicció. La seva fórmula química és C17H19O3N. Es tracta d’una base feble amb una Kb d’1,6 ? 1026. Actualment continua sent l’anestèsic més utilitzat per alleugerir els dolors intensos, tot i que s’intenta substituir per altres substàncies.

d) 11,06

a) Justifiqueu per què es una base de Brönsted i Lowry.

Reacció en aigua:

c) 8,86

La resposta correcta és la b).

3. L’àcid glicòlic o àcid 2-hidroxietanoic és un àcid natural que prové de la canya de sucre. És emprat en molts productes de cosmètica a causa dels seus efectes exfoliants sobre la pell. La seva fórmula correspon a CH2OHCOOH (Ka (CH2OHCOOH) 5 1,47 ? 1024). El grau de dissociació d’una dissolució 0,4 mol ? dm23 d’aquest àcid és:

C17H19O3N(aq) 1 H2O(l) C17H20O3N1(aq) 1 OH2(aq)

a) 0,05

Es comporta com una base, ja que accepta els protons de l’aigua.

b) 1,2

b) Determineu el pH d’una dissolució 0,025 M de morfina.

C17H19O3N(aq) 1 H2O(l) C17H20O3N1(aq) 1 OH2(aq) CI

0,025 M

—

—

CR

x

x

x

CF

0,025 2 x

x

x

c) 0,02 d) 0,09 La resposta correcta és la c).

4. La combustió de la hidrazina, H2NNH2, és molt exotèrmica i per aquesta raó és emprada com a combustible per a coets.

Les dissolucions aquoses d’hidrazina tenen caràcter de base feble. Tenint en compte que Kb (N2H4) 5 8,5 ? 1027, quin és el grau de dissociació d’una dissolució 0,18 M d’hidrazina?

[C17H20O3N1] ? [OH2] Kb 5 ———————————— [C17H19O3N]

a) 0,0041

x2 1,6 ? 1026 5 ————— 0,025 2 x

c) 0,0012

x 5 0,000199 5

1,99 ? 1024

[OH2] 5 1,99 ? 1024 mol?dm23 pOH 5 2log [OH2]5 2log 1,99 ? 1024 pOH 5 3,7 pH 1 pOH 5 14 pH 5 10,3

b) 0,00217 d) 0,009 La resposta correcta és la b).

5. A la natura, l’àcid màlic o àcid hidroxibutandioic (HOOC-CHOH-CH2-COOH) es troba a les pomes i a les cireres verdes; a la indústria s’utilitza com a additiu alimentari, per la seva acció antibacteriana, i en la fabricació de laxants.

QUÍMICA 2

Si disposem d’una dissolució d’àcid màlic de pH 5 3,4, quina és la concentració inicial d’aquest àcid?

Nota: considereu només la primera dissociació, Ka 5 3,48 ? 1024. a) 4 ? 1024 M b) 2,54 ? 1025 M c) 1,28 ? 1024 M d) 0,059 M La resposta correcta és la a).

6. L’àcid fluorhídric intervé en la fabricació del vidre i en el refinament de la gasolina d’alt octanatge. En contacte amb la pell provoca cremades molt doloroses. Si la constant d’acidesa de l’àcid fluorhídric és Ka 5 7 ? 1024, quin és el pH d’una dissolució 0,4 M?

05

61

7. Una dissolució bàsica té un pH 5 11,35. Determina la concentració inicial de la base suposant que es tracta d’amoníac.

Dades: Kb 5 1,8 ? 1025 a) 0,52 M b) 0,47 M c) 0,28 M d) 0,35 M La resposta correcta és la c).

8. L’àcid cianhídric és tòxic, ja que impedeix la respiració cel.lular. Alguns animals, com ara el milpeus, l’empren com a defensa. Determina la constant de dissociació d’aquest àcid tenint en compte que una dissolució de concentració 0,5 M d’àcid cianhídric té un pH 5 4,85.

a) 2,3

a) 6 ? 1029

b) 3,7

b) 2 ? 1025

c) 1,4

c) 8 ? 1023

d) 1,8

d) 4 ? 10210

La resposta correcta és la d).

La resposta correcta és la d).

62

06

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

j Unitat 6. De la hidròlisi a la neutralització

4. Quin és el pH d’una dissolució reguladora formada per acetat de sodi 0,5 M i àcid acètic 0,8 M? Dades: Ka 5 1,8 ? 1025 Com que l’acetat de sodi es dissocia totalment, la concentració d’ió acetat és la següent:

Activitats

CH3COONa CH3COO2 1 Na1

1. El citrat de sodi és l’additiu alimentari E332. Té propietats antioxidants, és a dir, impedeix l’oxidació dels greixos dels aliments. Si se sap que l’àcid cítric és un àcid feble, determina el caràcter d’aquesta sal.

CI CF

0,5 —

— 0,5

També sabem que [CH3COOH] 5 0,8 M.

Dades: Ka (C6H6O722) 5 4,2 ? 1027 El citrat de sodi és una sal que es dissocia totalment:

Substituïm les dades en l’expressió següent: [CH3COOH] [H3O1] 5 Ka ? —————— [CH3COOH2]

Na3C6H5O7 1 H2O C6H5O732 1 3 Na1 L’ió sodi és l’àcid conjugat d’una base forta i pràcticament no reacciona, Mentre que l’ió C6H5O732 és la base conjugada d’un àcid feble: C6H5O732 1 H2O C6H6O722 1 OH2 Per tant, el citrat de sodi té caràcter bàsic.

2. Raona si és possible que el iodur d’amoni tingui caràcter bàsic.

El iodur d’amoni es dissocia totalment segons: NH4I 1 H2O I2 1 NH1 4

0,8 [H3O1] 5 1,8 ? 1025 ? —— 5 2,88 ? 1025 0,5 Finalment: pH 5 2log [H3O1] 5 2log 2,88 ? 1025 5 4,54 5. Si vols preparar una dissolució reguladora a pH 5 5 i ho fas a partir d’un àcid feble HA 0,2 M de Ka 5 5 ? 1026, quants mols de la sal sòdica de l’àcid (NaA) necessitaràs per cada litre de dissolució reguladora?

Apliquem la fórmula següent: [NaA] pH 5 p Ka 1 log ——— [HA]

El pH serà àcid a causa de la hidròlisi de l’ió amoni: 1 NH1 4 1 H2O NH3 1 H3O F2 1 H2O HF 1 OH2

— 0,5

Ka 5 5,56 ? 10210 Kb 5 1,49 ? 10211

2 Com que Ka (NH1 4 ) . Kb (F ), el iodur d’amoni té un caràcter lleugerament àcid.

3. El sabó conté sals sòdiques d’un àcid gras (que és un àcid feble). Un dels inconvenients d’emprar sabons és l’alcalinitat que tenen: si són utilitzats en aigües molt dures (que contenen ions Ca21 i Mg21) o aigües àcides, el sabó precipita en forma de sals de Ca21 i Mg21 dels àcids grassos. Justifica l’avantatge que suposa el fet d’utilitzar detergents en comptes de sabó, si se sap que la matèria activa dels detergents són sals sòdiques d’èsters derivats de l’àcid sulfúric.

Podem simbolitzar els sabons per R–COONa. La seva dissolució implica: R–COONa R–COO2 1 Na1 R–COO2 1 H2O R–COOH 1 OH2 El sabó és una sal de caràcter bàsic i en presència d’ions calci i/o magnesi precipiten els hidròxids respectius.

Podem simbolitzar els detergents per RCH2–OSO3Na. La seva dissolució implica: 1 RCH2–OSO3Na RCH2–OSO2 3 1 Na

L’ió RCH2–OSO2 3 pràcticament no reacciona. Per tant, els detergents són dissolucions aproximadament neutres.

[NaA] 5 5 5,3 1 log ——— 0,2 [NaA] 5 0,1 M Per tant, per cada litre de dissolució reguladora es necessiten 0,1 mol de la sal sòdica.

6. Volem neutralitzar 25 mL d’àcid clorós 0,17 M. Quin volum d’hidròxid de calci 0,08 M necessitem?

Es produeix la reacció de neutralització següent: 2 HClO2 1 Ca(OH)2 Ca(ClO2)2 1 2 H2O Per estequiometria: 1 mol Ca(OH)2 0,17 mol HClO2 0,025 dm3 HClO2 ? ———————— ? ———————— ?

2 mol HClO2 1 dm3 HClO2 1 dm3 Ca(OH)2 1 000 cm3 ? —————————— ? —————— 5 26,6 cm3 Ca(OH)2 0,08 mol Ca(OH)2 1 dm3 7. L’àcid fluorhídric és un àcid feble. Si disposem de 12 mL d’aquest àcid a una concentració 0,05 M: a) Quin volum d’amoníac 0,2 M necessitem per neutralitzar-lo?

La reacció de neutralització és: HF 1 NH3 NH4F 1 H2O

06

QUÍMICA 2

Per estequiometria:

Es tracta d’una dissolució reguladora:

0,05 mol HF 1 mol NH3 0,012 dm3 HF ? —————— ? ————— ?

1 mol HF 1 dm3 HF 3 3 1 dm NH3 1 000 cm ? —————— ? ————— 5 3 cm3 NH3 0,2 mol NH3 1 dm3

C6H5COOH 1 H2O C6H5COOO2 1 H3O1 CF

0,272

[H3O1] 5 1,94 ? 1024 M

HF 1 NaOH NaF 1 H2O

Finalment:

Com que la concentració de la base és la mateixa i l’estequiometria de la reacció també és mol a mol, necessitarem el mateix volum de base per neutralitzar l’àcid. c) Acabada la neutralització, com seria el pH en cada cas?

En el primer cas, el pH serà àcid a causa de la hidròlisi de l’ió amoni:

NH1 4 F2

1

NH1 4

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 1,94 ? 1024 5 3,71 9. Es valoren 15 mL d’una solució d’àcid làctic, CH3CHOHCOOH, amb una dissolució d’hidròxid de sodi 0,12 M i la corba de valoració obtinguda és la que es representa en la figura 6.8. pH 14 12

1 H2O NH3 1 H3O1

1 H2O HF 1

OH2

Ka 5 5,56 ? 10210

10

1,49 ? 10211

8

Kb 5

2 Com que Ka (NH1 4 ) . Kb (F ), el pH és lleugerament àcid.

6

En el segon cas, el pH és bàsic a causa de la hidròlisi de l’ió fluorur i perquè la sal prové d’una base forta i un àcid feble.

4

NaF F2

x

[C6H5COO2] [H3O1] 0,088 ? [H3O1] Ka 5 —————————— 5 ——————— 5 6,28 ? 1025 [C6H5COOH] 0,272

La reacció de neutralització és:

NH4F

0,088

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa:

b) Si féssim la neutralització amb NaOH 0,2 M, quants mL en gastaríem?

F2

63

F2

1

Na1

2 0

1 H2O HF 1 OH2

0

10

20

30

40

50

60

70

Volum de NaOH (mL)

Dades: Kb (NH3) 5 1,8 ? 1025; Ka (HF) 5 6,7 ? 1024 cm3

8. Quin és el pH que resulta en mesclar 30 d’una dissolució d’àcid benzoic 0,6 M i 20 cm3 d’una dissolució d’hidròxid de potassi 0,22 M?

a) Observa la corba de valoració i indica el pH inicial de la solució d’àcid làctic.

El pH inicial de la solució d’àcid làctic és 2,13. b) Raona el valor del pH en el punt d’equivalència.

Dades: Ka (C6H5COOH) 5 6,28 ? 1025 Calculem el nombre de mols d’àcid benzoic i d’hidròxid de potassi: 0,6 mol C6H5COOH 5 0,018 mol C6H5COOH 0,03 dm3 ? ————————— 1 dm3 0,22 mol KOH 0,02 dm3 ? ——————— 5 0,0044 mol KOH 1 dm3

En el punt d’equivalència, el pH és 8,32 —té caràcter bàsic— i correspon al punt d’inflexió de la gràfica. En aquest punt, la reacció de neutralització és completa i, per tant, el pH és determinat per la hidròlisi de la sal: CH3CHOHCOOH 1 NaOH CH3CHOHCOONa 1 H2O CH3CHOHCOO2 1 H2O CH3COOH 1 OH2

Escrivim la reacció de neutralització que es produeix: C6H5COOH 1 KOH C6H5COOK 1 H20 mols inicials

0,018

0,0044

—

—

mols finals

0,0136

—

0,0044

0,0044

Calculem les concentracions finals considerant volums additius: 0,0136 mol 5 0,272 M [C6H5COOH] 5 —————————— (0,03 1 0,02) dm3 0,0044 mol 5 0,088 M [C6H5COO2] 5 —————————— (0,03 1 0,02) dm3

c) Calcula la concentració de la dissolució d’àcid làctic inicial.

En el punt d’equivalència, s’han afegit 50 mL de NaOH 0,12 M: 0,12 mol NaOH 1 mol CH3CHOHCOOH ? —————————— 5 0,05 dm3 NaOH ? ———————— 1 mol NaOH 1 dm3 NaOH 5 6 ? 1023 mol CH3CHOHCOOH 6 ? 1023 mol 5 0,4 M [CH3CHOHCOOH] 5 ——————— 0,015 dm3

64

06

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

d) Determina el pH inicial d’una dissolució d’àcid nítric d’igual concentració. Com seria el pH en el punt d’equivalència?

L’àcid nítric és un àcid fort i es dissocia totalment: 1 HNO3 1 H2O NO2 3 1 H3O

CI CF

0,4 —

— 0,4

— 0,4

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 0,4 5 0,398 En el punt d’equivalència, el pH 5 7 perquè la sal prové d’un àcid fort i una base forta.

Dades: Ka (àcid làctic) 5 1,98 ? 1024 10. [Curs 11-12] Al laboratori disposem d’una solució d’àcid clorhídric 0,010 M i d’una solució d’hidròxid de sodi 0,50 M. Expliqueu el procediment experimental que seguiríeu i quin material utilitzaríeu en les situacions següents: a) Per preparar 250,0 mL d’hidròxid de sodi 0,010 M a partir de la solució d’hidròxid de sodi 0,50 M. Formulació: hidròxid de sodi: NaOH Calculem el volum de NaOH 0,50 M que necessitem per preparar 250 mL de NaOH: 0,010 M (dilució) 0,010 mol NaOH 1 000 mL NaOH 250 mL NaOH ? ———————— ? ———————— 5 1 000 mL NaOH 0,50 mol NaOH 5 5 mL NaOH Material i reactius: — NaOH: 0,500 M — Aigua destil·lada — Vas de precipitats — Pipeta aforada de 5 mL (amb pera) — Matràs aforat de 250 mL Procediment: Col·loquem en un vas de precipitats una mica de solució de NaOH 0,500 M. Agafem un volum de 5 mL amb una pipeta (amb l’ajut d’una pera) i el transvasem a un matràs aforat de 250 mL. Hi afegim aigua destil·lada, i enrasem la solució als 250 mL (marca del matràs). Tapem el matràs amb el tap i ho agitem per homogeneïtzar bé la solució. b) Per obtenir la corba de valoració de 25,0 mL d’àcid clorhídric 0,010 M amb hidròxid de sodi 0,010 M. Formulació: àcid clorhídric: HCl hidròxid de sodi: NaOH El procediment experimental que hem de fer és: — En un vas de precipitats hi transvasem quantitativament 25 mL de solució de HCl 0,01 M amb l’ajut d’una pipeta i una pera.

— En una bureta hi col·loquem la solució de NaOH 0,01 M i enrasem a un determinat volum (per exemple zero), procurant que a la bureta no hi quedi cap bombolla d’aire.

— En el vas on hi ha el HCl hi col·loquem un elèctrode de vidre connectat a un pHmetre (o un sensor que permeti fer una mesura proporcional al pH). Mesurem el pH inicial (volum NaOH afegit igual a 0 mL).

— Afegim un volum determinat de NaOH (cal mesurar-lo) i anotem el pH de solució. Això ho repetim per tenir un conjunt de valors de pH per a diferents volums afegits de NaOH, tot sobrepassant el punt d’equivalència (més de 25 mL de NaOH 0,01 M afegits).

— Es representen els valors experimentals de pH en funció del volum de NaOH i s’obté la corba de valoració.

Material: — Vas de precipitats (o Erlenmeyer) — Pipeta aforada de 25 mL (amb pera) — Bureta — Elèctrode de vidre i pHmetre o sensor per mesurar pH 11. Esbrina com contribueixen el fòsfor, el potassi, el molibdè, el magnesi, el nitrogen i el calci en el desenvolupament de les plantes.

22 — El fòsfor (H2PO2 4 , HPO4 ) potencia el creixement de les plantes, ja que afavoreix el desenvolupament de les arrels i contribueix a la formació i la maduració dels fruits i les llavors.

— El potassi (K1) potencia la formació de tiges, influeix positivament en els mecanismes d’obertura i tancament dels estomes i contribueix a la formació de midó i olis.

— El molibdè (MoO22 4 ) activa els enzims que participen en la fixació del nitrogen.

— El magnesi (Mg21) potencia la formació d’olis i greixos de les plantes i és un element important en la formació de la clorofil.la.

1 — El nitrogen (NO2 3 , NH4 ) potencia el desenvolupament de les plantes i és l’element químic principal de les proteïnes.

— El calci (Ca21) potencia el creixement de l’arrel i la tija i facilita l’absorció de nutrients del sòl.

12. Busca informació de quines plantes podries plantar en un jardí segons el pH del sòl.

— pH . 7,5 (alcalins): calèndula, pomer, petúnia, rosa, tulipa i xiprer.

— 7 . pH . 6,75: dàlia, gladiol, lliri, saüc, teix i violeta.

— pH 5 6 (àcid): arç, begònia, ciclamen, llaura i lavanda.

— pH , 5,5: gardènia, falguera, hortènsia i faig.

13. Esbrina quins acords internacionals s’han signat per preservar el futur ecològic del planeta Terra. Et sembla que són suficients?

Resposta oberta.

06

QUÍMICA 2

14. Quines són les zones europees més afectades per la pluja àcida? I a tot el món? A què penses que és degut?

Resposta oberta.

65

L’ió clorur pràcticament no reacciona (és la base conjugada d’un àcid fort), mentre que l’ió amoni és l’àcid conjugat d’una base feble i reacciona segons l’equilibri següent: 1 NH1 4 1 H2O NH3 1 H3O

Activitats finals

Calculem el pH de la dissolució resultant.

1. Una sal de fórmula genèrica MeX es dissol en aigua. Si el pH de la dissolució resultant té un valor de 9, raona quina serà la força de l’àcid i de la base dels quals deriva aquesta sal.

La reacció que es produeix és la següent:

1 NH1 4 1 H2O NH3 1 H3O

CF CF

c2x 1,8 2 x

x x

x x

Hem de calcular Ka, ja que l’enunciat ens dóna Kb (NH3):

MeX 1 H2O Me1 1 X2 Com que el pH de la dissolució resultant és bàsic es dedueix que: Me1 1 H2O pràcticament no reacciona perquè és l’àcid conjugat d’una base forta: MeOH Me1 1 OH2 En canvi, X2 és la base conjugada d’un àcid feble i reacciona amb l’aigua, segons l’equació: X2 1 H2O HX 1 OH2 Per tant, la força de l’àcid de la qual deriva aquesta sal és feble, mentre que la força de la base de la qual deriva és forta.

2. Indica el caràcter àcid o bàsic de les dissolucions aquoses següents: a) Carbonat de potassi.

Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 Ka 5 ——— 5 ————— 5 5,56 ? 10210 Kb 1,8 ? 1025 Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa: [NH3] [H3O1] x2 x2 Ka 5 ——————— 5 ———— 5 —— 5 5,56 ? 10210 1 [NH4 ] 1,8 2 x 1,8 x 5 3,16 ? 1025 pH 5 2log [H3O1] 5 2log 3,16 ? 1025 5 4,5 4. Calcula el pH d’una dissolució de concentració 0,02 mol ? dm23 de fluorur de sodi.

Caràcter bàsic:

Dades: Ka (HF) 5 6,7 ? 1024

K2CO3 1 H2O 2 K1 1 CO22 3

Les reaccions que es produeixen són les següents:

K1

1 H2O

pràcticament no reacciona

2 2 CO22 3 1 H2O HCO3 1 OH

CI CF

b) Clorur d’amoni.

Caràcter àcid: NH4Cl 1 H2O Cl2

NH1 4

1

pràcticament no reacciona

1 NH1 4 1 H2O NH3 1 H3O

En canvi, l’ió fluorur és la base conjugada d’un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent:

CF CF

Caràcter bàsic: CH3COONa 1 H2O Na1 1 CH3COO2 pràcticament no reacciona

CH3COO2 1 H2O CH3COOH 1 OH2 3. Disposem d’una dissolució aquosa de clorur d’amoni 1,8 mol ? dm23. Escriu les equacions de les reaccions d’equilibri corresponents i calcula’n el pH. Dades: Kb (NH3) 5

— — 0,02 0,02

F2 1 H2O HF 1 OH2

c) Acetat de sodi.

Na1 1 H2O

0,02 —

L’ió sodi pràcticament no reacciona, perquè és l’àcid conjugat d’una base forta (NaOH).

Cl2

1 H2O

NaF 1 H2O F2 1 Na1

1,8 ? 1025

Les reaccions que es produeixen són les següents: NH4Cl 1 H2O Cl2 1 NH1 4

c2x 0,02 2 x

x x

x x

Hem de calcular Kb, ja que l’enunciat ens dóna Ka (HF): Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 Kb 5 ——— 5 ————— 5 1,5 ? 10211 Ka 6,7 ? 1024 Escrivim l’expressió de la constant de basicitat: x2 x2 [HF] [OH2] ————— . ——— 5 1,5 ? 10211 Kb 5 —————— 5 [F2] 0,02 2 x 0,02 x 5 5,48 ? 1027

CI

1,8

—

—

pOH 5 2log [OH2] 5 2log 5,48 ? 1027 5 6,3

CF

—

1,8

1,8

pH 5 14 2 pOH 5 7,7

66

06

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

5. El pH d’una dissolució d’hipoclorit de sodi de concentració 0,1 mol ? dm23 és igual a 10,3. Justifica el valor del pH d’aquesta sal i calcula la constant d’acidesa de l’àcid hipoclorós.

El pH d’una dissolució d’hipoclorit de sodi és bàsic. Escrivim les reaccions que es produeixen: NaClO 1 H2O ClO2 1 Na1 CI CF

0,1 —

— 0,1

— 0,1

L’ió sodi pràcticament no reacciona, perquè és l’àcid conjugat d’una base forta (NaOH).

En canvi, l’ió hipoclorit és la base conjugada d’un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent: ClO2 1 H2O HClO 1 OH2

Escrivim l’equació d’equilibri: ClO2 1 H2O HClO 1 OH2 c2x 0,1 2 x

x x

— L’àcid nítric és un àcid fort que reacciona segons: 1 HNO3 1 H2O NO2 3 1 H3O

Té caràcter àcid.

— L’ió metilamoni és l’àcid conjugat d’una base feble: 1 CH3NH1 3 1 H2O CH3NH2 1 H3O

Té caràcter àcid.

— L’ió acetat és la base conjugada d’un àcid feble: CH3COO2 1 H2O CH3COOH 1 OH2 Té caràcter bàsic.

Per tant, el pH de la dissolució resultant és bàsic.

CF CF

— L’ió clorur és la base conjugada d’un àcid fort i gairebé no reacciona. Té caràcter neutre.

x x

8. Per efectuar una valoració d’una dissolució d’àcid cianhídric amb una dissolució d’hidròxid de sodi, quins dels indicadors següents empraries? Justifica la resposta.

Nota: Per als intervals de viratge, consulta la taula 5.16. a) Violeta de metil b) Blau de bromotimol

Calculem el pOH: pOH 5 14 2 10,3 5 3,7 I la concentració d’ions hidròxid: pOH 5 2log [OH2] 5 3,7 [OH2] 5 2 ? 1024 Escrivim l’expressió de la constant de basicitat:

c) Ataronjat de metil d) Timolftaleïna e) Fenolftaleïna La reacció de neutralització és: HCN 1 NaOH NaCN 1 H2O

[HClO] [OH2] x2 (2 ? 1024)2 5 ———— 5 ——————— Kb 5 ——————— 5 4 ? 1027 2 [ClO ] 0,1 2 x 0,1 2 2 ? 1024

La hidròlisi de la sal resultant de la neutralització és la següent:

I finalment, calculem el valor de Ka:

L’ió sodi pràcticament no reacciona, perquè és l’àcid conjugat d’una base forta (NaOH), mentre que l’ió cianur és la base conjugada d’un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent:

Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 5 2,5 ? 1028 Ka 5 ——— 5 ———— 4 ? 1027 Kb 6. En el punt d’equivalència, el pH és neutre? Per què?

No, en el punt d’equivalència el pH és determinat per la sal formada en la neutralització. Per tant, s’ha de considerar la hidròlisi de la sal, i el pH pot ser àcid, bàsic o neutre.

7. Justifica el caràcter àcid, bàsic o neutre de les espècies següents en dissolució aquosa: ió amoni, ió clorur, àcid nítric, ió metilamoni i ió acetat.

— El catió amoni és l’àcid conjugat d’una base feble i reacciona segons l’equilibri: 1 NH1 4 1 H2O NH3 1 H3O

Té caràcter àcid.

NaCN 1 H2O Na1 1 CN2

CN2 1 H2O HCN 1 OH2 El pH en el punt d’equivalència, si tenim en compte la hidròlisi de la sal formada, és bàsic.

Per tant, hem d’escollir un indicador amb un interval de viratge bàsic, com la fenolftaleïna o el roig de fenol.

9. El vinagre és una dissolució d’àcid acètic i altres substàncies en la qual hi ha d’haver com a mínim 5 g de l’àcid esmentat per cada 100 cm3 de vinagre. L’oficina de protecció del consumidor decideix analitzar el vinagre d’una marca comercial per veure si compleix les normes. Per comprovarho, n’agafen una mostra de 10 cm3 i els valoren amb una dissolució 1 mol ? dm23 d’hidròxid de sodi. El punt d’equivalència s’assoleix quan s’han gastat 9,2 cm3 de la dissolució de NaOH. Compleix el vinagre la normativa? Indica si el pH en el punt d’equivalència és superior, inferior o igual a 7.

06

QUÍMICA 2

La reacció de neutralització és: CH3COOH 1 NaOH CH3COONa 1 H2O 1 mol NaOH 1 mol CH3COOH ? ———————— 5 9,2 ? 1023 dm3 NaOH ? —————— 1 mol NaOH 1 dm3 NaOH 5 9,2 ? 1023 mol CH3COOH 9,2 ? 1023 mol 60 g CH3COOH ? ——————— 5 55,2 g?dm23 [CH3COOH] 5 ——————— 0,01 dm3 1 mol CH3COOH La normativa diu que el vinagre ha de contenir, com a mínim:

67

Per estequiometria, calculem els mols d’àcid clorhídric necessaris per neutralitzar 1,25 g d’hidròxid de calci: 2 mol HCl 1 mol Ca(OH)2 1,25 g Ca(OH)2 ? ———————— ? ———————— 5 1 mol Ca(OH)2 74 g Ca(OH)2 5 0,034 mol HCl Tot seguit, calculem els mols d’àcid clorhídric necessaris per neutralitzar 1,30 g d’hidròxid de potassi: 1 mol KOH 1 mol HCl 1,30 g KOH ? —————— ? —————— 5 0,023 mol HCl 56 g KOH 1 mol KOH

5 g CH3COOH 1 000 cm3 ——————— ? ————— 5 50 g?dm23 100 cm3 1 dm3

Per tant, per neutralitzar ambdós hidròxids necessitem 0,057 mols d’àcid clorhídric. Calculem, doncs, quants grams del 36,2 % en massa en necessitem:

Per tant, el vinagre analitzat compleix la normativa, ja que conté 55,2 g d’àcid acètic per litre.

36,5 g HCl 100 g dissolució 0,057 mol HCl ? —————— ? ———————— 5 1 mol HCl 36,2 g HCl 5 5,75 g HCl 36 % massa

La hidròlisi de la sal resultant de la neutralització és: CH3COONa 1 H2O CH3COO2 1 Na1 L’ió sodi, com que és l’àcid conjugat d’una base forta (NaOH), pràcticament no reacciona, mentre que l’ió acetat és la base conjugada d’un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent: CH3COO2 1 H2O CH3COOH 1 OH2 Per tant, el pH en el punt d’equivalència és bàsic.

10. Una dissolució d’àcid nítric de densitat desconeguda es dilueix 10 vegades. Una mostra de 20 cm3 d’aquest àcid diluït necessita 22,8 cm3 d’una dissolució d’hidròxid de sodi de concentració 0,5 mol?dm23 per neutralitzar-se.

Calcula la concentració expressada en g?cm23 de la dissolució d’àcid nítric inicial.

La reacció de neutralització és: HNO3 1 NaOH NaNO3 1 H2O 0,5 mol NaOH 1 mol HNO3 22,8 ? 1023 dm3 NaOH ? ——————— ? —————— 5 1 mol NaOH 1 dm3 NaOH 5 0,0114 mol HNO3 0,0114 mol HNO3 63 g HNO3 [HNO3] 5 ————————— ? —————— 5 0,36 g?cm23 20 cm3/10 1 mol HNO3 11. Calcula els grams d’àcid clorhídric concentrat, d’un 36,2 % en massa, que són necessaris per neutralitzar una dissolució que conté 1,25 g d’hidròxid de calci i 1,30 g d’hidròxid de potassi.

Les reaccions de neutralització són: Ca(OH)2 1 2 HCl CaCl2 1 2 H2O KOH 1 HCl KCl 1 H2O

12. L’àcid ciànic (HCNO) i l’àcid cianhídric són dos àcids febles monopròtics. a) Calcula el pH d’una dissolució 0,05 M d’àcid ciànic.

Escrivim l’equació d’equilibri: HCNO 1 H2O CNO2 1 H301 CF

c2x

x

x

CF

0,05 2 x

x

x

L’expressió de la constant d’equilibri és: [CNO2] [H3O1] x2 Ka 5 ———————— 5 ————— 5 2,2 ? 1024 [HCNO] 0,05 2 x x2 1 2,2 ? 1024 x 2 1,1 ? 1025 5 0 x 5 3,2 ? 1023 pH 5 2log [H3O1] 5 2log 3,2 ? 1023 5 2,5 b) Calcula la constant de basicitat de l’ió cianur.

Escrivim l’equació d’equilibri de l’àcid cianhídric: HCN 1 H2O CN2 1 H301 Com que l’enunciat ens dóna com a dada Ka (HCN) 5 4,9 ? 10210, apliquem l’expressió següent: Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 Kb 5 ——— 5 —————— 5 2 ? 1025 Ka 4,9 ? 10210 c) Si tenim 100 mL d’una solució 0,1 M d’àcid cianhídric i 100 mL d’una solució d’àcid ciànic de la mateixa concentració, quina requerirà més hidròxid de sodi per ser neutralitzada? Justifica la resposta.

68

06

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Les dues solucions necessitaran la mateixa quantitat d’hidròxid de sodi, ja que l’estequiometria de les dues reaccions de neutralització és mol a mol i estan totalment desplaçades cap a productes.

Escrivim l’expressió de la constant de basicitat:

[NH14 ] [OH2] x2 Kb 5 ——————— 5 ———— 5 1,8 ? 1025 [NH3] 0,5 2 x

HCNO 1 NaOH NaCNO 1 H2O

x2 1 1,8 ? 1025 x 2 9 ? 1026 5 0

HCN 1 NaOH NaCN 1 H2O

x 5 3 ? 1023

Dades: Ka (HCNO) 5 2,2 ? 1024; Ka (HCN) 5 4,9 ? 10210 13. Una dissolució 0,1 M d’àcid fluorhídric té el mateix pH que una solució 8 ? 1023 M d’àcid nítric. Calcula el valor d’aquest pH i la Ka de l’àcid fluorhídric.

Com que la dissolució d’hidròxid de sodi té el mateix pH i l’hidròxid de sodi és una base forta (és a dir, es dissocia totalment): NaOH Na1 1 OH2 CI CF

Calculem el pH de la dissolució d’àcid nítric: HNO3 1 H2O CI CF

8 ? 1023 —

1 NO2 3 1 H3O

— 8 ? 1023

— 8 ? 1023

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 8 ? 1023 5 2,10 L’àcid fluorhídric és un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent: HF 1 H2O F2 1 H3O1 CF CF

c2x 0,1 2 x

x x

x x

15. La constant d’acidesa de l’àcid fòrmic és 1,8 ? 1024. a) Calcula el pH d’una dissolució 0,01 M. Escrivim l’equilibri de dissociació de l’àcid fòrmic: HCOOH 1 H2O HCOO2 1 H3O1 CF 0,01 2 x x x Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa:

14. a) Ordena, de més a menys forta, les espècies químiques següents segons el caràcter que tinguin com a base: amoníac, ió acetat, hidròxid de sodi.

Com més elevat és el valor de la constant de basicitat, més desplaçat cap a productes es troba l’equilibri i, per tant, més forta és la base. L’hidròxid de sodi és una base forta i es dissocia totalment. Calculem la Kb de l’ió acetat: Ka ? Kb 5 10214 10214

5 5,56 ? 10210 Kb 5 ——— 5 ————— Ka 1,8 ? 1025 Així, doncs: Kb (NaOH) . Kb (NH3) . Kb (CH3COO2) b) Calcula la concentració d’una dissolució d’hidròxid de sodi que tingui el mateix pH que una dissolució d’amoníac 0,5 mol?dm23.

L’equilibri de dissociació de l’amoníac és: 2 NH3 1 H2O NH1 4 1 OH

x x

— c

Dades: Kb (amoníac) 5 1,8 ? 1025; Ka (àcid acètic) 5 1,8 ? 1025

x2 [HCOO2] [H3O1] Ka 5 ———————— 5 ————— 5 1,8 ? 1024 [HCOOH] 0,01 2 x x2 1 1,8 ? 1024 x 2 1,8 ? 1026 5 0

x2 (8 ? 1023)2 [F2] [H3O1] Ka 5 —————— 5 ———— 5 ——————— 5 6,96 ? 1024 [HF] 0,1 2 x 0,1 2 8 ? 1023

CF c 2 x CF 0,5 2 x

— c

La concentració és 3 ? 1023 M.

A partir de l’expressió de la constant d’acidesa, i tenint en compte que el pH de les dues dissolucions és el mateix, i per tant també ho és la concentració d’ions hidroni, podem escriure:

10214

c —

x x

x 5 1,25 ? 1023 pH 5 2log [H3O1] 5 2log 1,25 ? 1023 5 2,90 b) Calcula el volum d’hidròxid de sodi 0,0025 M que cal per neutralitzar 10 cm3 de la solució anterior.

Escrivim la reacció de neutralització: HCOOH 1 NaOH HCOONa 1 H2O Per estequiometria: 0,01 mol HCOOH 1 mol NaOH ? ——————— ?

0,01 dm3 HCOOH ? ————————— 3 1 mol HCOOH 1 dm HCOOH 1 000 cm3 1 dm3 NaOH ? ————————— ? ————— 5 40 cm3 NaOH 0,0025 mol NaOH 1 dm3 16. Calcula: a) El pH d’una dissolució 0,02 M d’àcid fluorhídric.

L’àcid fluorhídric és un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent: HF 1 H2O F2 1 H3O1 CF CF

c2x 0,02 2 x

x x

x x

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa:

06

QUÍMICA 2

[F2] [H3O1] x2 Ka 5 —————— 5 ————— 5 6,7 ? 1024 [HF] 0,02 2 x x2 1

6,7 ? 1024 x x5

2

1,34 ? 1025 5

0

Finalment calculem el pH: pOH 5 2log [OH2] 5 2log 4,77 ? 1023 5 2,32 pH 5 14 2 pOH 5 11,68

3,34 ? 1023

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 3,34 ? 1023 5 2,48 b) El pH d’una dissolució 0,02 M de fluorur de sodi.

El fluorur de sodi es dissocia totalment segons: NaF Na1 1 F2 CI CF

0,02 —

F2 1 H2O FH 1 OH2 x x

b) Calcula la concentració d’una dissolució d’àcid acètic de pH 5 3.

L’àcid acètic és un àcid feble que reacciona segons l’equilibri següent: CH3COOH 1 H2O CH3COO2 1 H3O1 CF

— — 0,02 0,02

L’ió sodi és l’àcid conjugat d’una base forta (NaOH) i gairebé no reacciona. Però l’ió fluorur és la base conjugada d’un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent:

CF c2x CF 0,02 2 x

c2x

x

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa: x2 (1023)2 [CH3COO2] [H3O1] Ka 5 ————————— 5 ——— 5 ————— 5 c2x c 2 1023 [CH3COOH]

x x

5 1,8 ? 1025 1,8 ? 1025 c 5 1,018 ? 1026

Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 Kb 5 ——— 5 ————— 5 1,5 ? 10211 Ka 6,7 ? 1024 Escrivim l’expressió de la constant de basicitat: x2 [FH] [OH2] ————— 5 1,5 ? 10211 Kb 5 —————— 5 [F2] 0,02 2 x

c 5 0,057 La concentració d’àcid acètic és 0,057 M. Dades: Kb (metilamina) 5 4,59 ? 1024; Ka (àcid acètic) 5 1,8 ? 1025 18. Dos flascons A i B contenen 50 cm3 de dissolucions 0,1 M d’àcid fluorhídric i clorhídric, respectivament. Calcula: a) El pH de les dues dissolucions.

x2 1 1,5 ? 10211 x 2 3 ? 10213 5 0 5,48 ? 1027

L’àcid fluorhídric és un àcid feble i reacciona segons l’equilibri següent: HF 1 H2O F2 1 H3O1

Finalment: pOH 5 2log [OH2] 5 2log 5,48 ? 1027 5 6,26 pH 5 14 2 pOH 5 7,74

CF

c2x

CF 0,1 2 x

Dades: Ka (HF) 5 6,7 ? 1024

La metilamina és una base feble i reacciona segons l’equilibri següent:

x

x

x

[F2] [H3O1] x2 Ka 5 —————— 5 ———— 5 6,7 ? 1024 [HF] 0,1 2 x x2 1 6,7 ? 1024 x 2 6,7 ? 1025 5 0

2 CH3NH2 1 H2O CH3NH1 3 1 OH

c2x 0,05 2 x

x

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa:

17. a) Calcula el pH d’una dissolució 0,05 M de metilamina.

CF CF

x

Si el pH de la dissolució d’àcid acètic és 3, vol dir que la concentració d’ions hidroni és 1023.

Hem de calcular Kb, ja que l’enunciat ens dóna Ka (HF):

x5

x x

x x

Escrivim l’expressió de la constant de basicitat:

x 5 7,86 ? 1023 pH 5 2log [H3O1] 5 2log 7,86 ? 1023 5 2,10 L’àcid clorhídric és un àcid fort que es dissocia totalment: HCl 1 H2O Cl2 1 H3O1

[CH3NH13 ] [OH2] x2 Kb 5 ————————— 5 ————— 5 4,59 ? 1024 [CH3NH2] 0,05 2 x

CI

0,1

—

—

x2 1 4,59 ? 1024 x 2 2,295 ? 1025 5 0

CF

—

0,1

0,1

x 5 4,77 ? 1023

69

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 0,1 5 1

70

06

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

b) La massa d’hidròxid de potassi que es necessita per neutralitzar cada una de les dissolucions.

La massa d’hidròxid de potassi necessària per neutralitzar cadascuna de les dues dissolucions és la mateixa, ja que l’estequiometria de les dues reaccions de neutralització és mol a mol i estan totalment desplaçades cap a productes.

Escrivim les dues reaccions de neutralització:

Per estequiometria: 0,1 mol HCl 1 mol KOH 56 g KOH 0,05 dm3 HCl ? —————— ? —————— ? —————— 5 3 1 mol HCl 1 mol KOH 1 dm HCl 5 0,28 g KOH

0,012 mol Na1 5 ——————— 5 0,15 M 0,08 dm3 20. Calcula el pH de les dissolucions resultants de mesclar:

Calculem els mols que tenim de HCl i KOH:

19. Es barregen 10 cm3 de NaOH de concentració 0,2 mol ? dm23 amb 20 cm3 de Ba(OH)2 0,15 mol ? dm23 i 50 cm3 de NaNO3 0,2 mol ? dm23. Calcula el pOH i la concentració d’ions sodi de la dissolució obtinguda.

0,2 mol NaOH 5 0,002 mol NaOH 0,01 dm3 ? ——————— 1 dm3 La reacció que es produeix és: NaOH Na1 1 OH2 0,002 —

—

—

0,002 0,002

0,15 mol Ba(OH)2 0,02 dm3 ? ————————— 5 0,003 mol Ba(OH)2 1 dm3

0,2 mol HCl 0,05 dm3 ? —————— 5 0,01 mol HCl 1 dm3 0,2 mol KOH 5 0,01 mol KOH 0,05 dm3 ? —————— 1 dm3 Escrivim la reacció de neutralització que es produeix: HCl 1 KOH KCl 1 H2O mols inicials mols finals

Ba(OH)2 Ba21 1 2 OH2 0,003

—

—

—

0,003

0,006

0,2 mol NaNO3 0,05 dm3 ? ———————— 5 0,01 mol NaNO3 1 dm3

— — 0,01 0,01

Calculem els mols que tenim de HCl i NH3: 0,2 mol HCl 0,05 dm3 ? —————— 5 0,01 mol HCl 1 dm3 0,2 mol NH3 0,05 dm3 ? —————— 5 0,01 mol NH3 1 dm3 Escrivim la reacció de neutralització que es produeix: HCl 1 NH3 NH4Cl

NaNO3 Na1 1 NO2 3 0,01 —

0,01 —

Estudiem la naturalesa de la sal resultant de la reacció de neutralització. L’ió K1 és l’àcid conjugat d’una base forta (KOH) i gairebé no reacciona. L’ió Cl2 és la base conjugada d’un àcid fort (HCl) i tampoc no reacciona. Per tant, el pH de la dissolució resultant és neutre (pH 5 7).

La reacció que es produeix és:

Mols inicials Mols finals

0,01 —

b) 50 mL HCl 0,2 M amb 50 mL NH3 0,2 M.

La reacció que es produeix és:

Mols finals

pOH 5 2log [OH2] 5 2log 0,1 5 1

a) 50 mL HCl 0,2 M amb 50 mL KOH 0,2 M.

Dades: Ka (HF) 5 6,7 ? 1024

Mols inicials

0,008 mol OH2 5 ———————— 5 0,1 M 0,08 dm3

(0,002 1 0,01) mol Na1 [Na1] 5 ————————————— 5 (0,01 1 0,02 1 0,05) dm3

HCl 1 KOH KCl 1 H2O

Mols finals

(0,002 1 0,006) mol OH2 [OH2] 5 ————————————— 5 (0,01 1 0,02 1 0,05) dm3

I la concentració d’ions sodi:

HF 1 KOH KF 1 H2O

Mols inicials

Per tant, ja podem calcular la concentració d’ions hidròxid:

— 0,01

— 0,01

L’ió sodi i l’ió bari pràcticament no reaccionen perquè són l’àcid conjugat de dues bases fortes (NaOH i Ba(OH)2). L’ió nitrat és la base conjugada d’un àcid fort (HNO3) i tampoc no reacciona.

mols inicials 0,01 0,01 mols finals — —

— 0,01

Estudiem la naturalesa de la sal resultant de la reacció de neutralització: 2 NH4Cl NH1 4 1 Cl mols inicials mols finals

0,01 —

— 0,01

— 0,01

06

QUÍMICA 2

L’ió clorur és la base conjugada d’un àcid fort (HCl) i gairebé no reacciona. Però l’ió amoni és l’àcid conjugat d’una base feble i reacciona segons l’equilibri següent: CF

Ara ja podem calcular la concentració de totes les espècies en dissolució: 0,05 mol 1 0,05 mol [Na1] 5 ——————————— 5 0,1 M (0,5 1 0,5) dm3

1 NH1 4 1 H2O NH3 1 H3O c2x x x

Calculem la concentració de l’ió amoni en la solució resultant:

0,05 mol 5 0,05 M [Cl2] 5 ———————— (0,5 1 0,5) dm3

0,01 mol (0,05 1 0,05) dm

0,05 mol 5 0,05 M [OH2] 5 ———————— (0,5 1 0,5) dm3

[NH14 ] 5 ————————— 5 0,1 M 3 Com que l’enunciat ens dóna Kb de l’amoníac, hem de calcular Ka de l’ió amoni: Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 Ka 5 ——— 5 ————— 5 5,56 ? 10210 Kb 1,8 ? 1025

Per calcular la concentració d’ió hidroni apliquem l’expressió següent: [H3O1] [OH2] 5 10214 10214 10214 ——— 5 2 ? 10213 M [H3O1] 5 ——— 5 0,05 [OH2]

Escrivim l’expressió de la constant d’acidesa: x2 [NH3] [H3O1] Ka 5 ——————— 5 ———— 5 5,56 ? 10210 1 [NH4 ] 0,1 2 x x2 1 5,56 ? 10210 x 2 5,56 ? 10211 5 0 x 5 7,46 ? 1026

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 2 ? 10213 5 12,7 22. Calcula el pH de la dissolució obtinguda en mesclar en un recipient 250 cm3 d’una dissolució de NaOH 0,5 M amb 300 cm3 d’una dissolució d’àcid nítric 0,4 M. Calculem els mols d’hidròxid de sodi i àcid nítric inicials:

Finalment, podem calcular el pH: pH 5 2log [H3O1] 5 2log 7,46 ? 1026 5 5,13 Dades: Kb (NH3) 5 1,8 ? 1025 21. Hem preparat una dissolució mesclant 0,5 L de HCl(aq) 0,1 M amb 0,5 L de NaOH(aq) 0,2 M. Calcula, suposant que els volums són additius, les concentracions de totes les espècies en la solució i el pH.

0,5 mol NaOH 5 0,125 mol NaOH 0,25 dm3 ? ——————— 1 dm3 0,4 mol HNO3 0,3 dm3 ? ——————— 5 0,12 mol HNO3 1 dm3 Escrivim la reacció de neutralització: HNO3 1 NaOH NaNO3 1 H2O

Calculem els mols de HCl i NaOH: 0,1 mol HCl 5 0,05 mol HCl 0,5 dm3 ? —————— 1 dm3 0,2 mol NaOH 5 0,1 mol NaOH 0,5 dm3 ? ——————— 1 dm3 Escrivim la reacció de neutralització que es produeix:

mols inicials 0,12

0,125

—

—

mols finals

0,005

0,12

0,12

—

El nitrat de sodi és una sal neutra, ja que prové d’un àcid fort i una base forta.

L’hidròxid de sodi és una base forta i es dissocia totalment:

HCl 1 NaOH NaCl 1 H2O mols inicials mols finals

0,05 —

0,1 0,05

— 0,05

NaOH Na1 1 OH2

— 0,05

mols inicials 0,005 mols finals

L’hidròxid de sodi és una base forta i es dissocia totalment: NaOH Na1 1 OH2 mols inicials mols finals

0,05 —

— 0,05

— 0,05

El clorur de sodi es dissocia totalment segons: NaCl Na1 1 Cl2 mols inicials mols finals

0,05 —

71

— 0,05

— 0,05

—

—

—

0,005 0,005

Calculem la concentració d’ions hidròxid considerant volums additius: 0,005 mol [OH2] 5 ————————— 5 9,1 ? 1023 M (0,25 1 0,3) dm3 Finalment: pOH 5 2log [OH2] 5 2log 9,1 ? 1023 5 2,04 pH 5 14 2 pOH 5 11,96

72

06

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

23. Calcula el pH de la solució que s’obté en afegir 15 mL de NaOH(aq) 0,1 M a: a) 15 mL d’àcid clorhídric 0,1 M

mols finals

0,1 mol HCl 0,015 dm3 ? —————— 5 1,5 ? 1023 mol HCl 1 dm3 0,01 mol NaOH 5 1,5 ? 1023 mol NaOH 0,015 dm3 ? ——————— 1 dm3

mols inicials mols finals

NaOH

1

1,5 ? 1023 —

—

El benzoat de sodi és una sal de caràcter bàsic, ja que prové d’un àcid feble i una base forta.

—

L’ió benzoat reacciona segons:

1,5 ? 1023

C6H5COO2 1 H2O C6H5COOH 1 OH2 CF

0,05 2 x

Calculem els mols de HNO3:

Hem de calcular Kb, ja que l’enunciat ens dóna Ka (C6H5COOH): Ka ? Kb 5 10214

x2 [C6H5COOH] [OH2] ————— 5 1,54 ? 10210 Kb 5 ————————— 5 [CH3COO2] 0,05 2 x

Es produeix la reacció de neutralització següent: HNO3 1 NaOH

x2 1 1,54 ? 10210 x 2 7,7 ? 10212 5 0

NaNO3 1 H2O

1,5 ? 1023

—

—

5 ? 1024

1 ? 1023

1 ? 1023

El nitrat de sodi és una sal neutra, ja que prové d’un àcid fort i una base forta.

x 5 2,77 ? 1026 Finalment: pOH 5 2log [OH2] 5 2log 2,77 ? 1026 5 5,56 pH 5 14 2 pOH 5 8,44

L’hidròxid de sodi és una base forta i es dissocia totalment:

mols finals

OH2

Na1 1

5 ? 1024

—

—

—

5 ? 1024

5 ? 1024

Calculem la concentració d’ions hidròxid considerant volums additius: 5 ? 1024 mol 5 0,02 M [OH2] 5 —————————— (0,015 1 0,01) dm3 Finalment: pOH 5 2log [OH2] 5 2log 0,02 5 1,70

Dades: Ka (àcid benzoic) 5 6,5 ? 1025 24. Es mesclen volums iguals d’àcid hipoclorós 0,02 M i d’hidròxid de potassi de la mateixa concentració. Justifica si la solució que en resulta és àcida, bàsica o neutra, i calcula’n el pH. Dades: Ka (àcid hipoclorós) 5 3 ? 1028 La solució que en resulta és bàsica, ja que l’anió hipoclorit és la base conjugada d’un àcid feble.

HClO 1 KOH KClO 1 H2O

pH 5 14 2 pOH 5 12,30

L’hipoclorit de sodi es dissocia totalment segons:

c) 15 mL d’àcid benzoic 0,1 M

KClO K1 1 ClO2

Calculem els mols d’àcid benzoic: 0,1 mol C6H5COOH 5 0,015 dm3 ? ————————— 1 dm3 5

1,5 ? 1023

x

Escrivim l’expressió de la constant de basicitat:

0,1 mol HNO3 0,010 dm3 ? ——————— 5 1 ? 1023 mol HNO3 1 dm3

mols inicials

x

10214 10214 Kb 5 ——— 5 ————— 5 1,54 ? 10210 Ka 6,5 ? 1025

b) 10 mL d’àcid nítric 0,1 M

NaOH

1,5 ? 1023

1,5 ? 1023

Com que el NaCl és una sal resultant d’un àcid fort i una base forta, és una sal neutra i el pH és 7.

—

—

—

1,5 ? 1023

—

NaCl 1

NaCl Na1 1 Cl2

mols finals

—

—

H2O

El clorur de sodi es dissocia totalment segons:

mols inicials 1 ? 1023

1,5 ? 1023 1,5 ? 1023

Calculem la concentració d’ions benzoat considerant volums additius: 1,5 ? 1023 mol 5 0,05 M [C6H5COO2] 5 —————————— (0,015 1 0,015) dm3

Es produeix la reacció de neutralització següent: 1,5 ? 1023

C6H5COOH 1 NaOH C6H5COONa 1 H2O mols inicials

Calculem els mols de HCl i NaOH:

HCl

Es produeix la reacció de neutralització següent:

mol C6H5COOH

L’ió hipoclorit reacciona segons: CF

ClO2 1 H2O HClO 1 OH2 0,01 2 x x x

06

QUÍMICA 2

Hem de calcular Kb, ja que l’enunciat ens dóna Ka (HClO): Ka ? Kb 5 10214 10214 10214 Kb 5 ——— 5 ————— 5 3,33 ? 1027 Ka 3 ? 1028 Escrivim l’expressió de la constant de basicitat: [HClO] [OH2] x2 ————— 5 3,33 ? 1027 Kb 5 ——————— 5 [ClO2] 0,01 2 x x2 1

3,33 ? 1027

x2

3,33 ? 1029 5

0

x 5 5,75 ? 1025

73

b) Indica, raonadament, com seria el pH en el punt d’equivalència segons l’àcid utilitzat.

Si utilitzem l’àcid clorhídric com a agent neutralitzant, el pH de la dissolució és neutre, ja que la sal resultant és de caràcter neutre (prové d’un àcid fort i una base forta).

Si fem servir àcid fluorhídric com a neutralitzant, el pH de la dissolució és bàsic, ja que la sal resultant és de caràcter bàsic (prové d’un àcid feble i una base forta): F2 1 H2O FH 1 OH2 Dades: Ka (HF) 5 6,7 ? 1024 27. Representa la corba de valoració de 20 mL d’àcid nítric 0,17 M amb una dissolució de KOH també 0,17 M.

Finalment: pOH 5 2log [OH2] 5 2log 5,75 ? 1025 5 4,24 pH 5 14 2 pOH 5 9,76

Corba valoració HNO3/KOH pH 14 12

25. Calcula el pH de la dissolució que resulta de mesclar volums iguals de dues dissolucions, una d’àcid clorhídric 0,2 M i una altra d’àcid nítric, també 0,2 M. Ambdós àcids són forts i es dissocien totalment: HCl 1 H2O CI CF

0,2 —

Cl2 1 H3O1 — 0,2

— 0,2

10 8 6 4 2 0

1 HNO3 1 H2O NO2 3 1 H3O

CI CF

0,2 —

— 0,2

— 0,2

Calculem el nombre de mols d’ió hidroni de cada reacció: 0,2 mol H3O1 x dm3 ? ——————— 5 0,2 x mol H3O1 1 dm3 Calculem la concentració d’ions hidroni considerant volums additius: 0,4 x mol 0,4 x mol 5 ————— 5 0,2 M [H3O1] 5 —————— 2 x dm3 (x 1 x) dm3

0

5

10

15

20

25

30

35

Volum KOH (mL) 0,17 M

28. Es valoren 20 mL d’una solució d’amoníac NH3 amb una dissolució d’àcid clorhídric 0,15 M i la corba de valoració obtinguda és la que es representa en la figura 6.11.

Corba valoració NH3/HCl

pH 14 12 10 8 6 4 2

Finalment:

0

pH 5 2log [H3O1] 5 2log 0,2 5 0,7 26. Es volen neutralitzar 10 g d’hidròxid de sodi. Es disposa de dues dissolucions: una d’àcid clorhídric 0,1 M i una altra d’àcid fluorhídric 0,1 M. a) En quin cas necessitaríem més volum de dissolució àcida per a la neutralització?

0

10

20

30

40

50

Volum àcid HCl 0,15 M (mL)

a) Observa la corba de valoració i indica el pH inicial de la solució d’amoníac.

El pH inicial és d’11,32. b) Raona el pH en el punt d’equivalència.

El volum necessari per neutralitzar les dues dissolucions és el mateix, ja que l’estequiometria de les dues reaccions de neutralització és mol a mol i estan totalment desplaçades cap a productes.

En el punt d’equivalència, el pH val 5,77 —té caràcter àcid— i és el punt d’inflexió de la gràfica. En aquest punt, la reacció de neutralització és completa i, per tant, el pH és determinat per la hidròlisi de la sal:

HCl 1 NaOH NaCl 1 H2O HF 1 NaOH NaF 1 H2O

NH3 1 HCl NH4Cl 1 H2O 1 NH1 4 1 H2O NH3 1 H3O

0

06

74

14

14

9

9

7

7

2

2

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

50

Vbase (mL)

c) Calcula la concentració de la 3 dissolució d’amoníac.

4

pH

14

1 mol NH3 17 ? —————— ? ——————— 5 0,25 M 1 mol HCl 0,02 dm53 NH3

7

50

Vbase (mL)

9

9

5 2

2

29. En el laboratori disposem de dissolucions de HF, HCl, NH3 i KOH totes de la mateixa concentració. Tant el HCl com 50 menel HF es valoren amb una dissolució 0,2 M de NaOH, tre que les dissolucions de NH3 i de KOH es valoren amb HClO4.

Vbase (mL)

c) Justifiqueu el pH en el punt d’equivalència.

HF(aq) 1 NaOH(aq) H2O(l) 1 NaF(aq)

a) Escriviu les reaccions de neutralització.

La gràfica 2 correspon a la neutralització d’un àcid feble amb base forta, ja que el pH inicial és més elevat i el canvi de pH és menys brusc.

Veure l’apartat c). b) Determineu com serien les corbes de valoració del HF valorat amb NaOH i del KOH valorat amb HClO4.

2

pH

Vbase (mL)

pH

En el punt d’equivalència, s’han 14 afegit 33,33 mL de HCl 0,15 M. 0,15 mol HCl 33,33 ? 1023 dm3 HCl ? ——————— ?

1 dm3 HCl

1

50

El pH en el punt d’equivalència és bàsic.

HCl(aq) 1 NaOH(aq) H2O(l) 1 NaCl(aq) pH 14

14

La gràfica 1 correspon a la neutralització d’un àcid fort amb base forta. El pH en el punt d’equivalència neutre.

HClO4(aq) 1 NH3(aq) NH4ClO4(aq)

9

9

7

7

La gràfica 3 correspon a la neutralització d’un àcid fort amb base feble, ja que inicialment tenim pH bàsics però menors que si fos una base forta. El canvi de pH també és menys brusc.

2

2

El pH en el punt d’equivalència és àcid.

50 1 2 3

Vbase (mL)

pH pH pH 14 14 14

HClO4(aq) 1 KOH(aq) H2O(l) 1 KClO4(aq)

50

2 4

9 97

9 9 97 7 7

1. [Curs 10-11] L’acidesa del vinagre prové del contingut que té en àcid etanoic, habitualment anomenat àcid acètic, la 5 concentració del qual es pot determinar mitjançant una 2 valoració amb hidròxid de sodi.

2 50 50 50

3 4 pH pH 14 14

Vbase (mL)

Prepara la selectivitat

7

5 2 2 2 Vbase (mL)

pH pH 14 14

Vbase (mL)

La gràfica 4 correspon a la neutralització d’un àcid fort amb base forta. El pH en el punt d’equivalència és neutre.

Vbase (mL) Vbase (mL) Vbase (mL)

4

pH 14

9 9 7 7 5 5

9

2 2

2

a) Escriviu50l’equació de la reacció de valoració. Calculeu Vbase (mL) la concentració d’àcid acètic 50 (mL) en el vinagre, expressada Vbase en mol?L21, tenint en compte que en la valoració de 10,00 mL d’un vinagre comercial calen 22,50 mL d’una solució d’hidròxid de sodi 0,4120 M per arribar al punt final.

Formulació: àcid etanoic (àcid acètic): CH3COOH

7

Hidròxid de sodi: NaOH

5

Reacció de valoració: CH3COOH 1 NaOH H2O 1 CH3COO2 1 Na1 També es pot posar:

50 50

Vbase (mL) Vbase (mL)

50CH COOH 1VNaOH base (mL) H2O 1 CH3COONa 3

06

QUÍMICA 2

75

O també: NaOH de concentració coneguda

CH3COOH 1 OH2 H2O 1 CH3COO2 A partir de la reacció igualada (estequiometria 1 a 1): NaOH

V 5 22,50 mL 5 0,02250 L

(0,02250 L) ? (0,4120 mol/L) 5 0,00927 mol NaOH mol de NaOH gastats 5 5 mol inicials CH3COOH 5 0,00927 mol CH3COOH Vinagre 10 mL 5 0,010 L 0,00927 mol Concentració de CH3COOH 5 ——————— 0,010 L

vinagre i indicador

[CH3COOH] 5 0,927 mol?L21 b) Expliqueu el procediment experimental que seguiríeu al laboratori per dur a terme aquesta valoració, i indiqueu el material i els reactius que utilitzaríeu.

Material i reactius: — Bureta (de 25 mL o 50 mL), amb un peu i pinça per subjectar-la.

— Pipeta amb pera d’aspiració (pipeta de 10 mL).

— Erlenmeyer.

— Solució aquosa d’hidròxid de sodi, de concentració coneguda (0,4120 M).

— Indicador àcid-base que viri a la zona de pH bàsic (fenolftaleïna, per exemple).

— Vinagre (mostra per valorar).

Procediment: — S’omple la bureta amb la solució aquosa de NaOH, evitant que es formin bombolles d’aire a dins, i s’enrasa el volum de NaOH de la bureta (a zero o a un altre volum).

— Amb la pipeta aforada (i la pera) agafem 10 mL de vinagre i els transvasem a l’Erlenmeyer. Es pot afegir una mica d’aigua destil·lada per rentar les parets de l’Erlenmeyer.

— Afegim 2-3 gotes de l’indicador àcid-base a l’Erlenmeyer.

— Obrim la clau de la bureta i anem afegint NaOH, tot agitant contínuament l’Erlenmeyer, fins a observar un canvi de color de la solució (per exemple d’incolor a rosat, si emprem fenolftaleïna).

— Tanquem la clau de la bureta i anotem el volum consumit de NaOH.

2. [Curs 09-10] Hem realitzat al laboratori la valoració d’una solució de HCl 0,10 M amb una solució de NaOH 0,10 M, a 25 °C, i s’ha enregistrat la corba de valoració que es representa a la següent figura. pH 14 12 10 8 6 4 2 0

0

10

20

30

40

V / ml de NaOH Fig. 6.3. Corba de valoració de HCl 0,10 M amb NaOH 0,10 M.

a) Escriviu l’equació de la reacció de valoració. Deduïu de la figura, tot explicant la deducció, quin és el volum de NaOH i el pH en el punt d’equivalència. Si al laboratori es disposa dels indicadors que es relacionen a la taula, raoneu quin escolliríeu per detectar el punt final d’aquesta valoració.

Indicador

Interval de viratge (pH)

Canvi de color

Vermell de cresol

0,2 - 1,8

vermell - groc

Verd de bromocresol

3,8 - 5,4

groc - blau

Blau de bromotimol

6,0 - 7,6

groc - blau

10,1 - 12,0

groc - taronja

Groc d’alizarina R Taula 6.7. Indicadors àcid-base.

76

06

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Reacció de valoració:

HCl(aq) 1 NaOH(aq) H2O(l) 1 NaCl(aq)

HCl(aq) 1 NaOH(aq) H2O(l) 1 NaCl(aq)

El volum afegit en el punt d’equivalència és de 20 mL. El pH en el punt d’equivalència, a 25 °C, serà 7,0 (solució neutra), ja que en aquest punt els reactius han reaccionat totalment i els productes que es formen són aigua i clorur de sodi; aquest compost és una sal neutra, ja que els seus ions no reaccionen amb aigua. L’indicador escollit és el blau de bromotimol.

Dibuix aproximat de la corba de valoració: pH

punt d’equivalència

b) Justifiqueu si el volum de NaOH i el pH del punt d’equivalència canviarien si valorem la mateixa solució de HCl 0,10 M amb una solució de NaOH 0,05 M. L’estequiometria de la reacció és mol a mol. Per tant, es modificaria el volum de NaoH que afegiríem, que seria el doble, ja que la concentració hauria disminuït a la meitat. El pH en el punt d’equivalència no es modificaria, ja que es forma la mateixa sal.

Volum de NaOH (mL)

El pH del punt d’equivalència de la valoració és 7,0; en aquest punt tenim aigua i NaCl (aquesta sal és neutra, ja que els ions sodi i clorur no actuen ni d’àcid ni de base).

3. [Curs 09-10] Volem obtenir la corba de valoració de 25 mL d’una solució aquosa d’àcid clorhídric 0,500 M amb una solució aquosa d’hidròxid de sodi 0,500 M. a) Expliqueu el procediment experimental que seguiríeu al laboratori i indiqueu el material que faríeu servir per obtenir la corba de valoració.

Procediment experimental: — En un vas de precipitat hi transvasaríem quantitativament 25 mL de solució de HCl 0,500 M amb l’ajut d’una pipeta i una pera.

— En una bureta hi posaríem la solució de NaOH 0,500 M i enrasaríem a un determinat volum (per exemple zero), procurant que a la bureta no hi quedi cap bombolla d’aire.

— En el vas on hi ha el HCl hi col·locaríem un elèctrode de vidre connectat a un pHmetre (o un sensor que permeti fer una mesura proporcional al pH). Mesuraríem el pH inicial (per a un volum de NaOH igual a 0 mL).

— Afegiríem un volum determinat de NaOH (cal mesurar-lo) i anotaríem el pH de la solució. Això ho repetiríem per tenir el pH per a diferents volums de NaOH. — Es representen els valors experimentals del pH en funció del volum de NaOH i s’obté la corba de valoració.

També poden raonar que el pH és 7,0, ja que la sal que es forma (NaCl) prové d’un àcid fort (HCl) i una base forta (NaOH).

4. Les dues gràfiques següents mostren la valoració de l’àcid clorhídric amb les bases: Ca(OH)2 i KOH de la mateixa concentració: Valoració HCl 0,25 M pH 14 12 10 8 6 4 2 0

pH

b) Escriviu la reacció de valoració, feu un dibuix aproximat de la corba de valoració i assenyaleu-hi el punt d’equivalència. Raoneu quin pH tindrà la valoració en aquest punt a 25 °C.

20

25

20

25

Valoració HCl 0,25 M

10

6

— Solucions de HCl i NaOH 0,500 M

15

12

— Vas de precipitats

— Elèctrode de vidre i pHmetre o sensor per mesurar pH

10

14

8

— Bureta

5

mL base afegits

Material: — Pipeta i pera

0

4 2 0

0

5

10

15

mL base afegits Serie 1

a) Escriviu les reaccions que es produeixen.

HCl(aq) 1 NaOH(aq) H2O(l) 1 NaCl(aq) 2 HCl(aq) 1 Ca(OH)2(aq) 2 H2O(l) 1 CaCl2(aq)

QUÍMICA 2

b) Determineu quina gràfica correspon a cada base i quin és el pH en el punt d’equivalència de cadascuna.

La gràfica 1 correspon a la neutralització amb Ca(OH)2, ja que necessita la meitat de volum per neutralitzar l’àcid clorhídric.

Quimitest 1. Quina de les sals següents donarà un pH bàsic en dissolució?

d) 4,10 mol ? dm23 La resposta correcta és la a).

5. Si Kb (NH3) 5 1,8 ? 1025, quin és el pH d’una dissolució 0,7 M de NH4NO3? a) 1,9 b) 4,2 c) 4,7 d) 6,2

b) Ca(ClO4)2

La resposta correcta és la c).

d) NH4NO3 La resposta correcta és la c).

2. Quin és el pH que resulta en mesclar 20 cm3 d’una dissolució d’àcid clorhídric 0,16 M i 15 cm3 d’una dissolució d’amoníac 0,35 M? Kb (NH3) 5 1,8 ? 1025

6. L’àcid fumàric o àcid trans-butendioic, C4H4O4, es troba en alguns fongs i plantes i és emprat en la conservació d’aliments per la seva acció antimicrobiana. Si volem neutralitzar 250 mL d’una dissolució 0,14 M d’aquest àcid dipròtic, quin volum de NaOH 0,5 M es necessita? a) 12 mL b) 140 mL

a) 10,32

c) 32 mL

b) 5,35

d) 2 mL

c) 8,12

La resposta correcta és la b).

d) 9,06 La resposta correcta és la d).

3. El punt d’equivalència d’una valoració de l’àcid nitrós amb l’hidròxid de potassi està situat en:

7. Quin és el pH d’una dissolució reguladora formada per 0,3 M d’àcid acètic i 0,4 M d’acetat de potassi?

Dades: Ka 5 1,8 ? 1025 a) 3,35

a) pH bàsic.

b) 2,95

b) pH neutre.

c) 4,87

c) pH àcid.

d) 3,14

d) En ser un àcid dipròtic té dos punts d’equivalència, un àcid i l’altre bàsic.

La resposta correcta és la c).

La resposta correcta és la a).

4. Les cèl.lules del pèl de les cabres sintetitzen àcid hexanoic, que és la substància responsable de la mala olor que fan.

Si per neutralitzar 10 mL d’àcid hexanoic hem necessitat 3 cm3 de dissolució de Ca(OH)2 del 35 % en massa i de densitat 1,02 g/cm3, quina és la concentració inicial de l’àcid?

77

c) 0,72 mol ? dm23

a) NH4Br c) Na3PO4

06

8. El pH que resulta de mesclar 225 cm3 d’una dissolució d’àcid nítric 0,25 M i 150 cm3 d’una dissolució d’hidròxid de calci 0,35 M és: a) 13,11 b) 6,02 c) 3,2

a) 2,9 mol ? dm23

d) 2,42

b) 1,36 mol ? dm23

La resposta correcta és la d).

78

07

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

j Unitat 7. Equilibris iònics heterogenis Activitats 1. Hi ha maneres de separar els sulfats d’estronci i de bari, com per exemple per dissolucions selectives. Escriu la fórmula del producte de solubilitat de les dues substàncies precipitades.

SrSO4(s) Sr21(aq) 1 SO22 4 (aq)

5. En l’època del rei Alexandre el Gran eren freqüents les infeccions per microorganismes que provocaven malalties intestinals. Es va comprovar, però, que la gent que solia beure amb vasos d’argent no era tan propensa a aquestes infeccions.

Actualment sabem que la poca quantitat d’argent solubilitzada en el líquid de la copa donava lloc a una substància que els immunitzava d’aquest tipus d’infeccions. Calcula els grams d’argent que hi ha en 250 mL d’una dissolució de clorur d’argent.

Dades: Ks (AgCl) 5 1,8 ? 10210 Podem establir l’equilibri següent: AgCl(s) Ag1(aq) 1 Cl2(aq)

Ks 5 [Sr21][SO22 4 ]

C equilibri

BaSO4(s) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq)

Ks 5 [Ag1] [Cl2] 5 s ? s 5 s2 5 1,8 ? 10210

2. A una aigua calcària s’hi ha afegit fluorurs en abundància per ajudar a prevenir les càries dentals. Quina és l’expressió de la constant de solubilitat del fluorur que precipita?

Precipita el CaF2 i el seu producte de solubilitat és:

Ks 5 [Ca21] [F2]2 3. Les anomenades pedres al ronyó són sals insolubles de fosfat de calci o d’oxalat de calci que es formen en aquest òrgan. Si la solubilitat de l’oxalat de calci, Ca(C2O4), és 4,47 ? 1025 M, quin és el producte de solubilitat corresponent?

CaC2O4(s) Ca21(aq) 1 C2O22 4 (aq) s

Per a l’hidròxid d’estany, l’equilibri és: (aq)

12

OH2

(aq)

2s

Ks 5 [Sn21] [OH2]2 5 s (2 s)2 5 4 s3 2,6 ? 1028 g Sn(OH)2 1 000 cm3 1 mol Sn(OH)2 s 5 ——————————— ? ————— ? ———————— 5 1 dm3 152 g Sn(OH)2 100 cm3 5 1,71 ? 1029 mol?dm23 Substituint en l’expressió del producte de solubilitat: Ks 5

Per al fluorur de calci, l’equilibri és:

I l’expressió del producte de solubilitat és:

5

En el cas que Q . Ks, es forma precipitat. En cas contrari, la concentració dels ions no és suficient perquè es formi precipitat. Calculem la concentració d’ions fluorur i d’ions calci: 0,005 g F2 1 mol F2 [F2] 5 —————— ? ————— 5 2,63 ? 1024 M 19 g F2 1 dm3 0,002 g Ca21 1 mol Ca21 ——————— 5 4,99 ? 1025 M [Ca21] 5 ——————— ?

40,08 g Ca21 1 dm3 Calculem el valor de Q:

I l’expressió del producte de solubilitat és:

4 ? (1,71 ? 1029)3

Dades: Ks (CaF2) 5 3,7 ? 10211

Ks 5 [Ca21] [F2]2

4. L’hidròxid d’estany és molt insoluble, només se’n dissolen 2,6 ? 1028 g per cada 100 mL d’aigua. Quin és el seu producte de solubilitat?

s

6. En alguns països s’afegeixen fluorurs a les aigües com a mesura per prevenir les càries dentals. Si la concentració de fluorur en una aigua és de 0,005 g/L i l’aigua conté calç amb una proporció de 0,002 g/L, precipitarà fluorur de calci?

s

2 25 2 29 Ks 5 [Ca21] [C2O22 4 ] 5 s ? s 5 s 5 (4,47 ? 10 ) 5 2 ? 10

C equilibri

1,34 ? 1025 mol AgCl 143,5 g AgCl ——————————— ? ——————— ? 0,25 dm3 5 1 mol AgCl 1 dm3

CaF2(s) Ca21(aq) 1 2 F2(aq)

Escrivim l’equilibri de l’oxalat de calci:

Sn(OH)2(s)

210 s 5 dll 1,8 ?ll 10 ll lll ll ll ll ll ll ll ll ll ll ll 5 1,34 ? 1025 mol?dm23

5 4,8 ? 1024 g AgCl

CaF2(s) Ca21(aq) 1 2 F2(aq)

Sn21

s

Per tant:

Ks 5 [Ba21][SO22 4 ]

C equilibri

s

2 ? 10226

Q 5 [Ca21] [F2]2 5 (4,99 ? 1025) (2,63 ? 1024)2 5 3,45 ? 10212 Com que Q (3,45 ? 10212) , Ks (3,7 ? 10211) no es forma precipitat.

7. El producte de solubilitat del iodur de plom és 6,5 ? 1029. Si a la dissolució hi ha KI amb una concentració 0,1 M, quina és la solubilitat de l’ió plom?

Per al iodur de plom, l’equilibri és: PbI2(s) Pb21(aq) 1 2 I2(aq)

07

QUÍMICA 2

I l’expressió del producte de solubilitat és: Ks 5 [Pb21] [I2]2 5 6,5 ? 1029

Per tant, la concentració d’ió sulfat a partir de la qual començarà a precipitar sulfat de calci és: 1025 0,01

——— 5 1023 mol?dm23 [SO22 4 ] 5

Si sabem que [I2] 5 O,1 mol ? dm23, aleshores: 6,5 ? 1029 [Pb21] 5 ————— 5 6,5 ? 1027 mol?dm23 0,12 Pb21

8. La presència de a l’organisme és nociva per a la salut, perquè dificulta la generació d’hemoglobina. Per tal d’eliminar l’ió plom en unes aigües de consum s’hi afegeixen clorurs (es produeix PbCl2; Ks 5 1,7 ? 1025). Si hi afegim 100 mL d’una dissolució de sulfat de sodi 0,2 M, reduïm la presència de Pb21 en dissolució?

Per al sulfat de bari, l’equilibri és: BaSO4(s) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq) I l’expressió del producte de solubilitat: 210 Ks 5 [Ba21] [SO22 4 ] 5 10

Per tant, la concentració d’ió sulfat a partir de la qual començarà a precipitar sulfat de bari és: 10210 0,01

Dades: Ks (PbSO4) 5 2,3 ? 1028

——— 5 1028 mol?dm23 [SO22 4 ] 5

L’equilibri heterogeni del clorur de plom(II) és: PbCl2(s) Pb21(aq) 1 2 Cl2(aq) L’expressió de la constant d’equilibri és: kp 5 [Pb21] [Cl2]2 5 1,7 ? 1025 kp 5 s (2 s)2 5 4 s3 5 1,7 ? 1025 s5

1,62 ? 1022

mol/L

Concloem que precipitarà abans el sulfat de bari, ja que necessita menys concentració de sulfats per precipitar.

10. Si barregem FeCl3 amb una dissolució de NaOH, quin precipitat s’obtindrà? Com es pot redissoldre aquest precipitat?

S’obté hidròxid de ferro(III), Fe(OH)3.

Escrivim l’equilibri de l’hidròxid de ferro(III):

Hi afegim Na2SO4, que es dissocia totalment en: Na2SO4(aq) 2 Na1(aq) 1 SO22 4 (aq) Els ions sulfat formen un compost insoluble amb l’ió plom(II): PbSO4(s) Pb21(aq) 1 SO22 4 (aq) Si afegim 100 mL de Na2SO4 0,2 M, la concentració d’ió sulfat és: 1L 0,2 mol Na2SO4 1 mol SO22 4 100 mL Na2SO4 ? ————— ? ———————— ? ——————— 5 1 000 mL 1L 1 mol Na2SO4 5 0,02 M

79

SO22 4

Per l’efecte de l’ió comú, hauria de disminuir la concentració de l’ió plom(II). Comprovem-ho: kps 5 [Pb21] [SO22 4 ] 2,3 ? 1028 5 [Pb21] ? 0,02 [Pb21] 5 1,5 ? 1026 Com que la concentració d’ions Pb(II) que aporta el Na2SO4 és molt inferior a la solubilitat del PbCl2, no reduïm la presència de Pb21 a l’organisme: 1,5 ? 1026 ,, 1,62 ? 1022 9. Una dissolució conté 0,01 M d’ió calci i 0,01 M d’ió bari. Si s’hi afegeix progressivament sulfat de sodi, quin sulfat precipitarà abans, el de bari o el de calci?

Dades: Ks (CaSO4) 5 1,0 ? 1025; Ks (BaSO4) 5 1,0 ? 10210 Per al sulfat de calci, l’equilibri és: CaSO4(s) Ca21(aq) 1 SO22 4 (aq) I l’expressió del producte de solubilitat: 25 Ks 5 [Ca21] [SO22 4 ] 5 10

Fe(OH)3(s) 3 Fe31(aq) 1 OH2(aq) Si hi afegim una dissolució de HCl, el precipitat es redissol, perquè es forma aigua i, per tant, l’equilibri es desplaça cap a la formació de productes.

11. Per un error en un procés s’ha produït una mescla de precipitats de clorur de plom i clorur de plata. Com es poden separar?

Una possibilitat és afegir-hi amoníac, que provoca que es redissolgui el clorur de plata per la formació del complex diamminaplata(I), [Ag(NH3)2]1.

12. Quins dels precipitats següents es redissoldran en presència de medi àcid?

BaCO3

BaSO4

BiPO4

CaCO3

Be(OH)2

CaCrO4

CrCO3

ZnCO3

Mg(OH)2

Es redissolen els carbonats i els hidròxids: BaCO3, CaCO3, CrCO3, ZnCO3, Be(OH)2 i Mg(OH)2.

Activitats finals 1. El rovell que afecta els materials de ferro es pot considerar que és una barreja d’òxids que a vegades es representa amb la fórmula Fe3O4(s). Si considerem l’equilibri heterogeni: Fe3O4(s) 1 CO(g) 3 FeO(s) 1 CO2(g) com l’afectaria un augment de la pressió?

Un augment de la pressió no afecta l’equilibri, ja que no hi ha variació en el nombre de mols gasosos.

80

07

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

2. a) L’espat de fluor és el fluorur de calci, que s’utilitza a la metal.lúrgia com a fundent, és a dir, una sal que rebaixa el punt de fusió dels metalls. Aquesta sal és molt poc soluble. Escriu l’expressió del producte de solubilitat.

Ks (CaF2) 5 [Ca21] [F2]2 b) Els càlculs renals són majoritàriament de fosfat de calci.

Escriu l’expressió del producte de solubilitat.

2 Ks [Ca3(PO4)2] 5 [Ca21]3 [PO32 4 ]

3. Té sentit parlar d’una Ks 5 4 ? 1013?

No, ja que té un valor molt elevat, cosa que representa que el sòlid està molt dissociat en els ions respectius en dissolució i, per tant, és molt soluble.

4. Escriu l’expressió del producte de solubilitat del carbonat de plata i del carbonat de coure(II), i indica, després de fer els càlculs corresponents, quin dels dos productes és més soluble en aigua a 25 °C. Dades: A 25 °C, Ks (carbonat de plata) 5 6 ? 10212; Ks (carbonat de coure(II)) 5 2 ? 10210 Ks [Ag2CO3] 5 [Ag1]2 [CO22 3 ] Ks [CuCO3] 5 [Cu21] [CO22 3 ] Ag2CO3(s) 2 Ag1(aq) 1 CO22 3 (aq) 2s

s

6 ? 10212 5 4 s3 6 ? 10 ————— 5 1,14 ? 10 dllllllll 4 212

3

24

CuCO3(s) s

Cu21

(aq)

1

s

mol?dm23

x mol

2 x mol

x mol

AgCl(s) Ag1(aq) 1 Cl2(aq) y mol

y mol

y mol

Com que coneixem els mols inicials d’ions Ag1 i en l’enunciat se’ns diu que quan es forma el precipitat, no en queda, podem escriure que: 2 x 1 y 5 4 ? 1023 mol Ag1 Sabem que s’obtenen 0,6186 g de precipitat. Per estequiometria: 332 g Ag2CrO4 143,5 g AgCl x mol Ag2CrO4 ? ——————— 1 y mol AgCl ? ——————— 5 1 mol AgCl 1 mol Ag2CrO4 5 0,6186 g Plantegem el sistema d’equacions següent i el resolem: r 2 x 1 y 5 4 ? 1023 w q 332 x 1 143,5 y 5 0,6186

Finalment, trobem les concentracions inicials d’ions cromat i clorur: x 5 9,91 ? 1024 mol CrO22 4 y 5 2,02 ? 1023 mol Cl2 6. A 80 mL de dissolució 0,05 M de cromat de potassi, s’hi afegeixen 20 mL d’una dissolució 0,01 M de nitrat de plata.

Explica raonadament si precipitarà cromat de plata o no en barrejar les dues dissolucions.

Dades: A 25 °C, Ks (cromat de plata) 5 1,8 ? 10212 Calculem els mols d’ions cromat i plata:

CO22 3 (aq) s

Ks [CuCO3] 5 [Cu21] [

Ag2CrO4(s) 2 Ag1(aq) 1 CrO22 4 (aq)

s

2 3 Ks [Ag2CO3] 5 [Ag1]2 [CO22 3 ] 5 (2 s) ? s 5 4 s

s5

A continuació escrivim les dues reaccions de precipitació que es produeixen alhora:

] 5 s ? s 5 s2

CO22 3

2 ? 10210 5 s2 210 s 5 dll 2lll ?ll 10 ll ll ll ll lll ll ll 5 1,41 ? 1025 mol?dm23

El producte més soluble és el carbonat de plata, ja que la solubilitat és més gran.

5. A una dissolució que conté ions cromat i ions clorur s’hi afegeixen 40 mL d’una dissolució de nitrat de plata 0,1 M. Pràcticament tot l’ió cromat precipita en forma de cromat de plata i tot l’ió clorur precipita en forma de clorur de plata, de manera que s’obtenen 0,6186 g de precipitat i no queda ió plata en dissolució. Calcula el nombre de mols d’ió cromat i d’ió clorur de la dissolució inicial.

Calculem els mols d’ió Ag1 de la dissolució inicial: 0,1 mol Ag1 1 dm3 40 cm3 Ag1 5 ————— ? ——————— 5 4 ? 1023 mol Ag1 3 1 000 cm 1 dm3

1 dm3 0,05 mol K2CrO4 1 mol CrO22 4 ———————— ? —————— 80 cm3 K2CrO4 ? ————— ?

5 1 dm3 1 mol K2CrO4 1 000 cm3 5 4 ? 1023 mol CrO22 4 1 dm3 0,01 mol AgNO3 1 mol Ag1 —————— 5 ———————— 20 cm3 AgNO3 ? ————— ? ?

1 dm3 1 mol AgNO3 1 000 cm3 5 2 ? 1024 mol Ag1 Tot seguit calculem les concentracions respectives: 4 ? 1023 mol CrO22

1 000 cm3

(80 cm 1 20 cm )

1 dm

4 —————————— [CrO22 ? ————— 5 0,04 M 4 ] 5 3 3 3

2 ? 1024 mol Ag1 1 000 cm3 ————— 5 2 ? 1023 M [Ag1] 5 —————————— ?

1 dm3 (80 cm3 1 20 cm3) Escrivim la reacció de precipitació del cromat de plata: Ag2CrO4(s) 2 Ag1(aq) 1 CrO22 4 (aq) 212 Ks [Ag2CrO4] 5 [Ag1]2 [CrO22 4 ] 5 1,8 ? 10 23 2 27 Q 5 [Ag1]2 [CrO22 4 ] 5 (2 ? 10 ) ? 0,04 5 1,6 ? 10

07

QUÍMICA 2

9. Calcula:

Es forma precipitat, ja que Q . Ks:

a) La solubilitat de l’oxalat de coure(II) en mg?L21.

1,6 ? 1027 . 1,8 ? 10212 7. A 25 °C es prepara una dissolució saturada de iodur de plom(II) amb la dissolució de 0,172 g d’aquesta sal en aigua fins a obtenir 250 mL de dissolució. Sabent això: a) Troba el producte de solubilitat del iodur de plom a 25 °C. 1 mol PbI2 0,172 g PbI2 1 000 cm3 ——————— ? ————— ? —————— 5 3 3 1 dm 461 g PbI2 250 cm 5 1,49 ? 1023 mol?dm23 PbI2(s) Pb21(aq) 1 2 I2(aq) s

4 ? (1,49 ? 1023)3

5

1,32 ? 1028

b) Indica si la solubilitat del iodur de plom en aigua és més o menys baixa que la seva solubilitat en una dissolució de iodur de sodi. Raona la resposta.

La solubilitat del iodur de plom en aigua és més gran que en una dissolució de iodur de sodi, a causa de l’efecte de l’ió comú. c) Calcula el nombre d’ions plom(II) i d’ions iodur que hi ha en 1 cm3 d’una dissolució saturada de iodur de plom(II) a 25 °C. 1,49 ? 1023 mol PbI2 1 dm3 1 cm3 ? ————— ? —————————— ?

3 1 dm3 1 000 cm 1 mol ions Pb21 6,023 ? 1023 ions Pb21 ? ———————— ? —————————— 5 1 mol ions Pb21 1 mol PbI2 5

8,97 ? 1017

ions

Pb21

I2

2 ions 8,97 ? 1017 ions Pb21 ? ————— 5 1,79 ? 1018 ions I2 1 ió Pb21 8. A la temperatura de 25 °C, el producte de solubilitat del iodat de plom(II) és de 3,3 ? 10214. Calcula la massa de iodat de plom que es pot dissoldre en 100 L d’aigua a la mateixa temperatura.

Pb(IO3)2(s) s

Pb21

(aq)

12

IO2 3 (aq) 2s

s

2 2 3 Ks [Pb(IO3)2] 5 [Pb21] [IO2 3 ] 5 s ? (2 s) 5 4 s

3,3 ? 10214 5 4 s3 s5

s

s

s

2 Ks [CuC2O4] 5 [Cu21] [C2O22 4 ] 5 s?s 5 s

2,9 ? 1028 5 s2 28 5 1,7 ? 1024 mol?dm23 s 5 dll 2,9 ?ll 10 ll lll ll ll ll lll ll ll

1,7 ? 1024 mol CuC2O4 151,5 g CuC2O4 1 000 mg ——————————— ? ——————— ? ————— 5 1 mol CuC2O4 1g 1 dm3

b) El nombre d’ions coure(II) en 1 mL d’una dissolució saturada d’oxalat de coure(II) a 25 °C. 1 dm3 1,7 ? 1024 mol CuC2O4 —————————— 1 cm3 ? ————— ? ?

1 dm3 1 000 cm3 1 mol ions Cu21 6,023 ? 1023 ions Cu21 ? ———————— ? —————————— 5 1 mol ions Cu21 1 mol CuC2O4 5 1,024 ? 1017 ions Cu21 Dades: Ks (CuC2O4 a 25 °C) 5 2,9 ? 1028 10. Indica, després de fer els càlculs que calgui, si es pot formar un precipitat de sulfat de plom(II) en addicionar una gota (0,05 mL) d’àcid sulfúric 0,1 M a 1 L d’una dissolució que conté 1 mg d’ions plom(II).

Dades: Ks (PbSO4 a 25 °C) 5 2,25 ? 1028 PbSO4(s) Pb21(aq) 1 SO22 4 (aq) 28 Ks [PbSO4] 5 [Pb21] [SO22 4 ] 5 2,25 ? 10

1 dm3 0,1 mol H2SO4 0,05 cm3 H2SO4 ? ————— ? ———————— 5 3 1 dm3 1 000 cm 5 5 ? 1026 mol H2SO4 Si no considerem el volum de la gota d’àcid sulfúric: 26 mol?dm23 [SO22 4 ] 5 5 ? 10

Calculem la concentració d’ions plom(II) en la dissolució: 1 mg Pb21 1g 1 mol Pb21 —————— ? ————— ? ——————— 5 1 dm3 1 000 mg 207,2 g Pb21 5 4,83 ? 1026 mol?dm23

3,3 ? 10 ————— 5 2,02 ? 10 dllllllll 4 3

CuC2O4(s) Cu21(aq) 1 C2O22 4 (aq)

5 25,76 mg?dm23

2s

s

Ks [PbI2] 5 [Pb21] [I2]2 5 s ? (2 s)2 5 4 s3 5 5

81

214

25

mol?dm23

2,02 ? 1025 mol Pb (IO3)2 557,2 g Pb (IO3)2 100 dm3 ? ———————————— ? ———————— 5 1 mol Pb (IO3)2 1 dm3 5 1,126 g Pb (IO3)2

[Pb21] 5 4,83 ? 1026 mol?dm23 26 ? 5 ? 1026 5 2,415 ? 10211 Q 5 [Pb21] [SO22 4 ] 5 4,83 ? 10

No es forma precipitat, ja que Q , Ks: 2,415 ? 10211 , 2,25 ? 1028

82

07

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

11. Calcula la massa de clorur de coure(I) que precipita en afegir 0,2 mol de clorur de sodi a 0,5 L de dissolució saturada de clorur de coure(I). Escriu les equacions que calgui.

Dades: Ks (CuCl a 25 °C) 5 1,1 ? 1026

2 3 2 5 Ks [Ca3(PO4)2] 5 [Ca21]3 [PO32 4 ] 5 (3 s) ? (2 s) 5 108 s

1,3 ? 10232 5 108 s5 s5

Calculem la solubilitat del clorur de coure(I): CuCl(s) Cu1(aq) 1 Cl2(aq) s

s

s

Ks [CuCl] 5 [Cu1] [Cl2] 5 s ? s 5 s2 1,1 ? 1026

5

s2

26 5 1,05 ? 1023 mol?dm23 s 5 dll 1,1 ?ll 10 ll lll ll ll ll lll ll ll

Calculem el nombre de mols d’ió clorur que hi ha en la dissolució saturada de CuCl: 1,05 ? 1023 mol Cl2 —————————— ? 0,5 dm3 5 5,25 ? 1024 mol Cl2 1 dm3 El clorur de sodi es dissol completament segons l’equació: NaCl(s) Na1(aq) 1 Cl2(aq) Per tant, el nombre de mols d’ió clorur que provenen del clorur de sodi és de 0,2 mol.

(5,25 ? 1024 1 0,2) mol Cl2 5 ————————————— 5 0,4 M 0,5 dm3

232

5

27

mol?dm23

Finalment, calculem la concentració de calci: [Ca21] 5 3 ? 1,64 ? 1027 5 4,93 ? 1027 M b) Si la concentració de l’ió fosfat a l’orina del pacient augmenta a causa d’un fosfat soluble, què passarà amb la concentració de l’ió calci?

La concentració de l’ió calci disminueix, ja que reacciona amb l’excés d’ió fosfat per tal de mantenir el valor del producte de solubilitat. És l’efecte de l’ió comú.

Dades: Ks (Ca3(PO4)2) 5 1,3 ? 10232 13. Indica, raonant-ho i després de fer els càlculs que calgui, si s’obtindrà precipitat d’hidròxid de crom(III) en afegir 1,52 g de clorur de crom(III) a 1 L d’aigua a 25 °C. Dades: [OH2] 5 1027 M; Ks (Cr(OH)3) 5 10238 Escrivim l’equilibri corresponent: Cr(OH)3(s) Cr31(aq) 1 3 OH2(aq)

Així, doncs, la concentració total d’ió clorur en dissolució és: [Cl2]

1,3 ? 10 ————— 5 1,64 ? 10 dllllllll 108

Ks [Cr(OH)3] 5 [Cr31] [OH2]3 5 10238 Calculem la concentració d’ions crom(III):

A partir del producte de solubilitat, calculem la quantitat d’ió coure(I) que queda en dissolució:

1,52 g CrCl3 1 mol CrCl3 1 mol Cr31 ——————— —————— 5 [Cr31] 5 ——————— ? ?

158,5 g CrCl3 1 mol CrCl3 1 dm3

Ks [CuCl] 5 [Cu1] [Cl2]

5 9,6 ? 1023 mol?dm23

1,1 ? 1026 5 [Cu1] ? 0,4

Q 5 [Cr31] [OH2]3 5 9,6 ? 1023 ? (1027)3 5 9,6 ? 10224

[Cu1]

5

2,75 ? 1026

M

Es forma precipitat, ja que Q . Ks:

Per tant:

9,6 ? 10224 . 10238 [Cu1]precipitat 5 [Cu1]inicial 2 [Cu1] final

[Cu1]precipitat 5 1,05 ? 1023 2 2,75 ? 1026 5 1,04725 ? 1023 M Finalment, per estequiometria, calculem la massa de clorur de coure(I) que ha precipitat: 1,04725 ? 1023 mol Cu1 1 mol CuCl 99 g CuCl ———————————— ? —————— ? —————— ? 0,5 dm3 5 1 mol Cu1 1 mol CuCl 1 dm3

14. A 25 °C, es dissolen 0,010 g de fluorur de calci en aigua i s’obtenen 600 mL d’una dissolució saturada d’aquesta sal. a) Calcula el producte de solubilitat del fluorur de calci a la mateixa temperatura.

Escrivim l’equilibri heterogeni del CaF2: CaF2(s) Ca21(aq) 1 2 F2(aq)

5 0,052 g CuCl

s

12. Una de les maneres de detectar la presència de càlculs renals és analitzar l’orina del pacient. Si els càlculs consisteixen exclusivament en cristalls incrustats al ronyó, es tracta de fosfat de calci. a) Quina concentració d’ió calci revela la presència de càlculs?

s

3s

2s

2s

Ks [CaF2] 5 [Ca21] [F2]2 5 s ? (2 s)2 5 4 s3 Calculem la solubilitat del CaF2: 0,010 g CaF2 1 000 cm3 1 mol CaF2 s 5 ——————— ? ————— ? —————— 5 1 dm3 78 g CaF2 600 cm3

Calculem la solubilitat del fosfat de calci: Ca3(PO4)2(s) 3 Ca21(aq) 1 2 PO32 4 (aq)

s

5 2,14 ? 1024 mol?dm23 Finalment: Ks 5 4 s3 5 4 (2,14 ? 1024)3 5 3,9 ? 10211

07

QUÍMICA 2

b) La solubilitat del fluorur de calci és més gran, igual o més petita que la solubilitat d’aquesta sal en una dissolució aquosa de fluorur de sodi? Raona-ho.

La solubilitat del fluorur de calci en aigua és més gran que en una dissolució de fluorur de sodi a causa de l’efecte de l’ió comú.

15. Un precipitat de carbonat de plata està en equilibri amb una dissolució aquosa saturada d’aquesta sal. Explica els fenòmens que tenen lloc quan s’hi afegeix: a) Amoníac La reacció que es produeix és:

Si considerem que la densitat de la dissolució és d’1 kg?dm23: 64,85 dm3 5 64,85 kg 5 64 850 g massa dissolució 5 massa solut 1 massa aigua 64 850 g dissolució 5 0,583 g Mg(OH)2 1 g aigua massa aigua 5 64 849,417 g H2O 17. Una dissolució aquosa conté a 25 °C ions bromur, carbonat i fosfat en concentracions d’1 ? 1023, de 3 ? 1023 i de 5 ? 1024 M, respectivament. En afegir-hi, gota a gota i agitant la mescla, una dissolució molt diluïda de nitrat de plata, quina sal de plata precipitarà en primer lloc? Raona la resposta després de fer els càlculs necessaris.

Dades: Ks (AgBr) 5 8 ? 10213; Ks (Ag2CO3) 5 6 ? 10212; Ks (Ag3PO4) 5 2 ? 10218

Ag2CO3(s) 2 Ag1(aq) 1 CO22 3 (aq) L’amoníac forma un complex soluble amb l’ió Ag1, l’ió diamminaplata(I) [Ag(NH3)2]1; per tant, el precipitat es dissol.

Escrivim tots els equilibris heterogenis i calculem la concentració d’ió plata en cada cas: AgBr(s) Ag1(aq) 1 Br2(aq)

b) Nitrat de plata

Ks [AgBr] 5 [Ag1] [Br2]

En afegir-hi nitrat de plata, augmenta la concentració de l’ió Ag1; per tant, per efecte de l’ió comú, disminueix la solubilitat.

8 ? 10213 5 [Ag1] ? 1 ? 1023 [Ag1] 5 8 ? 10210 M

c) Àcid nítric

Ag2CO3(s) 2 Ag1(aq) 1 CO22 3 (aq)

En afegir-hi àcid nítric, aportem protons al medi, que reaccionen amb l’anió carbonat per formar l’anió hidrogencarbonat; per tant, la solubilitat augmenta i es dissol precipitat.

Ks [Ag2CO3] 5 [Ag1]2 [CO22 3 ] 6 ? 10212 5 [Ag1]2 ? 3 ? 1023 [Ag1] 5 4,47 ? 1025 M

16. L’hidròxid de magnesi és poc soluble en aigua a 25 °C. Indica la massa mínima d’aigua necessària per dissoldre 0,583 g d’hidròxid de magnesi.

Dades: Ks (Mg(OH)2 a 25 °C) 5

[Mg21] [OH2]2

5

s ? (2 s)2

3

211

24

Precipita en primer lloc el bromur de plata, ja que:

, [Ag1]Ag2CO3 (4,47 ? 1025 M) 5

4 s3

1,5 ? 10211 5 4 s3 1,5 ? 10 ————— 5 1,55 ? 10 dllllllll 4

[Ag1] 5 1,59 ? 1025 M

[Ag1]AgBr (8 ? 10210 M) , [Ag1]Ag3PO4 (1,59 ? 1025 M) ,

2s

s

Ks [Mg(OH)2] 5

Ks [Ag3PO4] 5 [Ag1]3 [PO32 4 ] 2 ? 10218 5 [Ag1]3 ? 5 ? 1024

Mg(OH)2(s) Mg21(aq) 1 2 OH2(aq) s

Ag3PO4(s) 3 Ag1(aq) 1 PO32 4 (aq)

1,5 ? 10211

Escrivim l’equilibri heterogeni de l’hidròxid de magnesi i en calculem la solubilitat a 25 °C:

s5

83

mol?dm23

18. Se saturen 500 mL d’aigua amb hidròxid de magnesi.

Calcula el pH de la dissolució resultant, sabent que Ks (Mg(OH)2) 5 1,5 ? 10211. No tinguis en compte l’autodissociació de l’aigua.

Calculem la concentració d’ions hidròxid:

58 g Mg(OH)2 1,55 ? 1024 mol Mg(OH)2 ———————————— ? ——————— 5 1 mol Mg(OH)2 1 dm3

Mg(OH)2(s) Mg21(aq) 1 2 OH2(aq)

5 8,99 ? 1023 g Mg(OH)2

Ks [Mg(OH)2] 5 [Mg21] [OH2]2 5 s ? (2 s)2 5 4 s3

1 dm3 dissolució 5 0,583 g Mg(OH)2 ? ——————————— 8,99 ? 1023 g Mg(OH)2

1,5 ? 10211 5 4 s3

5 64,85

dm3

dissolució

s

s5

2s

s

1,5 ? 10 ————— 5 1,55 ? 10 dllllllll 4 3

211

24

mol?dm23

84

07

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

[OH2] 5 2 s 5 3,1 ? 1024 mol?dm23

2 ? 10212 5 [Ag1]2 ? 0,1

pOH 5 2log [OH2] 5 3,51

[Ag1] 5 4,47 ? 1026 mol?dm23

pH 5 14 2 pOH 5 10,49 19. La solubilitat de Be(OH)2 és de 8 ? 1027 M.

AgCl(s) Ag1(aq) 1 Cl2(aq) Ks (AgCl) 5 [Ag1] [Cl2] 5 1,8 ? 10210

a) Quin pH ha de tenir una dissolució de nitrat de beril.li (sal soluble) de concentració 2 ? 1026 M perquè comenci la precipitació de l’hidròxid?

Be(OH)2(s) Be21(aq) 1 2 OH2(aq) s

s

2s

Ks [Be(OH)2] 5 [Be21] [OH2]2 5 s ? (2 s)2 5 4 s3 Ks 5 4 s3 5 4 (8 ? 1027)3 5 2,048 ? 10218 2,048 ? 10218 [OH2]

5

2 ? 1026 ? [OH2]2

1,8 ? 10210 5 [Ag1] ? 0,05 [Ag1] 5 3,6 ? 1029 mol?dm23 El clorur de plata precipita primer, ja que [Ag1] que necessita per precipitar és més petita que la del cromat de plata. b) Calcula la concentració de l’anió de la sal més insoluble en començar a precipitar la sal que precipita en segon lloc.

Quan comença a precipitar el cromat de plata, la concentració de l’ió comú és: [Ag1] 5 4,47 ? 1026 mol?dm23

5 1,01 ? 1026 mol?dm23

pOH 5 2log [OH2] 5 6 pH 5 14 2 pOH 5 8 b) Quina és la concentració d’ions Be21 en dissolució, si tenim un pH 5 10? pOH 5 4

A partir de la constant del producte de solubilitat de la sal que precipita en primer lloc, AgCl, calculem la concentració de l’anió corresponent: Ks [AgCl] 5 [Ag1] [Cl2] 5 1,8 ? 10210 1,8 ? 10210 5 4,47 ? 1026 [Cl2] [Cl2] 5 4 ? 1025 mol?dm23

[OH2] 5 1024 mol?dm23 Ks [Be(OH)2] 5 [Be21] [OH2]2 2,048 ? 10218 5 [Be21] (1024)2 [Be21] 5 2,048 ? 10210 M 20. Sabent que un dels components principals del marbre és el carbonat de calci, CaCO3, explica mitjançant equilibris heterogenis per què el marbre és atacat per l’àcid cítric (àcid de les llimones, taronges, etc.).

L’equilibri heterogeni del carbonat de calci és: CaCO3(s) Ca21(aq) 1 CO22 3 (aq) 1 L’ió CO22 3 reacciona amb els protons H que aporten els àcids i 2 forma l’anió hidrogencarbonat, HCO3 : 1 HCO2 CO22 3 (aq) 1 H 3

CO22 3 ,

Com que disminueix la concentració de l’ió l’equilibri es desplaça cap a la dreta i es dissol el carbonat de calci.

21. Tenim una dissolució aquosa de cromat de potassi i de clorur de sodi de concentracions 0,1 M i 0,05 M, respectivament, i hi addicionem una dissolució de nitrat de plata.

Suposa que el volum no varia. a) Determina, per mitjà dels càlculs pertinents, quina de les dues sals de plata precipitarà en primer lloc.

Dades: Ks (cromat de plata) 5 2 ? 10212; Ks (clorur de plata) 5 1,8 ? 10210 22. Una de les aplicacions més interessants de les reaccions de precipitació és la separació selectiva dels cations metàl.lics continguts en dissolucions aquoses.

Una aigua residual conté 0,01 M d’ió plom(II) i 0,02 M d’ió bari(II). Per tal de precipitar selectivament aquests cations metàl.lics, s’hi addiciona gradualment cromat de sodi.

Quin catió precipitarà primer i quin percentatge restarà en dissolució quan comenci a precipitar el segon?

Dades: Ks (cromat de bari) 5 7,9 ? 10210; Ks (cromat de plom(II)) 5 1,3 ? 10213 a) Pb(II) , 0,1 %

b) Pb(II) , 1 %

c) Pb(II) , 10 %

d) Ba(II) , 0,1 %

e) Ba(II) , 1 %

f ) Ba(II) , 10 %

Escrivim les dues equacions de dissociació i, per mitjà de la constant del producte de solubilitat, calculem la concentració d’ió CrO22 4 a partir de la qual començarà a precipitar cada sal: BaCrO4(s) Ba21(aq) 1 CrO22 4 (aq) 210 Ks [BaCrO4] 5 [Ba21] [CrO22 4 ] 5 7,9 ? 10 210 0,02 [CrO22 4 ] 5 7,9 ? 10

Escrivim les dues equacions de dissociació i, per mitjà de la constant del producte de solubilitat, calculem la concentració d’ió Ag1 a partir de la qual començarà a precipitar cada sal:

28 mol?dm23 [CrO22 4 ] 5 3,95 ? 10

Ag2CrO4(s) 2 Ag1(aq) 1 CrO22 4 (aq)

PbCrO4(s) Pb21(aq) 1 CrO22 4 (aq)

212 Ks (Ag2CrO4) 5 [Ag1]2 [CrO22 4 ] 5 2 ? 10

213 Ks [PbCrO4] 5 [Pb21] [CrO22 4 ] 5 1,3 ? 10

07

QUÍMICA 2

213 0,01 [CrO22 4 ] 5 1,3 ? 10

[

Calculem els mols d’ió plata:

] 5 1,3 ? 10211 mol?dm23

CrO22 4

El cromat de plom precipita primer, ja que [CrO22 4 ] que necessita per precipitar és més petita que la del cromat de bari.

Quan comença a precipitar la segona sal, el cromat de bari, la concentració d’ió cromat és [CrO422] 5 3,95 ? 1028 mol?dm23 i, mitjançant la constant del producte de solubilitat de la sal més insoluble, calculem la concentració de l’ió plom(II):

1023 mol AgNO3 1 mol Ag1 0,025 dm3 ? ———————— ? ——————— 5 3 1 mol AgNO3 1 dm 5 2,5 ? 1025 mol Ag1 I els mols d’ió carbonat: 1023 mol Na2CO3 1 mol CO22 3 0,075 dm3 ? ———————— ? ——————— 5 3 1 mol Na2CO3 1 dm

213 Ks [PbCrO4] 5 [Pb21] [CrO22 4 ] 5 1,3 ? 10

1,3 ? 10213 5 3,95 ? 1028 [Pb21] [Pb21] 5 3,3 ? 1026 mol?dm23 El percentatge respecte de la concentració d’ió plom(II) inicial és: 3,3 ? 1026 mol?dm23 ——————————— ? 100 5 0,033 % 0,01 mol?dm23 Per tant, la resposta correcta és la a).

Tot seguit calculem les concentracions: 2,5 ? 1025 mol 5 2,5 ? 1024 mol?dm23 [Ag1] 5 ——————————— (0,025 1 0,075) dm3 7,5 ? 1025 mol (0,025 1 0,075) dm

——————————— 5 7,5 ? 1024 mol?dm23 [CO22 3 ] 5 3

Ag2CO3(s) 2 Ag1(aq) 1 CO22 3 (aq) 212 Ks (Ag2CO3) 5 [Ag1]2 [CO22 3 ] 5 6,2 ? 10

Q 5 7,5 ? 1024 (2,5 ? 1024)2 5 4,6875 ? 10211 Apareix precipitat de carbonat de plata, ja que Q . Ks: 4,6875 ? 10211 . 6,2 ? 10212

a) 18,8 g

b) 0,0084 g

c) 0,447 g

d) 125 g

e) 17,6 g

f) cap de les anteriors

Calculem la concentració d’ió Ca21 en mol?dm23: 20 mg Ca21 1g 1 mol Ca21 ——————— ? ————— ? —————— 5 5 ? 1024 mol?dm23 1 dm3 1 000 mg 40 g Ca21 Calculem la concentració d’ió fluorur mínima perquè precipiti el fluorur de calci: CaF2(s) Ca21(aq) 1 2 F2(aq) Ks [CaF2] 5 [Ca21] [F2]2 5 1 ? 10210 1 ? 10210 5 5 ? 1024 [F2]2 [F2] 5 4,47 ? 1024 mol?dm23 Calculem la concentració de fluorur de sodi en g/m3: 4,47 ? 1024 mol F2 1 mol NaF 42 g Na 1 000 dm3 ————————— ? ————— ? —————— ? ————— 5 3 2 1 mol F 1 mol NaF 1 m3 1 dm 5 18,774 g NaF La resposta correcta és la a).

24. Justifica si apareixerà precipitat en mesclar 25 mL de dissolució de nitrat de plata, de concentració 1,0 ? 1023 M, amb 75 mL de dissolució de carbonat de sodi, de concentració 1,0 ? 1023 M, a 25 °C. Suposa que els volums són additius.

Dades: Ks (carbonat de plata):

5 7,5 ? 1025 mol CO22 3

Escrivim l’equilibri heterogeni del carbonat de plata:

23. Alguns països fluoren l’aigua potable per prevenir la càries dental. Si en una planta potabilitzadora es volgués fluorar una aigua que conté 20 mg/L de Ca21, quants grams de fluorur de sodi per metre cúbic, com a màxim, s’hi haurien d’afegir si no volem que es formi un precipitat? El producte de solubilitat del CaF2 és 1 ? 10210.

6,2 ? 10212

85

a 25 °C

25. Raona si el Fe(OH)3 és més o menys soluble en una dissolució de sulfat de ferro(III), Fe2(SO4)3, que en aigua destil.lada.

El Fe(OH)3 és més soluble en aigua que en una dissolució de sulfat de ferro(III), Fe2(SO4)3, a causa de l’efecte de l’ió comú.

26. Les aigües minerals sovint contenen ions provinents de sals que s’han anat dissolent en el seu camí. Un d’aquests ions és el sulfat, que es pot posar de manifest afegint a una quantitat determinada d’aigua un excés de solució de clorur de bari que se separa i es pesa. a) Explica detalladament el procediment experimental que seguiries al laboratori per separar el sulfat de bari i determinar la quantitat d’ions sulfat de l’aigua (material, passos que cal seguir, dades que cal recollir, etc.).

Cal afegir una sal de bari soluble en aigua (com el clorur de bari), de manera que precipitin els ions sulfat en forma de BaSO4 insoluble, que es pot separar de la resta de la dissolució per filtració. Posteriorment, recollirem el residu i el deixarem assecar per poder determinar-ne la quantitat. b) Quins càlculs faries per conèixer la concentració d’ions sulfat a l’aigua a partir de la massa de sulfat de bari separat? Considera coneguda la massa molecular del sulfat de bari (M).

Farem els càlculs següents: x g BaSO4

1 mol BaSO4

1 mol SO22

x

V

M g BaSO4

1 mol BaSO4

V?M

4 ————— ? —————— ? —————— [SO22 ? ——— 4 ]5

07

86

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

27. Per retenir gasos s’utilitza un aparell anomenat trampa.

Consisteix en un recipient amb el qual es fa bombollejar el gas en qüestió sobre una solució que conté un reactiu que el reté. Aquest és el cas d’una trampa d’hidròxid de calci, que és capaç de retenir diòxid de carboni, ja que s’hi produeix la reacció següent: Ca(OH)2(aq) 1 CO2(g) CaCO3(s) 1 H2O(l) Si la solubilitat del Ca(OH)2 a 25 °C és de 0,18 g/L, quants litres de CO2 a 25 °C i 1 atm es poden recollir amb una trampa de 25 L de solució inicialment saturada de Ca(OH)2? a) 15

b) 12

c) 2,7

d) 1,5

e) 0,061

0,18 g Ca(OH)2 1 mol Ca(OH)2 1 mol CO2 25 L ? ————————— ? ———————— ? ———————— 5 1L 74 g Ca(OH)2 1 mol Ca(OH)2 5 0,0608 mol CO2

a) PbCl2 b) CaF2 c) Mg(OH)2 d) AgCl e) CaCO3 f) CuBr Els precipitats dels apartats c) i e). c) Els ions hidròxid, OH2, quan es posen en contacte amb substàncies àcides, reaccionen per formar aigua. La conseqüència és que la seva concentració disminueix i l’equilibri es desplaça cap a la dissolució de precipitat i així es compensa la disminució d’un dels ions. e) L’ió carbonat en dissolució en presència d’àcids forma l’hidrogen carbonat de calci, que és una substància força soluble.

pV 5 nRT 0,0608 mol ? 0,082 atm?L/(K?mol) ? 298 K V 5 ————————————————————— 1 atm V 5 1,486 L

CaCO3(s) 1 H1 Ca(HCO3)2 31. La sal de carbonat d’estronci serà més soluble en dissolució d’àcid nítric o en aigua destil.lada?

En àcid nítric. Els carbonats, en presència de substàncies àcides, se solubilitzen.

La resposta correcta és la d.

28. Per a l’estudi de l’eliminació de les càries de la població volem saber la solubilitat del fluorur de calci, ja que és possible tenir problemes de precipitació del fluorur en afegir-la a l’aigua. Expressa la solubilitat en gram per litre.

Dades: Ks (fluorur de calci) 5 3,7 ? 10211; masses atòmiques: F 5 19 g/mol i Ca 5 40,08 g/mol Podem establir l’equilibri següent amb les concentracions corresponents: CaF2(s) Ca21(aq) 1 2 F2(aq) 2s

s

Ks 5 [Ca21] [F2]2 5 s (2 s)2 5 4 s3 3,7 ? 10211 5 4 s3 s5

30. Quins dels precipitats que apareixen a la llista es podrien dissoldre en medi àcid? Raona-ho.

2,1 ? 1024

mol?dm23

2,1 ? 1024 mol 78,08 g ———————— ? ——————— 5 0,0164 g?dm23 1 dm3 1 mol Ca F2 29. Habitualment els hospitals fan demandes de sang a la població per tenir suficient estoc de cara, sobretot, a possibles accidents. A l’etiqueta dels recipients on s’emmagatzema la sang indica que hi ha oxalat de sodi. A què es deu la presència d’aquest component?

La funció d’aquest compost és mantenir la sang extreta sense que coaguli, per poder fer la transfusió en el moment adequat.

L’oxalat de sodi és un compost capaç de captar els ions calci, i així s’evita que aquests ions facin coagular la sang.

2 1 CO22 3 (aq) 1 H (aq) HCO3 (aq)

32. Explica com resoldries de manera eficient els problemes que causen els processos de precipitació següents en algunes empreses. a) En unes clavegueres s’ha incrustat carbonat de calci.

L’ió carbonat en dissolució en presència d’àcids forma l’hidrogen carbonat de calci, que és una substància força soluble.

CaCO3(s) 1 H1 Ca(HCO3)2 b) Una quantitat d’argent utilitzada com a catalitzador ha precipitat en forma de AgCl. L’ió argent, quan reacciona amb l’ió clorur, forma una sal insoluble, el AgCl. Si hi afegim amoníac, reacciona amb l’ió Ag1 que hi ha en dissolució, i es forma l’ió complex soluble: Ag1(aq) 1 2 NH3(aq) [Ag(NH3)2]1(aq) Aleshores, la concentració d’ions Ag1 disminueix, ja que ara el trobem en forma de complex, amb la qual cosa, per mantenir el valor de la constant Ks , s’ha d’incrementar la concentració dels ions Ag1 i Cl2 mitjançant la redissolució del precipitat AgCl. És a dir, a mesura que es forma ió argent, es va formant el complex, de manera que el precipitat es va dissolent mentre hi hagi amoníac a la dissolució. c) Ha precipitat ZnS i això dificulta que l’ió Zn pugui actuar en algunes reaccions per a les quals és imprescindible.

07

QUÍMICA 2

Si tenim ZnS (sal insoluble) i hi afegim una dissolució de Pb(NO3)2, es forma PbS i, per tant, disminueix la concentració de l’ió S22 i l’equilibri es desplaçarà dissolent més ZnS. Això farà que quedi lliure Zn21.

33. L’hidròxid de magnesi s’utilitza en farmacologia per tractar problemes de restrenyiment. Precipitarà aquest compost en presència d’una dissolució 0,02 M de clorur de magnesi i 0,10 M d’acetat de sodi?

Dades: Kps (Mg(OH)2) 5 1,8 ? 10211; Ka (CH3COOH) 5 1,8 ? 1025 Primer cal calcular la concentració d’hidròxid de magnesi: CH3COO2(aq) 1 H2O(l) CH3COOH(aq) 1 OH2(aq) CI CR CF

O,1 M x O,1 2 x M

— x x

— x x

En el cas que Q sigui més gran que Ks, es forma precipitat.

Així, doncs, un mol de nitrat de plom(II) aporta un mol d’ions Pb21.

200 mL nitrat de plom(II) ? 1,0 ? 1023 ————————————————— ?

1 000 mL nitrat de plom(II) 1 mol Pb21 ? ——————————— 5 2 ? 1024 mols Pb21 1 mol nitrat de plom(II) D’altra banda, la concentració d’ions clorur és la concentració de la dissolució d’àcid clorhídric, perquè està totalment dissociat: pH 5 3

[Cl2] 5 1023 M

200 mL ? 1023 En 200 mL: ——————— 5 2 ? 1024 mols Cl2 1 000 mL

2 ? 1024 mols M 5 ——————— 5 5 ? 1024 M 0,4 litres

x 5 7,45 ? 1026 M

[Pb21] 5 5 ? 1024 M

Q 5 [Mg21] [OH2]2 5 0,02 ? (7,45 ? 1026)2 5 1,11 ? 10212 Es més petit que Kps (Mg(OH)2) 5 cipita.

[H1] 5 1023 M

Si es consideren els volums aditius, 200 ml 1 200 ml (0,4 litres), teniu en els dos casos la mateixa concentració:

1 ? 10214 x2 —————— 5 ————— 25 1,8 ? 10 0,1 2 x

1,8 ? 10211;

87

per tant, no pre-

[Cl2] 5 5 ? 1024 M Substituint els valors a Q: Q 5 [Pb21] [Cl2]2

Prepara la selectivitat

Q 5 (5 ? 1024) ? (5 ? 1024)2 5 1,3 ? 10210

1. [Curs 09-10] La contaminació de l’aigua per plom s’origina per les seves sals solubles en aigua, que són generades per les indústries que utilitzen sals de plom. Si el producte de solubilitat del clorur de plom(II) és 1,6 ? 1025, a 298 K: a) Determineu la solubilitat del clorur de plom(II) a 298 K, expressada en mol ? L21.

PbCl2(s) Pb21(aq) 1 2 Cl2(aq) Concentració en equilibri

s

2s

Ks 5 [Pb21] [Cl2]2 5 s (2 s)2 5 4 s3 s5 Si Ks 5

1,6 ? 1025.

Ks —— 4

Teniu que la s 5

2. [Curs 10-11] L’hidròxid de magnesi, Mg(OH)2, és una substància que es fa servir en petites quantitats com a antiàcid i també com a laxant.

Dades: Producte de solubilitat de l’hidròxid de magnesi a 25 °C: Kps 5 1,2 ? 10211.

Masses atòmiques relatives: Mg 5 24,3; O 5 16,0; H 5 1,0. a) Calculeu-ne la solubilitat en aigua a 25 °C, i expresseu-la en mg?L21.

fvvvv 3

En la dissolució final, doncs, no hi hauria excés d’ions clorur i plom(II). Per tant, com que Q és inferior al producte de solubilitat, no precipitarà.

L’equilibri que té lloc és 7,37 ? 1023

mol?L21

b) Es barregen, a 298 K, 200 mL d'una solució 1,0 ? 1023 M de Pb(NO3)2 i 200 mL d’una solució de HCl de pH 5 3.

Suposant que els volums són additius, raoneu si precipitarà clorur de plom(II).

Mg(OH)2(s) Mg21(aq) 1 2 OH2(aq) Inicial

a

Equilibri

Kps 5

Ks 5

[Pb21] [Cl2]2

Q 5 [Pb21] [Cl2]2

s

2s

[Mg21] [OH2]2

Kps 5 (s) ? (2 s)2 5 4 s3

Per al clorur de plom(II), l’equilibri és: PbCl2(s) Pb21(aq) 1 2 Cl2(aq)

a2s

1 ––– 3

1 2 1

Kps s 5 —— 4

1,2 ? 10211 5 —————— 4

1 ––– 3

2

5 1,44 ? 1024 mol?L21

Massa molecular de l’hidròxid de magnesi 5 58,3 g/mol

88

07

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

1,44 ? 1024 mol Mg(OH)2 s 5 ———————————— ?

L 58,3 g Mg(OH)2 1 000 mg Mg(OH)2 ? ———————— ? ————————— 1 mol Mg(OH)2 1 g Mg(OH)2 Solubilitat del Mg(OH)2 5 8,4 mg?L21 b) Sense canviar la temperatura, expliqueu raonadament com variarà la solubilitat de l’hidròxid de magnesi si, en comptes de dissoldre’l en aigua, el dissolem en una solució de nitrat de magnesi. I si el dissolem en una solució d’àcid clorhídric?

Formulació: Mg(NO3)2

s 5 2,1 ? 1024 mol/L 78,08 g 1 000 mg 2,1 ? 1024 mol/L ? ————— ? ————— 5 16,40 mg/L 1 mol 1g Per al fluorur de calci(II), l’equilibri és: CaF2(s) Ca21(aq) 1 2 F2(aq) Ks 5 [Ca21] [F2]2 1g 1 mol [Ca21] 5 86,9 mg/litre ? ————— ? ———— 5 1 000 mg 40,08 g 5 2,168 ? 1023 M 3,7 ? 10211 5 2,168 ? 1023 [F2]2

HCl Si es dissol en una solució de nitrat de magnesi disminuirà la solubilitat per efecte de l’ió comú. L’ió Mg21 que prové del Mg(NO3)2 desplaça l’equilibri de solubilitat del Mg(OH)2 cap a l’esquerra, és a dir, cap a la formació de l’hidròxid de magnesi (sòlid). (opcional) Mg(OH)2(s) Mg21(aq) 1 2 OH2(aq) Mg(NO3)2(aq) Mg21(aq) 1 2 NO2 3 (aq) Si es dissol en una solució de HCl augmentarà la solubilitat a causa de la reacció àcid-base entre els ions OH2 que provenen del Mg(OH)2 i els ions H1 de l’àcid clorhídric (HCl), per donar aigua. (opcional) Mg(OH)2(s) Mg21(aq) 1 2 OH2(aq) OH2(aq) 1 H1(aq) H2O(l) 3. L’àrea metropolitana de Barcelona (figura 7.11) és de les metròpolis europees que consumeix menys aigua, fruit d’una conscienciació de molts anys per la manca d’aigua i també de la crisi econòmica. L’any 2011 el consum es va xifrar en 107,1 litres per habitant i dia. Si es volgués fer una fluoració d’aigua en la població per prevenir la càries dental, a part les qüestions purament econòmiques, caldria considerar el problema de la precipitació del fluorur de calci. Per tal d’analitzar químicament el problema contesteu les preguntes següents: Dades: Masses atòmiques relatives: Ca 5 40,08 g/mol F 5 19 g/mol; Na 5 23 g/mol; Ks (CaF2) 5 3,7 ? 10211 a) Quina és la solubilitat del fluorur de calci en mil?ligrams per litre? Si la quantitat de calci en l’àrea metropolitana de Barcelona és de 86,9 mg d’ió calci per litre, quina quantitat de fluorur de sodi per litre es podria afegir com a màxim per evitar la precipitació de fluorur de calci?

Per al fluorur de calci(II), l’equilibri és:

[F2] 5 1,306 ? 1024 M 1,306 ? 1024 mol NaF 42 g NaF ——————————— ? ————— 5 5,487 ? 1023 g/L NaF L 1 mol b) Quants mil?ligrams de fluorur de sodi es necessitarien per habitant i dia (d’acord amb les dades de l’any 2011) per tenir l’aigua al màxim de fluoració sense que precipiti? Si el preu del NaF és de 800 € per tona i considerem que l’àrea metropolitana de Barcelona té 5 milions d’habitants aproximadament, quant costaria fluorar l’aigua a màxim nivell durant 1 any?

5,487 ? 1023 g/L NaF ? 107,1 L/habitant i dia ? ? 1 000 mg/1 g 5 587,66 mg NaF/habitant i dia 587,66 mg NaF/habitant i dia ? 5 ? 106 habitants ? 365 dies ? 1 tona ——————————————————————————————— 5 109 mg ? 800 €/tona 5 857 983,6 € 4. Les aigües dures són un problema en les llars ja que es formen compostos insolubles que provoquen avaries en conduccions i aparells electrodomèstics.

Dades: Kps (CaCO3) 5 4,8 ? 1029 Massa atòmica del Ca 5 40,08 g/mol a) Si l’aigua analitzada conté 50 mg/L de Ca21, quina és la concentració de CO22 3 necessària per precipitar CaCO3?

Podem establir l’equilibri següent: CaCO3(s) Ca21(aq) 1 CO22 3 (aq) Ks 5 [Ca21] [CO22 3 ] 4,8 ? 1029 5 [Ca21] [CO22 3 ] 0,050 g Ca21 1 mol Ca21 ——————— ? ——————— 5 1,2475 ? 1023 mol?dm23 1 dm3 40,08 g Ca21

CaF2(s) Ca21(aq) 1 2 F2(aq)

4,8 ? 1029 5 [1,2475 ? 1023] [CO22 3 ]

Ks 5 [Ca21] [F2]2 5 s (2 s)2 5 4 s3

26 mol?dm23 [CO22 3 ] 5 3,85 ? 10

QUÍMICA 2

b) Expliqueu alguna manera de dissoldre aquest precipitat de CaCO3 i com es podria aplicar a les llars.

L’ió carbonat en dissolució en presència d’àcids forma l’hidrogen carbonat de calci, que és una substància força soluble.

CaCO3(s) 1 H1 Ca(HCO3)2 A casa es pot fer aplicant vinagre o suc de llimona als llocs amb incrustació de CaCO3. El salfumant és més eficaç, però cal anar amb cura, perquè és una dissolució d’àcid clorhídric.

5. En el segle XXI i en la societat occidental s’ha produït un gran augment en el consum d’aigües comercialitzades. Una de les anàlisis que es fan abans de comercialitzar una aigua nova és la determinació del contingut de SO422 per reacció amb ions bari.

Dades: el Reial decret 1423/1982 (BOE 29-6-1982) diu que perquè una aigua de beguda envasada pugui ser comercialitzada com a mineromedicinal, la quantitat de SO422 no pot superar els 250 mg/L. Kps (BaSO4) 5 1,13 ? 10210 Masses atòmiques: S 5 32 g/mol; O 5 16 g/mol a) Calculeu la solubilitat del sulfat de bari expressat en mol?L21.

Per al sulfat de bari, l’equilibri és: BaSO4(s) Ba21(aq) 1 SO22 4 (aq) 2 Ks 5 [Ba21] [SO22 4 ] 5 s?s 5 s

1,1 ? 10210 5 s2 s 5 1,05 ? 1025 M b) Es mesuren 100 g d’aigua i s’analitzen afegint-hi una dissolució 5 ? 1024 M de clorur de bari. Si en un cas concret, en el moment que comença a precipitar el compost, s’han consumit 8 mL de la dissolució de la sal de bari, compleix aquesta aigua el requisit legal exigit per als sulfats?

5 ? 1024 mol Ba21 —————————— ? 8 ml Ba21 5 4 ? 1026 mol Ba21 1 000 mL 4 ? 1026 mol [Ba21] 5 ——————— 5 3,7 ? 1025 mol?dm23 0,108 L Ks 5 [Ba21] [SO22 4 ]

89

Quimitest 1. Les fortes precipitacions en forma de calamarsa que es van produir l’estiu del 2005 a Pequín i que van ocasionar greus problemes es van associar a la pràctica de bombardejar els núvols amb AgI per desencadenar la pluja. Aquesta pràctica, que s’ha plantejat també a Espanya, és molt controvertida, perquè suposa la modificació del règim de pluges i té conseqüències sobre la flora i la fauna de la zona. Quina és la solubilitat del AgI? Dades: Ks (AgI) 5 8,3 ? 10217 a) 2,75 ? 1026 M b) 9,11 ? 1029 M c) 4,36 ? 1026 M d) 1,45 ? 1026 M La resposta correcta és la b).

2. El cromat d’argent s’utilitza en el mètode de Mohr per detectar el punt final de valoració de precipitació de sals de plata.

Calcula’n el producte de solubilitat (a una temperatura determinada) si la seva solubilitat és de 3,3 ? 1022 g/L. a) Ks 5 9,9 ? 1025 b) Ks 5 9,82 ? 10213 c) Ks 5 9,9 ? 1029 d) Ks 5 3,93 ? 10212 La resposta correcta és la d).

3. Tenint en compte els valors de la taula 7.1, quina de les substàncies següents té menys solubilitat en aigua? a) Sulfat de bari b) Clorur de plom c) Sulfat de plom d) Carbonat de calci La resposta correcta és la a).

4. L’hidròxid de ferro(III) és molt visible a l’aigua. Les aigües que contenen ferro, en forma d’aquest compost o d’altres, s’anomenen aigues ferruginoses. Aquest component s’elimina de l’aigua per filtració. Quina és la concentració de l’ió Fe(III) a pH 5 9?

1,1 ? 10210 5 [3,7 ? 1025] [SO22 4 ]

Dades: Ks 5 1,1 ? 10238

26 mol?dm23 [SO22 4 ] 5 2,97 ? 10

a) 6 ? 10228 M

2,97 ? 1026 mol SO22 96 g SO22 4 4 ———————————— ? ——————— 5 1L 1 mol SO22 4

b) 6 ? 10211 M

5 2,85 ? 1024 g SO22 4 5 0,285 mg/L

d) 1 ? 1025 M

Aquest valor està molt per sota del límit legal.

07

c) 1,1 ? 10223 M

La resposta correcta és la c).

07

90

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

5. Al registre de classificació de productes de l’Organització de les Nacions Unides hi figura el iodat de bari amb el codi 523.39, que significa: — Secció 5: productes químics.

— Capítol 52: productes químics inorgànics.

— 523: sals metàl.liques.

— 523.3: hipoclorits, clorits, clorats, iodits, iodats...

— 523.39: altres clorats, iodats...

Si el producte de solubilitat del iodat de bari és Ks 5 1,57 ? 1029, quants grams d’ió Ba21 per cada 250 mL hi ha en una dissolució saturada de Ba(IO3)2? a)

7,32 ? 1024

b)

2,5 ? 1022

c)

5 ? 1022

d)

1,98 ? 1025

g

g

a) Clorur de plata b) Nitrat de plata c) Bromur de plata d) Els dos a la vegada La resposta correcta és la c).

7. A una solució amb un precipitat de clorur de plata s’hi afegeix KI. Què succeeix?

Dades: Ks (AgCl) 5 1,8 ? 10210; Ks (AgI) 5 1,5 ? 10216 a) Es forma precipitat de iodur d’argent. b) Es forma més precipitat de clorur d’argent. c) No passa res. d) Desapareixen els precipitats.

g

La resposta correcta és la a). g

La resposta correcta és la b).

6. El clorur, el bromur i el nitrat de plata s’utilitzen per fer pel.lícules fotosensibles i el líquid de revelatge en les fotografies químiques. A una dissolució de clorur 0,1 M i de bromur 0,01 M hi afegim gota a gota una dissolució de nitrat d’argent. Quin precipitat es produirà primer?

Dades: Ks (AgCl) 5 1,8 ? 10210; Ks (AgBr) 5 5 ? 10213

8. Cal eliminar un precipitat de carbonat de bari d’una peça d’un aparell industrial. De quina manera es podria fer? a) Afegint-hi carbonat de sodi. b) Afegint-hi amoníac. c) Afegint-hi clorur de bari. d) Afegint-hi àcid clorhídric.

La resposta correcta és la c).

QUÍMICA 2

j Unitat 8. Reaccions de transferència d’electrons

08

91

La reacció que es produeix és la següent: CH3CH2OH 1 K2Cr2O7 1 H2SO4 Cr31 1 CH3COOH La igualem pel mètode de l’ió-electró:

Activitats 1. El iode és un constituent essencial de la tiroxina, hormona de la tiroide. La deficiència de iode en la dieta pot provocar una hipertròfia en la glàndula. Per obtenir iode podem fer reaccionar el iodur de potassi en medi àcid amb el iodat de potassi. a) Iguala la reacció.

KI 1 KIO3 I2 1 K2SO4 1 H2O L’ió iodat es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de V a 0, mentre que l’ió iodur s’oxida i augmenta el nombre d’oxidació de 2I a 0.

Oxidació I2 I2 Reducció IO2 3 I2 Oxidació (2 I2 I2 1 2 e2) ? 5 1 2 I 1 6 H O Reducció 2 IO2 2 2 3 1 12 H 1 10 e ____________________________________________ 2 10 I2 1 2 IO3 1 12 H1 6 I2 1 6 H2O 5 KI 1 KIO3 1 3 H2SO4 3 I2 1 3 H2O 1 3 K2SO4 b) Indica quin ió és el reductor i quin l’oxidant.

L’ió iodur és el reductor i l’ió iodat és l’oxidant.

2. El dicromat de potassi reacciona amb el clorur de potassi i s’obté sulfat de crom(III) i clor. Iguala la reacció i indica quina és l’espècie reductora i quina l’oxidant.

El clor s’oxida de 2I a 0, mentre que el crom es redueix de VI a III. Oxidació 2 Cl2 Cl2 Reducció Cr2O722 2 Cr31 Oxidació (2 Cl2 Cl2 1 2 e2) ? 3 Reducció Cr2O722 1 14 H1 1 6 e2 2 Cr31 1 7 H2O ______________________________________________ 6 Cl2 1 Cr2O722 1 14 H1 3 Cl2 1 2 Cr31 1 7 H2O Escrivim l’equació en forma molecular: 6 KCl 1 K2Cr2O7 1 7 H2SO4 3 Cl2 1 Cr2(SO4)3 1 7 H2O 1 4 K2SO4 L’ió clorur és el reductor i l’ió dicromat és l’oxidant.

3. Podem obtenir àcid acètic fent reaccionar l’etanol amb el dicromat de potassi en medi àcid i s’obté una sal de crom(III).

Iguala la reacció, considerant que el medi àcid prové de l’àcid sulfúric.

Oxidació (CH3CH2OH 1 H2O CH3COOH 1 4 H1 1 4 e2) ? 3 Reducció (Cr2O722 1 14 H1 1 6 e2 2 Cr31 1 7 H2O) ? 2 ___________________________________________________ 3 CH3CH2OH 1 2 Cr2O722 1 3 H2O 1 28 H1 3 CH3COOH 1 4 Cr31 1 14 H2O 1 12 H1 Simplifiquem: 1 3 CH3CH2OH 1 2 Cr2O22 7 1 16 H 31 3 CH3COOH 1 4 Cr 1 11 H2O

I escrivim la reacció en forma molecular: 3 CH3CH2OH 1 2 K2Cr2O7 1 8 H2SO4 3 CH3COOH 1 2 Cr2(SO4)3 1 11 H2O 1 2 K2SO4 4. En les proves d’alcoholèmia, la reacció que hi té lloc és l’oxidació de l’etanol a etanal de l’aire que es bufa. L’oxidant són els cristalls taronges de dicromat de potassi en medi àcid, que es redueixen a una sal de crom(III) de color verd. Escriu la reacció que es produeix, tenint en compte que el medi àcid ve donat per l’àcid sulfúric.

La reacció que es produeix és la següent: CH3CH2OH 1 K2Cr2O7 1 H2SO4 CH3CHO 1 Cr31 La igualem pel mètode de l’ió-electró: Oxidació (CH3CH2OH CH3CHO 1 2 H1 1 2 e2) ? 3 1 2 2 Cr31 1 7 H O Reducció Cr2O22 2 7 1 14 H 1 6 e _____________________________________________ 22 1 3 CH3CH2OH 1 Cr2O7 1 14 H 3 CH3CHO 1 2 Cr31 1 7 H2O 1 6 H1 Simplifiquem: 1 31 1 7 H O 3 CH3CH2OH 1 Cr2O22 2 7 1 8 H 3 CH3CHO 1 2 Cr

I escrivim la reacció en forma molecular: 3 CH3CH2OH 1 K2Cr2O7 1 4 H2SO4 3 CH3CHO 1 Cr2(SO4)3 1 K2SO4 1 7 H2O 5. Si fem reaccionar l’1-butanol amb el permanganat de potassi obtenim àcid butanoic i sulfat de manganès(II), tenint en compte que el medi àcid ve donat per l’àcid sulfúric. Iguala la reacció.

La reacció que es produeix és la següent: CH3CH2CH2CH2OH 1 KMnO4 1 H2SO4 CH3CH2CH2COOH 1 MnSO4 L’ió permanganat es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de VII a II, mentre que l’1-butanol s’oxida.

92

08

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Igualem la reacció pel mètode de l’ió-electró: Oxidació (CH3CH2CH2CH2OH 1 H2O CH3CH2CH2COOH 1 4 H1 1 4 e2) ? 5 1 2 Mn21 1 4 H O) ? 4 Reducció (MnO2 2 4 1 8 H 1 5 e ___________________________________________________ 1 5 CH3CH2CH2CH2OH 1 4 MnO2 4 1 5 H2O 1 32 H 21 5 CH3CH2CH2COOH 1 4 Mn 1 16 H2O 1 20 H1

Simplifiquem: 1 5 CH3CH2CH2CH2OH 1 4 MnO2 4 1 12 H 21 5 CH3CH2CH2COOH 1 4 Mn 1 11 H2O

I escrivim la reacció en forma molecular: 5 CH3CH2CH2CH2OH 1 4 KMnO4 1 6 H2SO4 5 CH3CH2CH2COOH 1 4 MnSO4 1 2 K2SO4 1 11 H2O 6. El sulfur d’hidrogen és un gas d’olor desagradable, que es produeix en el clavegueram per putrefacció de la matèria orgànica en absència d’oxigen. La dissolució de sulfur d’hidrogen en aigua és l’àcid sulfhídric, que es pot oxidar a sofre si el fem reaccionar en medi àcid amb el permanganat de potassi, que es redueix a ió manganès(II). a) Iguala la reacció.

La reacció que es produeix és la següent: H2S 1 KMnO4 1 H2SO4 S 1 Mn21 L’ió permanganat es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de VII a II, mentre que l’ió sulfur s’oxida.

Igualem la reacció pel mètode de l’ió-electró: Oxidació (S22 S 1 2 e2) ? 5 1 2 Mn21 1 4 H O) ? 2 Reducció (MnO2 2 4 1 8 H 1 5 e _____________________________________________ 2 22 1 21 5 S 1 2 MnO4 1 16 H 5 S 1 2 Mn 1 8 H2O I escrivim la reacció en forma molecular: 5 H2S 1 2 KMnO4 1 3 H2SO4 5 S 1 2 MnSO4 1 K2SO4 1 8 H2O

7. El nitrat de potassi en àcid sulfúric reacciona amb el zinc i es produeixen sulfat d’amoni, sulfat de zinc, sulfat de potassi i aigua. a) Iguala la reacció.

La reacció que es produeix és la següent: KNO3 1 Zn 1 H2SO4 (NH4)2SO4 1 ZnSO4 1 K2SO4 1 H2O L’ió nitrat es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de V a 2III, mentre que el zinc s’oxida i augmenta el nombre d’oxidació de 0 a II. Oxidació Zn Zn21 Reducció NO32 NH1 4 Igualem la reacció pel mètode de l’ió-electró: Oxidació (Zn Zn21 1 2 e2) ? 4 1 2 NH1 1 3 H O Reducció NO2 2 3 1 10 H 1 8 e 4 _____________________________________________ 2 1 1 21 4 Zn 1 NO3 1 10 H 4 Zn 1 NH4 1 3 H2O Escrivim la reacció en forma molecular: 4 Zn 1 KNO3 1 5 H2SO4 4 ZnSO4 1 (NH4)2SO4 1 3 H2O Finalment, acabem d’igualar la reacció: 8 Zn 1 2 KNO3 1 10 H2SO4 8 ZnSO4 1 (NH4)2SO4 1 K2SO4 1 6 H2O b) Calcula quin volum de nitrat de potassi 0,1 M necessites per fer reaccionar 3,27 g de zinc.

1 mol Zn 2 mol KNO3 1 dm3 3,27 g Zn ? ————— ? —————— ? ——————— 5 65,4 g Zn 8 mol Zn 0,1 mol KNO3 5 0,125 dm3 8. El monòxid de carboni és un gas molt tòxic produït en les combustions amb deficiència d’oxigen. L’òxid de iode(V) és capaç d’oxidar-lo a diòxid de carboni en absència d’aigua i es redueix a iode. a) Iguala la reacció.

La reacció que es produeix és: CO 1 I2O5 CO2 1 I2

b) Determina la concentració de l’àcid sulfúric si 10 mL han necessitat 5 mL d’una dissolució 0,05 M de permanganat de potassi per reaccionar.

Per estequiometria, podem calcular la concentració de l’àcid sulfúric: 0,05 mol KMnO4 3 mol H2SO4 5 ? 1023 dm3 KMnO4 ? ———————— ? ——————— 5 2 mol KMnO4 1 dm3 KMnO4 5

3,75 ? 1024

mol H2SO4

3,75 ? 1024 mol H2SO4 [H2SO4] 5 ——————————— 5 0,0625 M 10 ? 1023 dm3

Igualem la reacció pel mètode de l’ió-electró: Oxidació (CO 1 H2O CO2 1 2 H1 1 2 e2) ? 5 Reducció I2O5 1 10 H1 1 10 e2 I2 1 5 H2O ________________________________________________ 5 CO 1 I2O5 1 5 H2O 1 10 H1 5 CO2 1 I2 1 5 H2O 1 10 H1 Finalment, simplifiquem: 5 CO 1 I2O5 5 CO2 1 I2 b) Calcula la massa de I2O5 necessària per oxidar 5 dm3 de monòxid de carboni mesurats a 1,01 ? 105 Pa i 20 °C.

08

QUÍMICA 2

A partir de l’equació dels gasos ideals, calculem quants mols de monòxid de carboni volem oxidar: pV p V 5 n R T n 5 —— RT 1,01 ? 105 Pa ? 5 ? 1023 m3 n 5 ———————————— 5 0,2 mol CO 8,31 J?K/mol ? 293 K Finalment, per estequiometria calculem la massa de I2O5 que es necessita: 1 mol I2O5 334 g I2O5 0,2 mol CO ? —————— ? —————— 5 13,36 g I2O5 5 mol CO 1 mol I2O5 9. Un dels processos oxidants més importants, energèticament parlant, del nostre organisme és el cicle de l’àcid cítric o cicle de Krebs. Una de les reaccions redox d’aquest cicle és la transformació del succinat a fumarat mitjançant la reacció amb un enzim transportador d’electrons anomenat flavina adenina dinucleòtid, FAD. Escriu la reacció i indica quina espècie química es redueix i quina s’oxida.

14. Antigament, per obtenir ferro i acer s’utilitzava la farga catalana. Busca informació de com funcionava i les característiques que tenia.

Resposta oberta.

Activitats finals 1. Escriu i iguala les reaccions químiques següents: a) L’ió ferro(II) reacciona amb l’ió dicromat en medi àcid i forma l’ió crom(III), ferro(III) i aigua.

21 Cr31 1 Fe31 1 H O Cr2O22 2 7 1 Fe

El ferro s’oxida de VI a III.

10. Quan hi ha una disposició limitada d’oxigen en les cèl.lules del nostre organisme, per exemple quan el múscul realitza una activitat física intensa, el piruvat, CH3COCOO2, es transforma en àcid làctic. L’acumulació d’aquest àcid causa el cruiximent. Busca informació de la reacció que es produeix i indica quina és la molècula oxidant i quina la reductora.

La reacció que es produeix és:

El nitrogen es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de III a II, mentre que el crom s’oxida i augmenta el nombre d’oxidació de III a VI. Oxidació Cr31 CrO22 4 Reducció NO2

NO 2 2 Oxidació Cr31 1 8 OH2 CrO22 4 1 4 H2O 1 3 e 2 NO 1 2 OH2) ? 3 Reducció (NO2 2 1 H2O 1 1 e ___________________________________________ Cr31 1 8 OH2 1 3 NO2 2 1 3 H2O CrO22 1 4 H O 1 3 NO 1 6 OH2 2 4

11. Quins són els principals factors atmosfèrics que afavoreixen la corrosió?

2 CrO22 1 3 NO 1 H O Cr31 1 3 NO2 2 2 1 2 OH 4

c) L’àcid nítric reacciona amb l’estany i forma diòxid d’estany, diòxid de nitrogen i aigua.

b) Humitat relativa alta i temperatura elevada.

Sn 1 HNO3 SnO2 1 NO2 1 H2O Sn 1 H1 1 NO2 3 SnO2 1 NO2 1 H2O

c) Sol i el pas del temps.

12. Per què els materials es rovellen més en zones costaneres que en zones d’interior?

Bàsicament, perquè la humitat relativa de l’aire és molt més gran que en zones d’interior.

13. Quina funció realitza la pedra calcària en el procés d’obtenció del ferro colat a l’alt forn?

La pedra calcària es combina amb les impureses del mineral per formar l’escòria.

mentre que el crom es redueix de

31 NO 1 CrO22 1 H O NO2 2 2 1 Cr 4

El piruvat és l’oxidant, ja que es redueix a àcid làctic, mentre que el reductor és el NADPH, ja que perd un hidrogen.

La resposta correcta és la a).

III,

b) L’ió crom(III) reacciona amb l’ió nitrit en medi bàsic i forma l’ió cromat, monòxid de nitrogen i aigua.

CH3COCOO2 1 NADPH 1 H1 CH3CHOHCOO2 1 NADP

a) Humitat relativa alta i nivells elevats de diòxid de sofre i clorurs.

a

Oxidació (Fe21 Fe31 1 1 e2) ? 6 1 2 2 Cr31 1 7 H O Reducció Cr2O22 2 7 1 14 H 1 6 e ______________________________________________ 21 1 14 H1 2 Cr31 1 6 Fe31 1 7 H O Cr2O22 2 7 1 6 Fe

succinat 1 FAD fumarat 1 FADH2 El FAD es redueix a FADH2. S’oxida el succinat, ja que perd dos hidrògens.

II

Oxidació Fe21 Fe31 Reducció Cr2O22 2 Cr31 7

Esquemàticament podem escriure la reacció de la manera següent: –OOC–CH2–CH2–COO2 1 FAD –OOC–CH }} CH–COO2 1 FADH2

93

El nitrogen es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de a IV, mentre que l’estany s’oxida i augmenta el nombre d’oxidació de 0 a IV.

V

Oxidació Sn SnO2 Reducció NO32 NO2 Oxidació Sn 1 2 H2O SnO2 1 4 H1 1 4 e2 1 2 NO 1 H O) ? 4 Reducció (NO2 2 2 3 1 2 H 1 1 e ___________________________________________ 2 1 Sn 1 2 H2O 1 4 NO3 1 8 H SnO2 1 4 H1 1 4 NO2 1 4 H2O

08

94

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

1 SnO 1 4 NO 1 2 H O Sn 1 4 NO2 2 2 2 3 1 4 H

Sn 1 4 HNO3 SnO2 1 4 NO2 1 2 H2O d) L’àcid sulfhídric reacciona amb l’àcid nítric i forma sofre, diòxid de nitrogen i aigua.

H2S 1 HNO3 S 1 NO2 1 H2O 2 H1 1 S22 1 H1 1 NO2 3 S 1 NO2 1 H2O El nitrogen es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de a IV, mentre que l’ió sulfur s’oxida i augmenta el nombre d’oxidació de 2II a 0.

V

Oxidació S22 S Reducció NO2 3 NO2 Oxidació S22 S 1 2 e2 1 2 NO 1 H O) ? 2 Reducció (NO2 2 2 3 1 2 H 1 1 e ___________________________________________ 1 S 1 2 NO 1 2 H O S22 1 2 NO2 2 2 3 1 4 H H2S 1 2 HNO3 S 1 2 NO2 1 2 H2O e) L’àcid sulfúric reacciona amb el bromur de potassi i forma sulfat de potassi, brom, diòxid de sofre i aigua.

H2SO4 1 KBr K2SO4 1 Br2 1 SO2 1 H2O 22 1 2 1 2 H1 1 SO22 4 1 K 1 Br 2 K 1 SO4 1 Br2 1 SO2 1 H2O

El sofre es redueix en disminuir el nombre d’oxidació de VI a mentre que l’ió bromur s’oxida i augmenta el nombre d’oxidació de 2I a 0.

IV,

Oxidació Br2 Br2 Reducció SO22 SO2 4 Oxidació 2 Br2 Br2 1 2 e2 1 2 SO 1 2 H O Reducció SO22 2 2 4 1 4 H 1 2 e _________________________________________ 1 Br 1 SO 1 2 H O 2 Br2 1 SO22 2 2 2 4 1 4 H 2 KBr 1 2 H2SO4 K2SO4 1 Br2 1 SO2 1 2 H2O 2. Ordena els compostos següents en ordre creixent de nombre d’oxidació del carboni: CH3OH, HCOOH, HCHO, CH4 De més oxidat a més reduït: HCOOH . CH2O . CH3OH . CH4 II 0 2II 2IV 3. En el revelatge de la pel.lícula fotogràfica en blanc i negre es produeix un procés redox entre l’emulsió de la pel.lícula, constituïda per bromur de plata, i el revelador d’hidroquinona, C6H6O2. Aquest procés forma com a productes plata metàl.lica, àcid bromhídric i quinona, C6H4O2. Escriu i iguala la reacció.

La reacció que es produeix és: AgBr 1 C6H6O2 Ag 1 HBr 1 C6H4O2

La plata es redueix de I a 0, mentre que la hidroquinona s’oxida perquè perd hidrogen.

Oxidació C6H6O2 C6H4O2 Reducció Ag1 Ag Oxidació C6H6O2 C6H4O2 1 2 H1 1 2 e2 Reducció (Ag1 1 1 e2 Ag) ? 2 _____________________________________ 2 Ag1 1 C6H6O2 2 Ag 1 C6H4O2 1 2 H1 La reacció igualada és: 2 AgBr 1 C6H6O2 2 Ag 1 2 HBr 1 C6H4O2 4. Quan afegim una dissolució de permanganat de potassi a una dissolució d’àcid oxàlic en presència d’àcid sulfúric, es formen unes bombolles de diòxid de carboni, mentre que el manganès el trobem dissolt en forma de sulfat de manganès(II). Escriu i iguala l’equació.

La reacció que es produeix és: KMnO4 1 H2C2O4 1 H2SO4 MnSO4 1 CO2 El carboni s’oxida de III a IV, mentre que el manganès es redueix de VII a II. CO2 Oxidació C2O22 4 21 Reducció MnO2 4 Mn Oxidació (C2O22 2 CO2 1 2 e2) ? 5 4 2 Reducció (MnO4 1 8 H1 1 5 e2 Mn21 1 4 H2O) ? 2 _________________________________________________ 2 1 10 CO 1 2 Mn21 1 8 H O 5 C2O22 2 2 4 1 2 MnO4 1 16 H 1 10 CO 1 2 Mn21 1 8 H O 5 H2C2O4 1 2 MnO2 2 2 4 1 6 H

Els protons que falten els afegim en forma d’àcid sulfúric i així igualem els sulfats i el potassi que falta com a producte en forma de sulfat de potassi: 5 H2C2O4 1 2 KMnO4 1 3 H2SO4 10 CO2 1 2 MnSO4 1 8 H2O 1 K2SO4 5. Al laboratori, es vol determinar la concentració de ferro(II) d’una dissolució mitjançant una volumetria amb permanganat. Quan el permanganat reacciona amb els ions ferro(II) en medi àcid, s’obtenen ions manganès(II), ions ferro(III) i aigua.

Si valorem 10 cm3 d’una dissolució de sulfat de ferro(II) amb una dissolució 0,1 M de permanganat, s’assoleix el punt d’equivalència quan han reaccionat 11,5 cm3 de permanganat de potassi. Calcula la concentració de ferro(II) en la dissolució.

Primer escrivim la reacció redox i la igualem: Oxidació (Fe21 Fe31 1 1 e2) ? 5 1 2 Mn21 1 4 H O Reducció MnO2 2 4 1 8 H 1 5 e ____________________________________________ 2 21 1 31 21 5 Fe 1 MnO4 1 8 H 5 Fe 1 Mn 1 4 H2O

QUÍMICA 2

Escrivim i igualem la reacció en forma molecular: 10 FeSO4 1 2 KMnO4 1 8 H2SO4 5 Fe2(SO4)3 1 2 MnSO4 1 8 H2O 1 K2SO4 Finalment, per estequiometria, podem calcular la concentració d’ions ferro(II): 0,1 mol KMnO4 10 mol FeSO4 0,0115 dm3 KMnO4 ? ———————— ? ——————— ?

2 mol KMnO4 1 dm3 KMnO4 1 mol Fe21 ? ——————— 5 5,75 ? 1023 mol Fe21 1 mol FeSO4 5,75 ? 1023 mol Fe21 [Fe21] 5 —————————— 5 0,575 M 0,01 dm3 6. L’ió peroxodisulfat, S2O22 8 , és un oxidant enèrgic. Volem oxidar l’ió fluorur a fluor i l’ió manganès(II) a permanganat.

Iguala pel mètode de l’ió-electró l’equació o les equacions corresponents a les reaccions esmentades.

Per tal que es produeixin les oxidacions cal que es compleixi la condició següent: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0 22 2 21 E°pila 5 E° (S2O22 8 /SO4 ) 2 E° (MnO4 /Mn )

E°pila 5 2,01 V 2 1,51 V 5 0,50 V 22 2 E°pila 5 E° (S2O22 8 /SO4 ) 2 E° (F2/F )

E°pila 5 2,01 V 2 2,87 V , 0

No funciona

1 2 (2) Ànode Oxidació (4 H2O 1 Mn21 MnO2 4 1 8 H 1 5 e )?2 2 2 SO22) ? 5 (1) Càtode Reducció (S2O22 8 1 2 e 4 ___________________________________________________ 2 22 1 8 H2O 1 2 Mn21 1 5 S2O22 8 2 MnO4 1 16 H 1 10 SO4

7. El zinc és un element essencial per al desenvolupament dels organismes. En els humans, afavoreix el creixement i ajuda a cicatritzar ferides. En la indústria, és utilitzat per recobrir metalls i protegir-los de l’oxidació. El procés pel qual el ferro o l’acer es recobreixen d’un bany de zinc es coneix amb el nom de galvanitzat.

El zinc pot ser atacat pel nitrat de potassi en presència d’àcid sulfúric i dóna sulfat de zinc i amoni. a) Ajusta la reacció pel mètode de l’ió-electró.

Zn 1 KNO3 1 H2SO4 ZnSO4 1 (NH4)2SO4 1 K2SO4 b) Tenim 5 g d’una mostra d’un metall que conté zinc. Si hem utilitzat 15 mL de dissolució de nitrat de potassi 1,2 M, quin era el percentatge de zinc en la mostra?

Oxidació: (Zn

Zn21

12

e2) ? 4

1 10 1 8 e2 NH1 Reducció: 4 1 3 H2O ________________________________________________ NO2 3

H1

1 21 1 8 e2 1 NH1 1 3 H O 1 8 e2 4 Zn 1 NO2 2 3 1 10 H 4 Zn 4

8 Zn 1 2 KNO3 1 10 H2SO4 8 ZnSO4 1 (NH4)2SO4 1 6 H2O 1 K2SO4

08

95

1,2 mol KNO3 8 mL Zn 65,38 g Zn 15 mL KNO3 ? ——————— ? —————— ? —————— 5 1 mol Zn 1 000 mL KNO3 2 mol KNO3 5 4,71 g Zn 4,71 g Zn —————— ? 100 5 94,2 % 5 g mostra 8. El sulfur d’antimoni(III) és un sòlid de color negre que s’utilitza en pirotècnia i en la fabricació de llumins (forma part de la punta del fòsfor). Si es fa reaccionar sulfur d’antimoni amb àcid nítric s’obté òxid d’antimoni(V), òxid de nitrogen(IV) i sofre. Iguala la reacció i indica quines espècies s’oxiden i quines es redueixen.

S’oxiden dues espècies: el Sb31, que passa a Sb51, i el S22, que passa a S. Es redueix el NO2 3 , que passa a NO2.

Oxidació: (Sb2S3 1 5 H2O Sb2O5 1 3 S 1 10 H1 1 10 e2) 1 2 NO 1 H O) ? 10 Reducció: (NO2 2 2 3 1 2 H 1 1 e ___________________________________________________ 1 2 Sb2S3 1 5 H2O 1 10 NO2 3 1 20 H 1 10 e 1 2 Sb2O5 1 3 S 1 10 H 1 10 e 1 10 NO2 1 10 H2O 1 Sb O 1 3 S 1 10 NO 1 5 H O Sb2S3 1 10 NO2 2 5 2 2 3 1 10 H

Escrivim la reacció en forma molecular: Sb2S3 1 10 HNO3 Sb2O5 1 3 S 1 10 NO2 1 5 H2O 9. El brom, a temperatura ambient, és un element líquid de color marró vermellós. Provoca greus irritacions en els ulls, a la pell i a les mucoses. Si fem reaccionar brom amb hidròxid de potassi s’obté bromur de potassi, bromat de potassi i aigua. a) Quina és l’espècie oxidant i quina la reductora?

L’espècie reductora és el Br2, que passa a BrO2 3.

L’espècie oxidant és el Br2, que passa a Br2. b) Iguala la reacció en medi bàsic.

2 Oxidació: Br2 1 12 OH2 2 BrO2 3 1 6 H2O 1 10 e Reducció: (Br2 1 2 e2 2 Br2) ? 5 ______________________________________________ Br2 1 12 OH2 1 5 Br2 1 10 e2 2 2 2 BrO2 3 1 6 H2O 1 10 e 1 10 Br 2 6 Br2 1 12 OH2 2 BrO2 3 1 6 H2O 1 10 Br

6 Br2 1 12 OH2 2 KBrO3 1 6 H2O 1 10 Br2 c) Quin volum d’hidròxid de potassi 0,4 M necessitem perquè reaccioni amb 2 g de brom?

1L 1 mol Br2 12 mol KOH 2 g Br2 ? ————— ? ——————— ? ——————— 5 6 mol Br2 0,4 mol KOH 160 g Br2 5 0,0625 L KOH 5 62,5 mL KOH 10. Una de les maneres de reduir el ferro(III) a ferro(II) és fer reaccionar el clorur de ferro(III) amb àcid sulfurós. S’obté clorur de ferro(II) i àcid sulfúric. Iguala la reacció corresponent.

96

08

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

22 1 2 Oxidació: SO22 3 1 H2O SO4 1 2 H 1 2 e 31 2 21 Reducció: (Fe 1 1 e Fe ) ? 2 ___________________________________________________ 31 1 2 e2 SO22 1 2 H1 1 2 e2 1 2 Fe21 SO22 3 1 H2O 1 2 Fe 4

H2SO3 1 H2O 1 2 FeCl3 H2SO4 1 2 HCl 1 2 FeCl21 2 11. Escriu la reacció redox entre l’àcid sulfhídric i el permanganat de potassi per produir sofre i sulfat de manganès(II), i indica quin és l’oxidant i quin és el reductor.

MnO2 4,

L’espècie oxidant és el que passa a Mn21. L’espècie reductora és el S22, que passa a S. Oxidació: (S22 S 1 2 e2) ? 5 1 2 Mn21 1 4 H O) ? 2 Reducció: (MnO2 2 4 1 8 H 1 5 e ___________________________________________________ 2 5 S22 1 2 MnO4 1 16 H1 1 10 e2 5 S 1 10 e2 1 2 Mn21 1 8 H2O 5 H2S 1 2 KMnO4 1 3 H2SO4 5 S 1 2 MnSO4 1 8 H2O 1 2 K2SO4 12. El crom és un dels elements químics que s’afegeix a l’acer per augmentar-ne la duresa i la resistència al desgast. Tenim un mineral que conté crom(III) i volem determinar-ne la quantitat. Per això, farem servir la reacció redox entre el crom(III), que s’oxida a cromat, i el clorat de potassi, que es redueix a ió clorur.

Determina el percentatge de crom d’una mostra d’1,5 g de mineral si han estat necessaris 12 mL d’una dissolució de clorat de potassi 0,05 M. 1 2 Oxidació: (Cr31 1 4 H2O CrO22 4 1 8 H 1 3 e )?2 1 2 Cl2 1 3 H O) Reducció: (ClO2 2 3 1 6 H 1 6 e ___________________________________________________ 2 2 Cr31 1 8 H2O 1 ClO3 1 6 H1 1 6 e2 1 2 2 2 CrO22 4 1 16 H 1 Cl 1 3 H2O 1 6 e 22 2 1 2 Cr31 1 ClO2 3 1 5 H2O 2 CrO4 1 Cl 1 10 H

Neutralitzem amb 10 OH2: 2 2 Cr31 1 5 H2O 1 ClO2 3 1 10 OH 1 2 2 2 CrO22 4 1 10 H 1 10 OH 1 Cl 22 2 2 2 Cr31 1 5 H2O 1 ClO2 3 1 10 OH 2 CrO4 1 Cl 1 10 H2O 2 2 CrO22 1 Cl2 1 5 H O 2 Cr31 1 ClO2 2 3 1 10 OH 4

2 CrCl3 1 KClO3 1 10 KOH 2 K2CrO4 1 7 KCl 1 5 H2O 0,05 mol KClO3 2 mol CrCl3 1 mol Cr 12 mL KClO ? ——————— ? —————— ? —————— ?

1 000 mL 1 mol KClO3 1 mol CrCl3 52 g Cr ? ————— 5 0,0624 g Cr 1 mol Cr 0,0624 g Cr ——————— ? 100 5 4,16 % 1,5 g mostra

Prepara la selectivitat 1. [Curs 10-11] Quan es fabrica una reixa de ferro, per collocar-la a l’exterior d’un habitatge, es pinta freqüentment amb una capa de vermell de plom (mini) per evitar la corrosió del ferro.

Dades: suposeu que la temperatura ambiental és 298 K. Parell redox

Zn21 / Zn

Ni21 / Ni

Fe21 / Fe

Ag1 / Ag

O2 / H2O

Potencial estàndard de reducció, a 298 K E° (V)

20,76

20,24

0,36

0,80

1,23

a) Indiqueu, esquemàticament, els processos involucrats en la corrosió d’una reixa de ferro, sotmesa a les condicions ambientals d’humitat i oxigen atmosfèrics.

Els processos que tenen lloc són: — L’oxigen gasós es dissol a l’aigua.

— Aquesta dissolució entra en contacte amb el ferro.

— Es produeix una reacció redox: el ferro s’oxida a Fe(II) i l’oxigen dissolt es redueix a aigua. b) Si comparem els metalls ferro, níquel, plata i zinc, indiqueu quins d’ells son susceptibles de ser corroïts per les condicions ambientals. Quin d’aquests metalls té més facilitat per dur a terme un procés de corrosió? Justifiqueu les respostes.

Si la reacció entre l’oxigen i el metall (corrosió) es produís en una pila, el potencial de la cel·la seria: E° 5 E° CÀTODE 2 E° ÀNODE 5 E° (O2/H2O) 2 E° (Mn1/M) Segons l’equació: DG°5 2 n ? F ? E°, quan E° és positiu tenim una variació d’energia lliure negativa i el procés és espontani.

Per tant, tots els metalls donats (Zn, Ni, Fe i Ag) són susceptibles de ser corroïts, ja que el potencial estàndard de reducció de l’espècie que es redueix (O2) es més gran que el de l’espècie que s’oxida (el metall).

El metall que tingui el potencial estàndard de reducció més petit és el que donarà un potencial de cel·la (E°) més gran i és el que tindrà més facilitat per dur a terme el procés de corrosió. Amb les dades de la taula, el Zn és el metall amb més facilitat per dur a terme el procés de corrosió.

2. El cinabri és un mineral que conté sulfur de mercuri(II).

Una mostra de cinabri es fa reaccionar amb àcid nítric concentrat de manera que el sulfur de mercuri(II) present en el mineral reacciona amb l’àcid formant aigua, monòxid de nitrogen i sulfat de mercuri(II).

Dades: Masses atòmiques: Hg 5 200,6; S 5 32,1

QUÍMICA 2

a) Igualeu la reacció pel mètode de l’ió-electró i indiqueu l’espècie que s’oxida i la que es redueix.

Reacció igualada: 8 HNO3 1 3 HgS 8 NO 1 3 HgSO4 1 4 H2O El compost que s’oxida és el HgS (de fet, l’anió sulfur) i el que es redueix és el HNO3 (de fet, l’anió NO2 3 ). b) Calculeu el volum d’àcid nítric 13,0 M que reaccionarà amb el sulfur de mercuri(II) present en 10,0 g d’un cinabri que té un 92,5 % de sulfur de mercuri(II).

Per factors de conversió: V 5 8,15 mL de dissolució d’àcid nítric.

a) Indiqueu els estats d’oxidació del Mn i del S en el permanganat de potassi i el sulfit de potassi, respectivament.

Estats d’oxidació: Mn en el MnO2 4 : 17 S en el SO22 3 :

14

b) Igualeu la reacció redox pel mètode de l’ió-electró.

Escriptura de les semireaccions: 22 1 2 SO22 3 1 H2O SO4 1 2 H 1 2 e 1 2 Mn21 1 4 H O MnO2 2 4 1 8 H 1 5 e

Dades: Masses atòmiques: Sn 5 118,7; H 5 1,0; N 5 14,0; O 5 16,0

Reacció iònica ajustada:

a) Ajusteu la reacció que té lloc pel mètode de l’ió-electró.

Reacció molecular ajustada:

2 1 5 SO22 1 2 Mn21 1 3 H O 5 SO22 2 3 1 2 MnO4 1 6 H 4

Reaccions d’oxidació i reducció:

5 K2SO3 1 3 H2SO4 1 2 KMnO4 6 K2SO4 1 2 MnSO4 1 3 H2O

oxidació: Sn 1 2 H2O SnO2 1 4 H1 1 4 e2 Sn 1 4 HNO3 SnO2 1 4 NO2 1 2 H2O b) Calculeu el volum d’una solució d’àcid nítric del 16,0 % en massa i densitat 1,09 g?mL21, que reaccionarà estequiomètricament amb 2,00 g d’estany.

Massa molecular del HNO3 5 63,0 g/mol 1 mol Sn 4 mol HNO3 63,0 g HNO3 2,00 g Sn ? —————— ? —————— ? —————— ?

118,7 g Sn 1 mol Sn 1 mol HNO3 100 g diss.

1 mL diss. ? ——————— ? ——————— 5 24,35 mL 1,09 g diss.

16,0 g HNO3 4. El ZnSO4 es pot obtenir a partir del ZnS per oxidació amb HNO3, una reacció en la qual es produeix, a més, NO. Dades: Masses atòmiques: H 5 1, O 5 16, N 5 14, S 5 32, Zn 5 65,4 a) Escriviu i ajusteu la reacció indicada, pel mètode de l’ióelectró.

Oxidació: S22 1 4 H2O SO22 1 8 H1 1 8 e2 1 2 NO 1 2 H O Reducció: NO2 2 3 1 4 H 1 3 e

97

5. En medi sulfúric, el sulfit de potassi reacciona amb el permanganat de potassi i dóna sulfat de potassi i sulfat de manganès(II).

3. L’estany metàl·lic reacciona amb l’àcid nítric concentrat i forma òxid d’estany(IV), diòxid de nitrogen i aigua.

reducció: HNO3 1 H1 1 e2 NO2 1 H2O

08

21 Al llarg de la seva reducció el MnO2 4 dóna lloc a Mn , que posseeix una certa toxicitat ambiental, mentre que en el decurs de la seva reducció, el peròxid d’hidrogen forma aigua:

H2O2 1 2 H1 1 2 e2 2 H2O que és atòxica per al medi ambient.

Quimitest 1. La fosfina, PH3, és un reductor potent de moltes sals metàl.liques que passen a metall. És un gas incolor i molt verinós que crema en presència d’aire. El podem obtenir fent reaccionar en calent el fòsfor blanc segons la reacció següent: P4(s) 1 3 NaOH(aq) 1 3 H2O(l) 3 NaH2PO2(aq) 1 PH3(g) Si disposem de 12,4 g de fòsfor blanc, el volum de NaOH 1,2 M que necessitem per fer-lo reaccionar totalment és de: a) 120 mL b) 250 mL c) 330 mL d) 8 mL La resposta correcta és la b).

Total: 1 3 SO22 1 8 NO 1 4 H O 3 S22 1 8 NO2 2 3 1 8 H 4

3 ZnS 1 8 HNO3 3 ZnSO4 1 8 NO 1 4 H2O b) Calculeu el volum mínim de HNO3 de concentració 6 M necessari per reaccionar amb una mostra de 8 g del mineral blenda, que conté un 70 % en massa de ZnS. Per factors de conversió: 25,6

cm3

HNO3

2. L’òxid de manganès(II) reacciona amb l’òxid de plom(IV) en medi àcid i dóna àcid permangànic i nitrat de plom(II). De les afirmacions següents, quina és incorrecta? a) Els ions permanganat s’oxiden. b) En la semireacció d’oxidació es guanyen tres electrons. c) En aquesta reacció el reductor és l’òxid de manganès(II).

98

08

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

d) El coeficient estequiomètric de l’òxid de plom(IV) en la reacció un cop igualada és 5. e) L’òxid de plom(IV) actua com a oxidant donant l’ió plom(II).

La resposta és la b).

3. En medi àcid els ions sulfur i el dicromat reaccionen per donar sofre i ions crom(III). Quina quantitat de sofre s’obtindrà a partir de 7,8 g de dicromat de potassi? a) 1,53 g b) 3,62 g c) 2,55 g d) 4,06 g La resposta correcta és la c).

4. En solució aquosa i en medi àcid els ions dicromat reaccionen amb els ions iodur i s’obté crom(III), iode i aigua.

Quants mL de dissolució de dicromat de potassi 0,1 M són necessaris perquè reaccionin amb 3 g de iodur de potassi?

6. La reacció de l’òxid de sofre(IV) amb l’àcid iòdic i aigua dóna àcid sulfúric i iode. Quin és el volum d’àcid iòdic 2 M necessari perquè reaccioni amb 6,4 g d’òxid de sofre(IV)? a) 21 mL b) 28 mL c) 20 mL d) 25 mL La resposta correcta és la c).

7. El dicromat de potassi reacciona amb el clorur d’estany(II) en presència d’àcid clorhídric i s’obté clorur d’estany(IV) i clorur de crom(III). Quina és la concentració de dicromat de potassi si 60 mL d’una dissolució d’aquest producte han reaccionat amb 45 mL d’una dissolució de clorur d’estany(II) 0,5 M? a) 0,125 M b) 0,321 M

a) 21,25 mL

c) 0,185 M

b) 12,84 mL

d) 0,312 M

c) 30,12 mL

La resposta correcta és la a).

d) 19,12 mL La resposta correcta és la c).

5. Dos grams de siderita, FeCO3, es dissolen en àcid sulfúric.

Perquè reaccioni tot el ferro(II) present en el mineral calen 20 mL d’una dissolució 0,2 M de permanganat de potassi. El percentatge de ferro en el mineral és:

8. La fabricació de l’acer implica una reducció del ferro. El procés es pot simplificar amb la reacció: Fe2O3(s) 1 3 CO(g) 3 CO2(g) 1 2 Fe(s) D’aquesta reacció es dedueix que: a) El Fe2O3 s’oxida.

a) 35 %

b) El CO s’oxida.

b) 45 %

c) El CO es redueix.

c) 56 % d) 65 %

d) Cap de les opcions anteriors és certa, ja que la reacció va en sentit contrari.

La resposta correcta és la c).

La resposta correcta és la b).

QUÍMICA 2

j Unitat 9. Aplicacions de les reaccions redox Activitats 1. Si fem passar un corrent elèctric per una dissolució aquosa de nitrat de cobalt(II) es desprèn oxigen i cobalt. a) Indica les reaccions que hi ha en cada elèctrode.

(2) Ànode Oxidació

1 H2O — 02 1 2 H1 1 2 e2 2

(1) Càtode Reducció Co21 1 2 e2 Co ________________________________________________ 1 Reacció global Co21 1 H2O Co 1 — 02 1 2 H1 2 b) Calcula la intensitat de corrent que es necessita per dipositar 10,72 g de cobalt en 33 minuts.

Per estequiometria: 1 mol Co 2 mol e2 96 500 C 10,72 g Co ? ————— ? ————— ? ————— 5 59 g Co 1 mol Co 1 mol e2 5 35 067,12 C Apliquem la fórmula següent: Q 35 067,12 C Q 5 I ? t I 5 — 5 —————— 5 17,71 A t 1 980 s c) Calcula el volum d’oxigen gasós mesurat a 25 °C i 9,5 ? 104 Pa. Per estequiometria, primer, i a partir de l’equació dels gasos ideals, després, esbrinem el volum d’oxigen que es desprèn: 1 mol Co 0,5 mol O2 10,72 g Co ? ————— ? ————— 5 0,09 mol O2 59 g Co 1 mol Co nRT p V 5 n R T V 5 ——— p 0,09 mol ? 8,31 J/(K?mol) ? 298 K 5 2,3 ? 1023 m3 O2 V 5 ————————————————— 9,5 ? 104 Pa 2. En l’electròlisi de 250 mL d’una dissolució 0,1 M de nitrat de plata es fa passar un corrent elèctric de 0,15 A durant 4 hores. a) Determina la massa de plata dipositada en el càtode.

En el càtode es produeix la reacció de reducció següent: Ag1 1 1 e2 Ag Apliquem la fórmula següent: Q 5 I ? t Q 5 0,15 A ? 14 400 s 5 2 160 C

09

99

Per estequiometria: 1 mol e2 1 mol Ag 108 g Ag 2 160 C ? ————— ? ————— ? ————— 5 2,42 g Ag 96 500 C 1 mol e2 1 mol Ag b) Calcula la concentració d’ió plata de la dissolució un cop acabada l’electròlisi. Suposa que el volum es manté.

Calculem la concentració d’ió plata que reacciona en l’electròlisi: 1 mol e2 1 mol Ag1 2 160 C ? ————— ? —————— 5 0,022 mol Ag1 96 500 C 1 mol e2 0,022 mol Ag1 [Ag1]reacciona 5 ———————— 5 0,088 M 0,25 dm3 La concentració final la calculem de la manera següent: [Ag1]final 5 [Ag1]inicial 2 [Ag1]reacciona [Ag1]final 5 0,1 M 2 0,088 M 5 0,012 M 3. Volem conèixer la quantitat d’electricitat que circula a través de dues cel.les electrolítiques connectades en sèrie. La primera conté una dissolució de nitrat de plata, mentre que la segona conté una dissolució de clorur de ferro(II). Si en el càtode de la primera s’han dipositat 1,3 g de plata: a) Determina el corrent elèctric que hi ha circulat.

En el càtode de la primera cel.la electrolítica es produeix la reacció de reducció següent: Ag1 1 1 e2 Ag Per estequiometria: 1 mol Ag 1 mol e2 96 500 C 5 1 162,65 C 1,3 g Ag ? —————— ? ————— ? ————— 107,9 g Ag 1 mol Ag 1 mol e2 b) Calcula l’augment de massa de la segona cel.la.

En el càtode de la segona cel.la electrolítica es produeix la reacció de reducció següent: Fe21 1 2 e2 Fe Per estequiometria: 58 g Fe 1 mol e2 1 mol Fe 1 162,65 C ? ————— ? ————— ? ————— 5 0,34 g Fe 1 mol Fe 96 500 C 2 mol e2 Per tant, el càtode ha augmentat 0,34 g.

4. Els aliatges de l’osmi s’empren per a la fabricació de puntes de bolígraf, ja que és un metall de gran duresa. Es fa passar un corrent continu de 2,7 A durant dues hores i mitja per una dissolució aquosa de sal d’osmi.

Determina la càrrega de l’ió osmi en la dissolució si en l’electròlisi s’han dipositat 7,98 g d’osmi en el càtode.

En aquest cas, la reacció que es produeix en el càtode és: (2) Càtode (reducció): Osx11 x e2 Os

100

09

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Apliquem la fórmula: Q 5 I ? t Q 5 2,7 A ? 9 000 s 5 24 300 C Per estequiometria: 1 mol e2 1 mol Os 190,2 g Os 24 300 C ? ————— ? ————— ? ————— 5 7,98 g Os 1 mol Os 96 500 C x mol e2 24 300 C ? 190,2 g Os x 5 ——————————— 5 6 mol e2 7,98 g Os ? 96 500 C Per tant, Os61 1 6 e2 Os. 5. El tal.li és un element verinós que es troba present en raticides. Construïm una pila amb un elèctrode de tal.li submergit en una dissolució de tal.li(I) i el càtode és de platí submergit en una dissolució de sulfat de ferro(II) i sulfat de ferro(III). Indica: a) Les semireaccions dels elèctrodes i la seva polaritat.

(2) Ànode Oxidació Tl Tl1 1 1 e2 (1) Càtode Reducció Fe31 1 1 e2 Fe21 _____________________________________________ Reacció global Tl 1 Fe31 Tl1 1 Fe21 b) El diagrama de pila.

Tl(s) |

Tl1

(aq)

(1 M) ||

Fe31

(aq)

(1 M),

Fe21

(aq)

(1 M) Pt(s)

6. D’acord amb les notacions de piles següents, indica les semireaccions dels elèctrodes i la seva la polaritat: a) Fe(s) | Fe21(aq) (1 M) || H1(aq) (1 M) | H2(g) (1 atm) (Pt) (2) Ànode Oxidació Fe Fe21 1 2 e2 (1) Càtode Reducció 2 H1 1 2 e2 H2 _____________________________________________ Reacció global Fe 1 2 H1 Fe21 1 H2 b) (Pt) I2(g) (1 atm) | I2(aq) (1 M) || AgI(s) | Ag(s) (2) Ànode Oxidació 2 I2 1 2 1 (1) Càtode Reducció Ag 1 e2 Ag ______________________________________________ Reacció global 2 I2 1 2 Ag1 I2 1 2 Ag I2

e2

7. En el laboratori disposem de magnesi, alumini, or i àcid nítric. a) Quines espècies escolliries per construir una pila amb el potencial més alt?

Per construir la pila amb el potencial més alt escollim l’or i el magnesi: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0 E°pila 5 E° (Au31/Au) 2 E° (Mg21/Mg) E°pila 5 1,50 V 2 (22,34 V) 5 3,84 V

b) Indica les semireaccions que es produiran a cada elèctrode, el sentit dels electrons i la reacció global de la pila.

Les reaccions que es produeixen en cada elèctrode són: (2) Ànode Oxidació (Mg Mg21 1 2 e2) ? 3 (1) Càtode Reducció (Au31 1 3 e2 Au) ? 2 ________________________________________________ Reacció global 3 Mg 1 2 Au31 3 Mg21 1 2 Au Dades: E° (Mg21/Mg) 5 22,34 V; E° (Al31/Al) 5 21,66 V; E° (Au31/Au) 5 1,50 V; E° (NO32/NO) 5 0,96 V 8. D’acord amb els potencials estàndard de reducció següents, indica: E° (Cl2/Cl2) 5 1,36 V; E° (Br2/Br2) 5 1,06 V; E° (I2/I2) 5 0,54 V a) Quina és l’espècie més oxidant?

El clor és l’espècie més oxidant, perquè el seu potencial estàndard de reducció és més gran i, per tant, té més tendència a reduir-se. b) La reacció entre l’ió clorur i el iode molecular és espontània?

Per tal que la reacció sigui espontània, cal que es compleixi la condició següent: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0 L’ió clorur només es pot oxidar; per tant, ha d’actuar com a ànode: E°pila 5 E°(I2/I2) 2 E°(Cl2/Cl2) 5 0,54 V 2 1,36 V 5 20,82 V Per tant, la reacció no és espontània. c) La reacció entre el clor molecular i l’ió bromur és espontània?

Per tal que la reacció sigui espontània, cal que es compleixi la condició següent: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0 El clor només es pot reduir; per tant, ha d’actuar com a càtode: E°pila 5 E°(Cl2/Cl2) 2 E°(Br2/Br2) 5 1,36 V 2 1,06 V 5 0,30 V Per tant, la reacció és espontània. d) Indica les semireaccions i les reaccions globals possibles.

La reacció que es produeix és: (2) Ànode Oxidació 2 Br2 Br2 1 2 e2 (1) Càtode Reducció Cl2 1 2 e2 2 Cl2 ______________________________________________ Reacció global 2 Br2 1 Cl2 Br2 1 2 Cl2

09

QUÍMICA 2

9. Tenint en compte el potencial E° (Ni21/Ni) 5 20,25 V i la força electromotriu de les piles següents: Cd(s) | Cd21(aq) (1 M) || Ni21(aq) (1 M) | Ni(s) Cd21

Cd(s) | (aq) (1 M) || E°pila 5 2,41 V

S2O822(aq)

(1 M) |

b) Indica la reacció global i calcula’n la FEM. La reacció global és:

E°pila 5 0,15 V

SO422(aq)

(1 M) (Pt)

101

2 Al 1 3 Cl2 2 Al31 1 6 Cl2 En calculem la FEM: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode

a) Dedueix E° (S2O822/SO422).

E°pila 5 E° (Cl2/Cl2) 2 E°(Al31/ Al) 5 1,36 V 2 (21,66 V)

De la FEM de la primera pila, deduïm el potencial estàndard de reducció del cadmi: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode 0,15 V 5 E° (Ni21/ Ni) 2 E° (Cd21/ Cd) 0,15 V 5 20,25 V 2 E° (Cd21/ Cd) E° (Cd21/ Cd) 5 20,4 V A partir de la FEM de la segona pila, deduïm el potencial estàndard de reducció que ens demana l’enunciat:

E°pila 5 3,02 V c) Si aquesta pila produeix un corrent de 80 mA, calcula el temps que durarà si el metall de l’ànode pesa 3 g.

Per estequiometria: 1 mol Al 3 mol e2 96 500 C 5 32 166,67 C 3 g Al ? ————— ? ————— ? ————— 27 g Al 1 mol Al 1 mol e2 Apliquem la fórmula següent:

Q Q 5 I?t t 5 — I 32 166,67 C t 5 —————— 5 439 583,38 s 5 111,7 h 80 ? 1023 A

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode 22 21 2,41 V 5 E° (S2O22 8 / SO4 ) 2 E° (Cd / Cd) 22 2,41 V 5 E°(S2O22 8 / SO4 ) 2 (20,4 V)

Dades: E° (Al31/Al) 5 21,66 V; E° (Cl2/Cl2) 5 1,36 V

22 E° (S2O22 8 / SO4 ) 5 2,01 V

12. Explica què pot passar quan en una dissolució de sulfat de ferro(II) s’introdueix una làmina de:

b) Escriu les semireaccions de les piles.

a) Níquel

Les semireaccions de la primera pila són:

b) Zinc

(2) Ànode Oxidació Cd Cd21 1 2 e2 (1) Càtode Reducció Ni21 1 2 e2 Ni ___________________________________________ Reacció global Cd 1 Ni21 Cd21 1 Ni I les de la segona pila: (2) Ànode Oxidació Cd Cd21 1 2 e2 2 2 SO22 (1) Càtode Reducció S2O22 8 1 2 e 4 ________________________________________________ Reacció global Cd 1 S2O22 Cd21 1 2 SO22 8 4 10. Busca informació sobre els avantatges i els inconvenients de les piles fotovoltaiques. Quines aplicacions quotidianes en coneixes?

c) Alumini d) Plata Dades: Eº (Fe21/Fe) 5 20,44 V; Eº (Fe31/Fe21) 5 0,77 V; Eº (Ni21/Ni) 5 20,25 V; Eº (Zn21/Zn) 5 20,76 V; Eº (Al31/Al) 5 21,66 V; Eº (Ag1/Ag) 5 0,8 V El Fe21 pot actuar com a càtode, reduint-se a Fe, i com a ànode, oxidant-se a Fe31: (2) Ànode

Oxidació

Fe21 Fe31 1 e2

(1) Càtode

Reducció

Fe21 1 2 e2 Fe

Els metalls níquel, zinc, alumini i plata només poden oxidar-se i, per tant, actuen com a ànode. En conseqüència, el ferro actua com a càtode. Sempre s’ha de complir que: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0

Resposta oberta.

a) Níquel Quan s’introdueix una làmina de níquel no hi ha reacció, ja que:

11. Donada la pila següent:

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode

Al | Al31(aq) || Cl2(aq) | Cl2(g) (Pt) E°pila 5

en condicions estàndards: a) Indica les semireaccions dels elèctrodes i la seva polaritat.

Les semireaccions de la primera pila són:

2 E° (Ni21/Ni) 5 20,44 V 2 (20,25 V)

E°pila 5 20,19 V , 0 b) Zinc Quan s’introdueix una làmina de zinc hi ha reacció:

(2) Ànode Oxidació (Al 13 (1) Càtode Reducció (Cl2 1 2 e2 2 Cl2) ? 3 ________________________________________________ Reacció global 2 Al 1 3 Cl2 2 Al31 1 6 Cl2 Al31

E° (Fe21/ Fe)

e2) ? 2

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode E°pila 5

E° (Fe21/Fe)

2 E° (Zn21/Zn) 5 20,44 V 2 (20,76 V) E°pila 5 0,32 V . 0

102

09

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

La reacció global és: (2) Ànode Oxidació Zn Zn21 1 2 e2 (1) Càtode Reducció Fe21 1 2 e2 Fe ___________________________________________ Reacció global Zn 1 Fe21 Zn21 1 Fe c) Alumini Quan s’introdueix una làmina d’alumini hi ha reacció:

14. El llautó és un aliatge de zinc i coure. Una mostra de 10 g de llautó és atacada per àcid clorhídric i es desprenen 1,4 L d’hidrogen mesurats a 1,01 ? 105 Pa i 25 °C. a) Escriu les reaccions que tenen lloc tenint en compte que: E° (Zn21/Zn) 5 20,76 V; E° (Cu21/Cu) 5 0,34 V; E° (H2/H1) 5 0,00 V. El zinc i el coure només es poden oxidar; per tant, els protons de l’àcid clorhídric s’han de reduir. S’ha de complir que: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode E°pila 5 E° (Fe21/Fe) 2 E° (Al31/Al) 5 20,44 V 2 (21,66 V) E°pila 5 1,22 V . 0 La reacció global és: (2) Ànode Oxidació (Al Al31 1 3 e2) ? 2 (1) Càtode Reducció (Fe21 1 2 e2 Fe) ? 3 ________________________________________________ Reacció global 2 Al 1 3 Fe21 2 Al31 1 3 Fe d) Plata Quan s’introdueix una làmina de plata no hi ha reacció, ja que: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode E°pila 5 E° (Fe21/Fe) 2 E° (Ag1/Ag) 5 20,44 V 2 0,8 V E°pila 5 21,24 V , 0 Dades:

E° (Fe21/Fe)

E° (Fe31/Fe21)

5 20,44 V; 5 0,77 V; E° (Ni21/Ni) 5 20,25 V; E° (Zn21/Zn) 5 20,76 V; E° (Al31/Al) 5 21,66 V; E° (Ag1/Ag) 5 0,8 V

13. El fluor reacciona amb els iodurs per donar els fluorurs corresponents. a) Escriu les equacions de les semireaccions que tenen lloc.

La reacció que es produeix és: (2) Ànode Oxidació 2 I2 I2 1 2 e2 (1) Càtode Reducció F2 1 2 e2 2 F2 _________________________________________ Reacció global 2 I2 1 F2 I2 1 2 F2 b) Si E° (I2/I2) 5 0,54 V, justifica quin dels tres valors de E° següents correspon a E° (F2/F2): 2,87 V; 10,52 V i 20,67 V. Sabem que perquè la reacció s’esdevingui, cal que es compleixi la condició següent: E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0 E°pila 5 E° (F2 /F2) 2 E° (I2 /I2) 5 E° (F2 /F2) 2 0,54 V . 0 L’únic valor que compleix aquesta condició és 2,87 V: E°pila 5 E° (F2 /F2) 2 E° (I2 /I2) 5 2,87 V 2 0,54 V . 0 Per tant:

E°(F2/F2) 5 2,87 V

El zinc es redueix segons: E° 5 0,76 V (2) Ànode Oxidació Zn Zn21 1 2 e2 1 2 (1) Càtode Reducció 2 H 1 2 e H2 E° 5 0,00 V ________________________________________________ Reacció global Zn 1 2 H1 Zn21 1 H2 E° 5 0,76 V En el cas del coure: (2) Ànode Oxidació Cu Cu21 1 2 e2 E° 5 20,34 V 1 2 (1) Càtode Reducció 2 H 1 2 e H2 E° 5 0,00 V ________________________________________________ Reacció global Cu 1 2 H1 Cu21 1 H2 E° 5 20,34 V El coure no reacciona, ja que E°pila , 0.

Per tant:

Zn 1 2 HCl ZnCl2 1 H2

b) Calcula el percentatge de cada metall present en l’aliatge.

Apliquem l’equació d’estat dels gasos ideals per esbrinar el nombre de mols d’hidrogen que s’han desprès: pV p V 5 n R T n 5 —— RT 1,01 ? 105 Pa ? 1,4 ? 1023 m3 n 5 —————————————— 5 0,057 mol H2 8,31 J/(K?mol) ? 298 K Per estequiometria: 1 mol Zn 65,4 g Zn 0,057 mol H2 ? ————— ? ————— 5 3,73 g Zn 1 mol Zn 1 mol H2 Calculem el percentatge de cada metall en la mostra de llautó: 3,73 g Zn —————— ? 100 5 37,3 % Zn 10 g mostra El llautó té un 37,3 % de Zn i un 62,7 % de Cu. 15. Si E° (Hg21/Hg) 5 0,85 V; E° (Cu21/Cu) 5 0,34 V: a) Indica quin és el càtode i quin és l’ànode i el sentit en què es mouen els electrons pel circuit exterior.

(2) Ànode Oxidació Cu Cu21 1 2 e2 (1) Càtode Reducció Hg21 1 2 e2 Hg ___________________________________________ Reacció global Cu 1 Hg21 Cu21 1 Hg Al circuit exterior els electrons van de l’ànode al càtode.

09

QUÍMICA 2

b) Fes un diagrama de pila.

Seguim el mateix procediment per als ions hidrogen:

(2) Cu(s) | Cu21 (1 M) || Hg21 (1 M) | Hg(s) (1) c) Calcula’n la FEM.

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode E°pila 5

1 mol H1 1 mol e2 5 400 C ? ————— ? ————— 5 0,056 mol H1 96 500 C 1 mol e2 0,2 mol HCl 1 mol H1 0,3 dm3 HCl ? ——————— ? —————— 5 0,06 mol H1 3 1 dm HCl 1 mol HCl

Calculem la FEM de la pila:

E° (Hg21/Hg)

103

2 E° (Cu21/Cu) 5 0,85 V 2 0,34 V E°pila 5 0,51 V

d) Calcula l’energia lliure de Gibbs de la reacció.

0,06 mol H1 2 0,056 mol H1 5 4 ? 1023 mol H1 4 ? 1023 mol H1 [H1] 5 ———————— 5 0,013 M 0,3 dm3 b) Determina la variació de pH produïda a la segona cel.la.

Calculem la variació d’energia lliure de Gibbs:

pH 5 2log [H1]

DG° 5 2n F E° 5 22 ? 96 500 ? 0,51 5 98 430 J 5 98,43 kJ

pHinicial 5 2log 0,2 5 0,698 pHfinal 5 2log 0,013 5 1,886

Activitats finals

DpH 5 1,886 2 0,698 5 1,188

1. En l’electròlisi de l’aigua, en quin elèctrode es forma l’oxigen? I l’hidrogen? En quin dels dos elèctrodes s’allibera més gas?

L’oxigen migra cap a l’ànode(1), elèctrode on es produeix l’oxidació, i l’hidrogen migra cap al càtode(2), on hi ha la reducció.

Cal destacar que els ions migren a l’elèctrode de signe contrari.

L’oxigen es forma, doncs, en l’ànode.

S’allibera més gas en el càtode, ja que per a una mateixa quantitat de corrent elèctric s’obté el doble d’hidrogen.

2. Es fa passar un corrent elèctric de 3 A durant mitja hora a través de dues cel.les electrolítiques connectades en sèrie que contenen 200 cm3 de dissolució de sulfat de coure(II) 0,5 M i 300 cm3 de dissolució d’àcid clorhídric 0,2 M. a) Calcula la concentració final d’ions coure(II) a la primera cel.la i d’ions hidrogen a la segona, suposant que el volum de la dissolució es manté constant.

Q 5 I ? t 5 3 A ? 1 800 s 5 5 400 C Calculem el nombre de mols d’ió Cu21 que reaccionen: 1 mol e2 1 mol Cu21 5 400 C ? ————— ? ————— 5 0,028 mol Cu21 96 500 C 2 mol e2 Per estequiometria, calculem els mols d’ió 0,2

dm3

Calcula les masses d’hidròxid de potassi i de clor obtingudes.

Apliquem la fórmula següent: Q 5 I ? t 5 3 000 A ? 3 600 s 5 1,08 ? 107 C 1 mol e2 1,08 ? 107 C ? ————— 5 111,92 mol e2 96 500 C 1 mol Cl2 71 g Cl2 111,92 mol e2 ? ————— ? ————— 5 3 973,16 g Cl2 2 2 mol e 1 mol Cl2 1 mol H1 1 mol OH2 111,92 mol e2 ? ————— ? —————— ?

1 mol e2 1 mol H1 1 mol KOH 56 g KOH ? —————— 5 6 267,52 g KOH ? —————— 1 mol OH2 1 mol KOH

Apliquem la fórmula següent:

Cu21

3. Una cel.la electrolítica conté una dissolució concentrada de clorur de potassi. Quan s’hi fa passar un corrent elèctric de 3 kA durant 1 h, a l’ànode s’obté clor i al càtode, hidrogen i ions hidròxid provinents de la reducció de l’aigua.

inicials:

1 mol Cu21 0,5 mol CuSO4 CuSO4 ? ——————— ? —————— 5 3 1 mol CuSO4 1 dm CuSO4 5 0,1 mol Cu21

Ara ja podem calcular els mols d’ió Cu21 finals: 0,1 mol Cu21 2 0,028 mol Cu21 5 0,072 mol Cu21 I la concentració respectiva: 0,072 mol Cu21 [Cu21] 5 ———————— 5 0,36 M 0,2 dm3

4. Una cel.la electrolítica conté sulfat de cadmi. a) Indica el nom i la polaritat de l’elèctrode en què es produirà la transformació dels ions cadmi.

Cd21 1 2 e2 Cd

càtode(2)

b) Calcula el temps necessari perquè es dipositin 6 ? 1021 ions cadmi si utilitzem un corrent elèctric de 2 A. 1 mol Cd21 6 ? 1021 ions Cd21 ? ——————————— ?

6,02 ? 1023 ions Cd21 2 mol e2 96 500 C ? —————— 5 1 923,6 C ? —————— 21 1 mol KOH 1 mol Cd Apliquem la fórmula: Q 1 923,6 C Q 5 I ? t t 5 — 5 ————— 5 961,8 s 5 16 min 1,8 s I 2A

104

09

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

5. Dues cel.les electrolítiques contenen dissolucions aquoses de nitrat de plata i d’àcid sulfúric, respectivament. Si hi fem passar la mateixa intensitat de corrent durant el mateix temps, obtenim a la primera 0,12 g de plata.

1 mol e2 2 mol OH2 900 C ? ————— ? —————— 5 9,33 ? 1023 mol OH2 96 500 C 2 mol e2 9,33 ? 1023 mol OH2 [OH2] 5 —————————— 5 0,093 M 0,1 dm3

Calcula els mols d’hidrogen alliberats a la segona cel.la.

p0H 5 2log [OH2] 5 2log 0,093 5 1,03

1 mol Ag 1 mol e2 96 500 C 5 107,32 C 0,12 g Ag ? ————— ? ————— ? ————— 107,9 g Ag 1 mol Ag 1 mol e2 1 mol e2 2 mol H2 107,32 C ? ————— ? ————— 5 5,56 ? 1024 mol H2 96 500 C 1 mol e2 6. Dues cel.les electrolítiques connectades en sèrie contenen una dissolució de clorur de coure(II) i una de nitrat de plata, respectivament. En circular-hi el corrent elèctric, a la primera cel.la es dipositen 3 ? 1022 àtoms de coure. Determina la massa de plata dipositada a la segona cel.la. e2

1 mol Cu 2 mol 3 ? 1022 àtoms Cu ? —————————— ? —————— 5 6,02 ? 1023 àtoms Cu 1 mol Cu 5 0,0996 mol e2 1 mol Ag 107,9 g Ag ? —————— 5 10,75 g Ag 0,0996 mol e2 ? ————— 1 mol Ag 1 mol e2 7. En passar un corrent continu de 10 A d’intensitat per una cuba electrolítica que conté una dissolució d’una sal de níquel(II), s’obtenen 58 g de níquel metàl.lic al cap de 5 h i 20 min. Calcula, a partir d’aquestes dades, el nombre d’Avogadro.

Apliquem la fórmula següent: Q 5 I ? t 5 10 A ? 19 200 s 5 192 000 C 1 mol Ni 2 mol e2 58 g Ni ? —————— ? ————— 5 1,976 mol e2 58,71 g Ni 1 mol Ni 192 000 C 1 e2 1 mol e2 ? ——————— ? ——————— 5 6,065 ? 1023 e2 2 1,976 mol e 1,602 ? 10219 C 8. En l’electròlisi del clorur de sodi en dissolució aquosa s’obté clor a l’ànode, i hidrogen i medi bàsic al càtode. Fem circular un corrent de 3 A durant 5 min per 100 mL d’una dissolució aquosa de clorur de sodi. a) Indica les equacions dels processos anòdic i catòdic i de la reacció global.

(1) Ànode Oxidació 2 Cl2 Cl2 1 2 e2 (2) Càtode Reducció 2 H2O 1 2 e2 H2 1 2 OH2 ________________________________________________ Reacció global 2 Cl2 1 2 H2O Cl2 1 H2 1 2 OH2 b) Calcula el pH de la solució final suposant que el volum de la solució es manté constant.

Apliquem la fórmula següent: Q 5 I ? t 5 3 A ? 300 s 5 900 C

pH 5 14 2 pOH 5 12,97 9. Indica si són certes o falses les afirmacions següents i justifica la resposta: a) Al càtode es produeix la reducció en l’electròlisi i l’oxidació en una pila.

Falsa, en el càtode sempre es produeix la reducció. b) Mitjançant l’electròlisi es produeixen reaccions redox no espontànies.

Certa, mitjançant el pas d’electricitat aconseguim que es produeixin reaccions redox no espontànies. c) A l’ànode sempre es produeix la reacció d’oxidació.

Certa. d) En una pila, en la qual una de les espècies implicades és l’ió clorur, el trobem al càtode.

Falsa, depèn del potencial estàndard de reducció de l’altra espècie. e) Tots els elements amb potencial normal de reducció positiu són oxidats per l’ió hidrogen, H1.

Falsa, és a l’inrevés.

10. Una pila té en una cel.la una vareta de platí submergida en una solució 1 M de Fe21 i 1 M de Fe31. L’altra cel.la consisteix en un elèctrode de tal.li metàl.lic en una solució 1 M de Tl1. a) Escriu les equacions de les reaccions que tenen lloc a l’ànode i al càtode, i la reacció global.

(2) Ànode Oxidació Tl Tl1 1 1 e2 E° 5 0,34 V (1) Càtode Reducció Fe31 1 1 e2 Fe21 E° 5 0,77 V ________________________________________________ Reacció global Fe31 1 Tl Fe21 1 Tl1 E° 5 1,11 V b) Escriu la notació de la pila i calcula’n la FEM. (2) Tl(s) | Tl1(aq) (1 M) || Fe31(aq) (1 M), Fe21(aq) (1 M) | Pt(s) (1) c) Calcula el valor de la variació de l’energia lliure de Gibbs estàndard de la reacció.

DG° 5 2n F E° 5 21 ? 96 500 ? 1,11 5 5 2107 115 J 5 2107,12 kJ Dades: E° (Tl1/Tl) 5 20,34 V; E° (Fe31/Fe21) 5 0,77 V

09

QUÍMICA 2

11. Una pila té la notació següent: (Pt) H2(1,01 ? 105 Pa) | H1 (1 M) || Ag1 (1 M) | Ag(s) Indica: a) La polaritat, el nom dels elèctrodes i les reaccions espontànies de cada elèctrode i de la pila.

(2) Ànode Oxidació H2 2 H1 1 2 e2 E° 5 0,0 V (1) Càtode Reducció Ag1 1 e2 Ag E° 5 0,80 V ________________________________________________ Reacció global 2 Ag1 1 H2 2 Ag 1 2 H1

c) Calcula la disminució de massa de l’ànode quan la pila hagi subministrat un corrent de 0,05 A durant mitja hora.

Apliquem la fórmula següent: Q 5 I ? t 5 0,05 A ? 1 800 s 5 90 C 1 mol e2 1 mol Cd 112,4 g Cd 90 C ? ————— ? ————— ? —————— 5 0,05 g Cd 1 mol Cd 96 500 C 2 mol e2 Dades: E° (Cd/Cd21) 5 20,40 V; E° (S2O822/SO422) 5 2,01 V 13. a) Dissenya i escriu la notació d’una pila basada en la reacció següent:

b) El valor de la FEM de la pila.

2 Ag1(aq) 1 Sn21(aq) 2 Ag(s) 1 Sn41(aq)

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode 5 0,80 V 2 0 V 5 0,80 V c) El valor de la variació de l’energia lliure de Gibbs estàndard de la reacció.

Pt | Sn21(aq) (1 M), Sn41(aq) (1 M) || Ag1(aq) (1 M) | Ag(s) V

DG° 5 2n F E° 5 22 ? 96 500 ? 0,80 5 2154 400 J 5 5 2154,4 kJ

–

e–

ànode

E° (Ag1/Ag)

Dades:

105

càtode

5 0,80 V Ag

Pt

12. Per a una pila la notació de la qual és: Cd | Cd21 (1 M) || S2O822 (1 M), SO422 (1 M) (Pt) a) Dibuixa el muntatge que faries i indica el material i els reactius que empraries per construir la pila.

V –

Ag1 (1 M)

Sn41

e–

ànode

Sn21

càtode

Pt

Cd

b) Indica la polaritat dels elèctrodes i escriu les equacions de les semireaccions que tenen lloc al càtode i a l’ànode.

(2) Ànode Oxidació Sn21 Sn41 1 2 e2 (1) Càtode Reducció Ag1 1 1 e2 Ag _____________________________________________ Reacció global Sn21 1 2 Ag1 Sn41 1 2 Ag

(1 M) S2O22 8 Cd21 1 M

SO

22 4

(1 M)

c) Calcula la FEM estàndard de la pila.

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0

b) Calcula la força electromotriu de la pila.

(2) Ànode Oxidació Cd Cd21 1 2 e2 2 2 SO22 (1) Càtode Reducció S2O22 8 1 2 e 4 ______________________________________________ Reacció global Cd 1 S2O22 Cd21 1 2 SO22 8 4 E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0

E°pila 5 E° (Ag1/Ag) 2 E° (Sn41/Sn21) E°pila 5 0,80 V 2 0,15 V 5 0,65 V Dades: E° (Sn41/Sn21) 5 0,15 V; E° (Ag1/Ag) 5 0,80 V 14. Donades les reaccions següents:

22 21 E°pila 5 E° (S2O22 8 / SO4 ) 2 E° (Cd/Cd )

Zn21(aq) 1 2 Ag(s) 2 Ag1(aq) 1 Zn(s)

E°pila 5 2,01 V 2 (20,40 V) 5 2,41 V

Cu21(aq) 1 Zn(s) Zn21(aq) 1 Cu(s)

106

09

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

a) Justifica si es pot muntar una pila o no i calcula’n la FEM estàndard.

E°pila 5 E° (Zn21/Zn) 2 E° (Ag1/Ag) E°pila 5 20,76 V 2 0,80 V , 0 no funciona

Perquè es produeixin les oxidacions cal que es compleixi la condició següent:

E°pila 5 E° (Cu21/ Cu) 2 E° (Zn21/ Zn)

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0

E°pila 5 0,34 V 2 (20,76 V) 5 1,10 V

22 2 21 E°pila 5 E° (S2O22 8 / SO4 ) 2 E° (MnO4 /Mn )

b) Fes un esquema del muntatge experimental de la pila i indica el material, els productes i les dissolucions que empraries.

Consulteu la figura 9.5 de la pàgina 176 del llibre de text.

Dades: E° (Zn21/Zn) 5 20,76 V; E° (Cu21/Cu) 5 0,34 V; E° (Ag1/Ag) 5 0,80 V 15. Al laboratori, disposem de plata, iode, ferro i fluor. Segons els potencials estàndard de reducció, quins dels compostos següents podem preparar mitjançant una reacció redox espontània? Justifica les respostes. a) AgI

Dades: E° (S2O822/SO422) 5 2,01 V; E° (MnO42/Mn21) 5 1,51 V; E° (F2/F2) 5 2,87 V

b) FeI3

E°pila 5 2,01 V 2 1,51 V 5 0,50 V 22 2 E°pila 5 E° (S2O22 8 / SO4 ) 2 E° (F2 /F )

E°pila 5 2,01 V 2 2,87 V , 0

No funciona

(2) Ànode Oxidació 1 2 (4 H2O 1 Mn21 MnO2 4 1 8 H 1 5 e )?2 2 2 SO22) ? 5 (1) Càtode Reducció (S2O22 8 1 2 e 4 ___________________________________________________ 22 2 21 8 H2O 1 2 Mn 1 5 S2O8 2 MnO4 1 16 H1 1 10 SO22 4

18. Sabent que: E° (Cd21/Cd) 5 20,40 V i E° (Cu21/Cu) 5 0,34 V

c) AgF

Dades: E° (Ag1/Ag) 5 0,80 V; E° (I2/I2) 5 0,54 V; E° (Fe31/Fe21) 5 0,77 V; E° (F2/F2) 5 2,87 V Mitjançant una reacció redox espontània podem preparar el compost AgF. La resposta correcta és la c).

a) Calcula el potencial de la pila, indica’n el càtode i l’ànode i el sentit en què es mouen els electrons pel circuit exterior.

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0

(2) Ànode Oxidació Cd Cd21 1 2 e2 (1) Càtode Reducció Cu21 1 2 e2 Cu __________________________________________ Reacció global Cd 1 Cu21 Cd21 1 Cu

E°pila 5 E° (I2 /I2) 2 E° (Ag1/Ag) 5 0,54 V 2 0,80 V , 0

E°pila 5 E°càtode 2 E°ànode . 0

Perquè la pila funcioni, cal que es compleixi la condició següent:

E°pila 5 E° (I2 E°pila 5 E° (F2

/I2)

/F2)

2

2

E° (Fe31/Fe21)

E° (Ag1/Ag)

5 0,54 V 2 0,77 V , 0

5 2,87 V 2 0,80 V 5 2,07 V

16. Justifica quines de les reaccions següents es produiran espontàniament en condicions estàndards: a) Ag(s) 1 H1(aq) Ag1(aq) 1 1/2 H2(g) E°pila 5 E° (H2 /H1) 2 E° (Ag1/Ag) E°pila 5 0 V 2 0,80 V 5 20,80 V

No funciona

b) Ag1(aq) 1 I2(aq) Ag(s) 1 1/2 I2(aq) E°pila 5 E° (Ag1/Ag) 2 E° (I2/I2) 5 0,80

V 2 0,54 V 5 0,26 V

E°pila 5 E° (Cu21/Cu) 2 E° (Cd21/ Cd) E°pila 5 0,34 V 2 (20,40 V) 5 0,74 V b) Justifica quin dels dos cations és més oxidant.

El Cu21 és més oxidant, perquè el seu potencial normal de reducció és més gran. c) Si aquesta pila produeix un corrent de 4,6 mA, calcula el temps que durarà si el metall de l’ànode pesa 2 g.

1 mol Cd 2 mol e2 96 500 C 5 2 g Cd ? ————— ? ————— ? ————— 112,4 g Cd 1 mol Cd 1 mol e2 5 3 434,16 C

c) Fe31(aq) 1 I2(aq) Fe21(aq) 1 1/2 I2(aq) E°pila 5 E° (Fe31/Fe21) 2 E° (I2 /I2) 5 0,77 V 2 0,54 V 5 5 0,23 V Dades: E° (Ag1/Ag) 5 0,80 V; E° (I2/I2) 5 0,54 V; E° (Fe31/Fe21) 5 0,77 V

Apliquem la fórmula: Q 3 434,16 C Q 5 I ? t t 5 — 5 —————— 5 I 4,6 ? 1023 A 5 746 556,5 s 5 207,4 h

17. L’ió peroxodisulfat és un oxidant enèrgic. Volem oxidar l’ió fluorur a fluor i l’ió manganès(II) a permanganat.

19. En electrolitzar una dissolució de clorur de coure(II) s’obté clor i coure.

Serà capaç l’ió peroxodisulfat de provocar aquestes oxidacions en condicions estàndard? Justifica la resposta.

S’electrolitzen 500 mL d’una dissolució de clorur de coure(II) 0,1 M emprant un corrent de 5 A durant 30 min.

09

QUÍMICA 2

107

Cu

a) Escriu les reaccions que tenen lloc als elèctrodes.

(1) Ànode

Oxidació

2 Cl2 Cl2 1 2 e2

(2) Càtode Reducció Cu21 1 2 e2 Cu __________________________________________ Reacció global 2 Cl2 1 Cu21 Cl2 1 Cu

ZnSO4(aq) 1 M

CuSO4(aq) 1

Fe

b) Calcula la massa de coure i el volum de clor mesurat a 27 °C i 1 atm.

Apliquem la fórmula següent:

Figura A

Q 5 I ? t 5 5 A ? 1 800 s 5 9 000 C

potenciòmetre

Per estequiometria: 63,5 g Cu 1 mol e2 1 mol Cu 9 000 C ? ————— ? ————— ? —————— 5 2 1 mol Cu 96 500 C 2 mol e

Cu

Zn

NaNO3(aq)

5 2,96 g Cu 1 mol e2 1 mol Cl2 9 000 C ? ————— ? ————— 5 0,047 mol Cl2 ZnSO 4(aq) 1 M 96 500 C 2 mol e2 Apliquem l’equació dels gasos ideals:

CuSO4(aq) 1 M

Fe

ZnSO4(aq) 1 M

nRT p V 5 n R T V 5 ——— p Figura A 0,047 mol ? 0,082 atm?L/(K?mol) ? 300 K V 5 ——————————————————— 5 1,16 L 1 atm

Figura B

Dades: Parell redox

c) Calcula la concentració en mol/L de la dissolució de coure(II) en acabar el procés d’electròlisi.

Per estequiometria, calculem els mols d’ió Cu21 inicials: Cu21

0,1 mol CuCl2 1 mol 0,5 dm3 CuCl2 ? ——————— ? —————— 5 1 dm3 CuCl2 1 mol CuCl2 5 0,05 mol Cu21 Calculem el nombre de mols d’ió Cu21 que reaccionen: 1 mol e2 1 mol Cu21 9 000 C ? ————— ? —————— 5 0,047 mol Cu21 96 500 C 2 mol e2 Ara ja podem calcular els mols d’ió Cu21 finals: 0,05 mol Cu21 2 0,047 mol Cu21 5 0,003 mol Cu21 I la concentració corresponent: 0,003 mol Cu21 [Cu21] 5 ———————— 5 0,006 M 0,5 dm3

Prepara la selectivitat 1. [Curs 11-12] Amb l’ajut de les figures (fig. 9.22), que representen experiències dutes a terme al laboratori, contesteu les qüestions següents i justifiqueu les respostes.

(Experiències realitzades al laboratori, a 25 °C.)

E° (V), a 25 °C

Zn21 / Zn

Fe21 / Fe

Cu21 / Cu

20,76

20,44

0,34

a) En l’experiència de la figura A, introduïm una peça de ferro en una solució aquosa de ZnSO4. La peça de ferro quedarà recoberta d’una capa de zinc sòlid?

Si això succeís, voldria dir que la reacció de formació de zinc sòlid a partir d’una solució de Zn21 seria espontània en presència de Fe(s): Fe(s) 1 Zn21(aq) Fe21(aq) 1 Zn(s) Raonament 1: Per saber si la reacció redox és espontània cal calcular la força electromotriu de la pila en què tingués lloc aquesta reacció en condicions estàndards (E°). Tenim: E° . 0 reacció redox espontània (opcional: espontani DG , 0) Calculem el valor de E°.

El càtode és Zn21/Zn (reducció) i l’ànode és el Fe21/Fe (oxidació).

E° 5 E°càtode 2 E°ànode 5 E°(Zn21/Zn) 2 E°(Fe21/Fe) E° 5 (20,76) 2 (20,44) 5 20,32 V , 0 E° , 0 Reacció no espontània. El ferro no es recobreix de zinc sòlid.

108

09

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Raonament 2: També es pot raonar indicant que el potencial de reducció del parell que es redueix (Zn21/Zn, càtode) hauria de ser més gran que el que s’oxida (Fe21/Fe, ànode) perquè la reacció sigui espontània.

La notació de la pila ens indica que el primer elèctrode (Zn) fa d’ànode (oxidació) i que el segon (Ag) fa de càtode (reducció).

Les semireaccions seran: Oxidació: Zn(s) Zn21(aq) 1 2 e2

Tenim: E°(Zn21/Zn) , E°(Fe21/Fe) ó E°càtode , E°ànode

Reducció: Ag1 1 1 e2 Ag(s)

Reacció no espontània. El ferro no es recobreix de zinc sòlid. b) En l’experiència de la figura B, es connecten les solucions aquoses de CuSO4 i ZnSO4 amb un pont salí de NaNO3.

Què marcarà el potenciòmetre? Cap a on es mouran els ions Na1 i NO32?

Hem de buscar quin parell redox fa de càtode i quin fa d’ànode. Entre el Cu i el Zn, el que tingui el potencial de reducció més alt fa de càtode: E0 (Cu21/Cu) . E0 (Zn21/Zn)

La reacció iònica global de la pila la trobarem sumant les dues semireaccions, havent doblat prèviament la de reducció per ajustar el nombre d’electrons intercanviats en el procés redox: Zn(s) 1 2 Ag1 Zn21(aq) 1 2 Ag(s) La força electromotriu (E°): E° 5 E°càtode 2 E°ànode

Cu21/Sn

Càtode

E° 5 (10,80) 2 (20,76)

Zn21/Zn

Ànode

E° 5 1,56 V

• També és correcte si indiquen que la pila ha de donar una força electromotriu positiva (E°), i fan càlculs per deduir que el parell Cu 21/Cu ha de ser el càtode.

La força electromotriu (FEM) d’aquesta pila és: E° 5 E°càtode 2 E°ànode 5 E°(Cu21/Cu) 2 E°(Zn21/Zn) E° 5 (0,34) 2 (20,76) 5 1,10 V El potenciòmetre marcarà: 1,10 V • Si no indiquen les unitats (o són errònies) es penalitzarà 0,2 p.

Els ions Na1 del pont salí aniran cap la cel?la on disminueixi la concentració d’ions positius. En el càtode reaccionen ions Cu21 (ions positius) per donar Cu(s):

b) Dibuixeu un esquema de la pila. Indiqueu-hi la polaritat i el nom de cada elèctrode i assenyaleu en quin sentit es mouen els ions del pont salí.

Dades: Parell redox Zn21/ Zn Ag1/Ag E°(V), a 25 °C 20,76 10,80 Parell redox E° (V), a 25 °C

Ag càtode polaritat +

Zn21 / Zn

Ag1 / Ag

20,76

10,80

Zn ànode polaritat –

KNO3 2 M

Cu21 1 2 e2 Cu Els ions Na1 aniran cap a la cel?la on hi ha el parell Cu21/Cu (càtode) per compensar el descens de càrrega positiva de la semireacció de reducció. ?

Els ions NO2 3 del pont salí aniran cap la cel la on augmenti la concentració d’ions positius. En l’ànode reacciona el Zn(s) per donar Zn21 (ions positius): Zn Zn21 1 2 e2 Els ions NO32 aniran cap a la cel?la on hi ha el parell Zn21/Zn (ànode) per compensar l’augment de càrrega positiva de la semireacció d’oxidació.

2. [Curs 09-10] A partir de solucions de Zn21 1,0 M i Ag1 1,0 M, i emprant una solució de KNO3 2,0 M com a pont salí, es construeix al laboratori la pila següent, a una temperatura de 25 °C: Zn(s) u Zn21(aq) u u Ag1(aq) u Ag(s) a) Escriviu les equacions de les semireaccions d’oxidació i reducció, i l’equació de la reacció iònica global de la pila. Calculeu-ne la força electromotriu (FEM).

Ag+ 1 M

Zn2+ 1 M

Esquema de la pila: dues cel?les, elèctrodes i solucions i pont salí Ag (càtode) polaritat positiva (1) Zn (ànode) polaritat negativa (2) Els ions K1 del pont salí es mouran cap al càtode per compensar la càrrega positiva que reacciona, mentre que els ions NO2 3 es mouran cap a l’ànode per compensar la càrrega positiva que es genera. (No cal que indiquin el raonament.)

3. [Curs 09-10] Al laboratori disposem d’una solució aquosa de Zn21 1,0 M, d’una solució aquosa de Cu21 1,0 M i de ferro i alumini sòlids.

Dades: Considereu que les reaccions es produeixen a 25 °C. F 5 9,65 ? 104 C?mol21.

09

QUÍMICA 2

Temperatura 5 5 25 °C

Cu21 / Cu

Fe21 / Fe

Zn21 / Zn

Al31 / Al

10,34

20,44

20,76

21,68

E° (V)

a) Quina reacció faríeu per obtenir zinc sòlid? Justifiqueu la resposta.

Per obtenir Zn sòlid cal fer reaccionar la solució de Zn21 amb Fe o Al sòlids.

DG° 5 2n ? F ? E° 5 26 ? 9,65 ? 104 ? 2,02 DG° 5 21 169 580 J (o 21 169,58 kJ) 4. [Curs 10-11] Quan es fabrica una reixa de ferro per collocar-la a l’exterior d’un habitatge, es pinta freqüentment amb una capa de vermell de plom (mini) per evitar la corrosió del ferro.

Dades: Suposeu que la temperatura ambiental és de 298 K. Parell redox

Reaccions possibles: Zn21 1 Al(s) Zn(s) 1 Al31 (reacció no igualada) Zn21 1 Fe(s) Zn(s) 1 Fe21 Cal saber el signe de E°.

Si E° . 0 1DG , 0 (reacció espontània) Possibilitat 1: calcular els valor de E° per a les dues reaccions.

Per a la primera reacció:

109

Potencial estàndard de reducció, a 298 K, E° (V)

Zn21 / Zn

Ni21 / Ni

Fe21 / Ag1 / Fe Ag

O2 / H2O

20,76

20,24

0,36

1,23

0,80

a) Si comparem els metalls ferro, níquel, plata i zinc, indiqueu quins són susceptibles de ser corroïts per les condicions ambientals.

Si la reacció entre l’oxigen i el metall (corrosió) es produís en una pila, el potencial de la cel?la seria:

E° 5 E°càtode 2 E°ànode

E° 5 E°càtode 2 E°ànode 5 E°(O2 /H2O) 2 E°(Mn1/M)

E°(Zn21/Zn) 2 E°(Al31/Al)

Segons l’equació: DG° 5 2n ? F ? E°, quan E° és positiu tenim una variació d’energia lliure negativa i el procés és espontani.

E° 5 (20,76) 2 (21,68) 5 0,92 V . 0 Si calculem el valor de E° per a la segona reacció (amb Fe), trobem E° , 0.

Cal afegir alumini sòlid.

Possibilitat 2: perquè E° sigui positiu, cal que l’espècie que es redueix (Zn) tingui un potencial més alt que la que s’oxida (Fe o Al). Això succeeix amb l’alumini: E°(Zn21/ Zn) , E°(Fe31/ Fe) reacció no espontània E°(Zn21/ Zn)

.

E°(Al31/Al)

reacció espontània

Cal afegir alumini sòlid. b) Escriviu l’equació de la reacció entre la solució aquosa de Cu21 i l’alumini sòlid i calculeu l’energia lliure estàndard d’aquesta reacció.

Semireaccions: Reducció: Cu21 1 2 e2 Cu(s) Oxidació: Al(s) Al31 1 3 e2

Per tant, tots els metalls donats (Zn, Ni, Fe i Ag) són susceptibles de ser corroïts, ja que el potencial estàndard de reducció de l’espècie que es redueix (O2) és més gran que el de l’espècie que s’oxida (el metall). b) Quin d’aquests metalls té més facilitat per dur a terme un procés de corrosió? Justifiqueu les respostes.

El metall que tingui el potencial estàndard de reducció més petit és el que donarà un potencial de cel?la (E°) més gran i és el que tindrà més facilitat per dur a terme el procés de corrosió. Amb les dades de la taula, el Zn és el metall amb més facilitat per dur a terme el procés de corrosió.

5. [Curs 09-10] El procés electrolític de producció de Cl2 i NaOH a partir de l’aigua de mar (solució salina constituïda principalment de NaCl) es basa en el següent esquema (fig. 9.23) i semireaccions: Dades: F 5 9,65 ? 104 C?mol21 Massa atòmica relativa del clor 5 35,5

Cal multiplicar la primera equació per 3 i la segona per 2 per poder igualar els electrons que intervenen en el procés redox.

+ –

3 Cu21 1 2 Al(s) 3 Cu(s) 1 2 Al31 (reacció igualada) És correcte si igualen sense les semireaccions (per tempteig). És correcta qualsevol altra equació igualada que sigui múltiple o submúltiple de l’anterior.

L’energia lliure es calcula amb l’expressió: DG° 5 2n ? F ? E° n56 E° 5 E°càtode 2 E°ànode E°(Cu21/Cu) 2 E°(Al31/Al) 5 E° 5 5 (10,34) 2 (21,68) 5 2,02 V

Na+

Cl– H2O

110

09

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

a) Indica quina reacció té lloc a l’ànode i quina al càtode, i la polaritat d’aquests elèctrodes. Explica per què en aquest procés es forma NaOH. (1) Ànode Cl2 1/2 Cl2 1 1 e2 (2) Càtode H2O 1 1 e2 1/2 H2 1 OH2 —————————————————————————————— Na1 1 Cl2 1 H2O 1/2 H2 1 1/2 Cl2 1 Na1 1 OH2 En el procés es forma NaOH, ja que el potencial de reducció del sodi és més petit que el de l’hidrogen. b) Quina massa de Cl2(g) es produeix en la cel?la electrolítica si hi fem passar un corrent de 100 mA durant 1 hora?

Q 5 I?t

Q 5 0,1 A ? 3 600 s 5 360 C

71 g 1 mol e2 1/2 mol Cl2 ? ————— 5 0,1324 g 360 C —————— ? —————— 1 mol Cl2 96 500 C 1 mol e2

a) La concentració de Zn21 disminueix a mesura que té lloc la reacció. b) El potencial estàndard de la pila és 1,01 V. c) La massa de l’elèctrode de Ni disminueix a mesura que té lloc la reacció. d) La concentració de Ni21 disminueix a mesura que té lloc la reacció.

La resposta correcta és la d).

4. L’alumini es pot obtenir mitjançant l’electròlisi de Al2O3.

Quina és la càrrega necessària per obtenir 100 g d’alumini? a) 10,72 ? 105 C b) 5,12 ? 105 C c) 8,70 ? 106 C d) 9,16 ? 104 C

Quimitest

La resposta correcta és la a).

1. Quina de les reaccions següents no es produeix en condicions estàndards?

Dades: E° (Fe31/Fe21) 5 0,77 V; E° (Br2/Br2) 5 1,06 V; E° (MnO42/Mn21) 5 1,51 V; E° (F2/F2) 5 2,87 V; E° (I2/I2) 5 0,54 V; E° (NO32/NO2) 5 0,78 V; E° (Ag1/Ag) 5 0,8 V; E° (H2O2/H2O) 5 1,78 V a) 2 FeBr2 1 Br2 2 FeBr3 b) 2 KMnO4 1 10 KF 1 8 H2SO4 5 F2 1 2 MnSO4 1 6 K2SO4 1 8 H2O c) 2 HI 1 2 HNO3 I2 1 2 NO2 1 2 H2O d) 2 Ag 1 H2O2 1 H2SO4 Ag2SO4 1 2 H2O La resposta correcta és la b).

2. Quin és el valor de l’energia lliure de Gibbs a la pila següent?

5. Indica quina de les afirmacions és incorrecta: Dades: E° (Mg21/Mg) 5 22,34 V; E° (Zn21/Zn) 5 20,76 V; E° (Ag1/Ag) 5 0,8 V; E° (Cd21/Cd) 5 20,40 V a) En una pila, el zinc fa de càtode, i el magnesi, d’ànode. b) La FEM d’una pila formada per cadmi i plata té el valor d’1,2 V. c) El cadmi davant del magnesi es comporta com un reductor. d) El magnesi és molt més reductor que el cadmi.

La resposta incorrecta és la c).

6. Tenint en compte els valors dels potencials normals de reducció, E°, els metalls de la llista següent que es dissoldran espontàniament en una dissolució aquosa de HCl 1 M són:

Dades: E° (Sn21/Sn) 5 20,14 V; E° (Pb21/Pb) 5 20,13 V

Dades: E° (Fe21/Fe) 5 20,44 V; E° (Ag1/Ag) 5 0,8 V; E° (Zn21/Zn) 5 20,76 V; E° (Al31/Al) 5 21,66 V; E° (Cu21/Cu) 5 0,34 V

a) 21,9 kJ?mol21

a) L’alumini, el coure i el zinc.

b) 22,9 kJ?mol21

b) El coure i la plata.

c) 20,9 kJ?mol21

c) El ferro, el zinc i el coure.

(2) Sn(s) |

d) 2,9

Sn21

(1 M) ||

Pb21

(1 M) | Pb(s) (1)

kJ?mol21

La resposta correcta és la a).

3. Una pila consta d’una semicel.la amb un elèctrode de zinc submergit en una dissolució 1 M de Zn21. L’altra semicel.la consisteix en un elèctrode de níquel submergit en una dissolució 1 M de Ni21. Quina de les afirmacions següents és correcta?

Dades: E° (Zn21/Zn) 5 20,76 V; E° (Ni21/Ni) 5 20,25 V

d) El ferro, el zinc i l’alumini.

La resposta correcta és la b).

7. Què passa si posem una dissolució de sulfat de coure(II) en un recipient de zinc? I en un de plata?

Dades: E° (Ag1/Ag) 5 0,8 V; E° (Zn21/Zn) 5 20,76 V; E° (Cu21/Cu) 5 0,34 V a) El recipient de plata es desfà.

09

QUÍMICA 2

b) El recipient de zinc es desfà. c) El coure es redueix en el recipient de plata. d) El zinc es redueix en contacte amb el sulfat de coure(II).

La resposta correcta és la b).

8. L’acumulador de plom és una cel.la electroquímica que serveix per posar en marxa el motor d’un cotxe. Un cop esgota-

111

da, pot ser recarregada fàcilment mitjançant un corrent elèctric. La reacció global del procés és: Pb(s) 1 PbO2(s) 1 2 H2SO4(aq) 2 PbSO4(s) 1 2 H2O(l) Si es recarrega l’acumulador amb un corrent elèctric d’1,5 A durant 3 hores, la variació en la massa del plom és de: a) 16,2 g

b) 17,4 g

La resposta correcta és la b).

c) 23,2 g

d) 25,3 g

10

112

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

j Unitat 10. Propietats periòdiques dels elements

Els elements situats als pics de la figura tenen aquestes configuracions electròniques:

Activitats 1. Un element pertany al grup 2 i al tercer període. Quina és la seva configuració electrònica?

1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 2. L’urani torna a ser un element molt controvertit, perquè la crisi econòmica provocada per l’augment incontrolat del preu del petroli l’ha tornat a posar damunt la taula com a alternativa energètica a les centrals nuclears. Tenint en compte que el seu nombre atòmic és 92, on el situaries en la taula periòdica?

En el període 7 i dins el actínids.

3. [Curs 09-10] Amb l’ajut de la gràfica (fig. 10.9), en què es mostra l’energia d’ionització dels seixanta primers elements de la taula periòdica, responeu a les qüestions següents:

Z 5 18

1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6

Z 5 36

1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 3 p6

Observem que totes les configuracions acaben amb un orbital p ple, és a dir, 6 electrons (grup dels gasos nobles).

El fet de tenir el darrer orbital complet d’electrons fa que costi molt arrencar-ne un i, per tant, aquests elements tenen valors de la primera energia d’ionització molt alts, comparats amb els altres elements de la taula periòdica. b) Compareu l’energia d’ionització del sodi (Z 5 11) amb la del magnesi (Z 5 12) i justifiqueu-ne els valors segons les estructures electròniques d’aquests dos elements.

La primera energia d’ionització del magnesi és més alta que la del sodi, com s’observa a la figura; per tant, cal donar més energia al magnesi que al sodi per arrencar-ne un electró.

Si fem les configuracions electròniques dels dos elements: Na: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s1

Observem que els dos elements tenen l’electró més extern (electró que s’arrencarà) en l’orbital 3 s.

Z = 10 Primera energia d’ionització (kJ · mol–1)

1 s2 2 s2 2 p6

Mg: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2

2500

2000

Raonament 1 Com que el radi atòmic del magnesi és més petit que el del sodi (els dos tenen els electrons més externs en la capa 3, però el magnesi té un protó i un electró més, i això en fa disminuir el radi), costarà més arrencar un electró de l’orbital 3 s en el magnesi que no en el sodi.

Z = 18 1500

Z = 36

Raonament 2

1000

500

Z 5 10

El magnesi té l’orbital 3 s ple (complet amb els 2 electrons), mentre que el sodi no el té complet. Això farà que costi més arrencar l’electró al magnesi que al sodi, ja que el magnesi té una configuració electrònica més estable.

Z = 11

4. [Curs 10-11] El clorur de sodi és un compost molt present a les nostres vides, ja que és el component majoritari de la sal de cuina.

10

20

30 40 50 Nombre atòmic (Z)

60

Fig. 10.9. Primera energia d’ionització en funció del nombre atòmic.

a) Definiu el concepte d’energia d’ionització d’un element.

Justifiqueu, a partir de l’estructura electrònica dels àtoms, per què la primera energia d’ionització és tan alta en els elements situats en els pics de la figura.

L’energia d'ionització és l’energia que cal subministrar a un element en estat gasós per arrencar-ne un electró: A(g) A1(g) 1 1 e2 (primera energia d’ionització)

a) Raoneu, a partir de les dades que teniu a continuació, si el procés de dissolució del clorur de sodi en aigua és un procés endotèrmic o exotèrmic. Quins noms reben les variacions d’entalpia DH1 i DH2?

Na1(g) 1 Cl2(g) NaCl(s)

DH1 5 2788 kJ?mol21

Na(g) 1 Cl(g) Na(aq) 1 Cl(aq)

DH2 5 2784 kJ?mol21

Tenim les equacions següents: Na1(g) 1 Cl2(g) NaCl(s)

DH1 5 2788 kJ?mol21

Na(g) 1 Cl(g) Na(aq) 1 Cl(aq)

DH2 5 2784 kJ?mol21

QUÍMICA 2

Aplicant la llei de Hess, es pot trobar que si invertim la primera equació i li sumem la segona, obtenim l’equació de la reacció de dissolució del NaCl(s): NaCl(s) Na(aq) 1 Cl(aq) DH3 entalpia de dissolució del NaCl

10

113

Cl: 12,97 eV; C: 11,26 eV; Na: 5,14 eV; Rb: 4,18 eV. Es pot explicar perquè la més alta ha de ser la del clor (més a la dreta i més amunt) i la més baixa ha de ser la del rubidi. La del carboni ha de ser més alta que la del sodi perquè està situat més a la dreta.

El procés de dissolució és un procés endotèrmic, ja que la variació d’entalpia és superior a zero.

7. L’obtenció d’energia elèctrica a partir de cel.les fotovoltaiques s’ha incrementat considerablement en els darrers anys.

Malgrat que s’està investigant amb diversos materials per substituir-lo, el silici encara és l’element de referència amb el qual es fabriquen la majoria de les plaques fotovoltaiques. Quin dels elements següents té una afinitat electrònica més elevada que la del silici: l’alumini, el potassi, el bari o el sofre?

DH1 és l’entalpia reticular del clorur de sodi i DH2 és la variació d’entalpia del procés d’hidratació dels ions sodi i clorur.

És el sofre, perquè és l’únic que és més a la dreta del silici en la taula periòdica.

Per tant, la variació d’entalpia del procés de dissolució del clorur de sodi serà: DH3 5 (2DH1) 1 (DH2) 5 2(2788) 1 (2784) DH3 5 4 kJ?mol21

Una altra manera de visualitzar el càlcul de l’entalpia de dissolució seria amb el diagrama d’entalpies següent: Entalpia

El radi atòmic de l’argó és inferior al del clor perquè el clor és més a l’esquerra en la taula periòdica.

ions gasosos

ions hidratats en solució ions en el cristall

H2 = –784 kJ · mol–1

H1 = –788 kJ · mol

–1

8. Indica quin és l’error en l’afirmació següent: «El radi atòmic de l’argó és superior al del clor, però inferior al del criptó; en canvi, el caràcter oxidant del clor és superior al de l’argó».

H3 ?

b) Expliqueu per què el procés de dissolució del clorur de sodi és espontani.

9. Dels elements següents, quin té un caràcter més metàl.lic i quin un de més no metàl.lic: Co, Pt, Ba, Cl, He, Ar i Cu? Caràcter més metàl.lic: l’element de més a l’esquerra i més avall és el bari. Caràcter menys metàl.lic o més no metàl.lic: l’element més a la dreta i més amunt (excepte els gasos nobles) és el clor.

10. Qui oxidaria a qui en les parelles d’elements següents: S/Ca, Na/N, Fe/Cl, O/F? S/Ca: el sofre oxida el calci.

Na/N: el nitrogen oxida el sodi.

Perquè el procés de dissolució del clorur de sodi sigui espontani cal que la variació d’energia lliure del procés sigui negativa: DG , 0

Fe/Cl: el clor oxida el ferro.

A pressió i temperatura constants:

Activitats finals

DG 5 DH 2 T ? DS Tot i que la variació d’entalpia del procés de dissolució del NaCl és positiva (4 kJ?mol21), tenim una variació d’entropia positiva, ja que en el procés hi ha un augment important del desordre molecular. A temperatura ambient podem suposar que el terme T ? DS és superior al terme DH i, per tant, la variació d’energia és negativa (procés espontani).

5. Dels elements següents, quin és menys electronegatiu que el ferro: el sofre, el brom, el titani, el coure, el zinc, l’hidrogen o l’oxigen?

El titani, que és l’únic que és més a l’esquerra del ferro en la taula periòdica. Tots els altres són més a la dreta, i alguns més amunt, de la taula periòdica.

6. Les primeres energies d’ionització dels elements clor, carboni, sodi i rubidi són: 5,14 eV; 11,26 eV; 4,18 eV; 12,97 eV. Relaciona cada energia amb l’element que hi correspon.

O/F: el fluor oxida l’oxigen.

1. Per als tancaments metàl.lics s’utilitza l’alumini per les seves propietats. L’alumini té un nombre atòmic de 13. a) Escriu-ne la configuració electrònica.

1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p1 b) Indica el període i el grup al qual pertany.

Període 3 i grup 13.

2. La configuració electrònica d’un element és 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p1. Indica’n: a) El nombre atòmic.

Nombre atòmic 15. b) El període i el grup.

Període 3 i grup 15.

114

10

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

3. Associa les configuracions electròniques següents a la solució correcta: a) 1 s2 2 s2 2 p6

Nombre atòmic 38

b) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d 2

Configuració electrònica: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p6 5 s2

(2) Element de transició

Grup 2

c) [Xe] 6 s1

Període 5

(3) Alcalí

Ió més estable: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p6 (Sr21)

d) [Kr] 5 s2 4 d 10 5 p5 (6) Grup 17

6. Només una de les afirmacions següents —referides a la primera energia d’ionització— és correcta. Indica quina.

e) [Xe] 6 s2 4 f 14

a) El Na té més energia d’ionització que el Cs.

(5) Gas noble

b) El F té menys energia d’ionització que el K.

f ) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2

c) El Na i el Li tenen la mateixa energia d’ionització.

(1) 3r període

d) El Se té una energia d’ionització més gran que el O.

Possibles solucions:

e) L’element que té més energia d’ionització és el Cs.

(1) 3r període

L’única afirmació correcta és la a).

(2) Element de transició (3) Alcalí

7. Quants kJ es necessiten per arrencar un electró a 1 250 àtoms de Fe?

(4) Lantànid (5) Gas noble

Dades: Ei (Fe) 5 7,87 eV/àtom

(6) Grup 17

1 kJ 7,87 eV 1,602 ? 10219 J 1 250 àtoms Fe ? —————— ? ———————— ? ———— 5 1 àtom Fe 1 eV 1 000 J

4. Quines de les afirmacions següents són correctes? a) La configuració electrònica de l’última capa d’un halogen és ns2 np6. b) Un element de transició omple els orbitals p. c) L’element de nombre atòmic 20 pertany al quart període. ns1.

e) L’últim element conegut de la taula periòdica és del setè període.

Les respostes c), d) i e) són correctes.

5. Determina la configuració electrònica, el grup, el període i l’ió més estable dels elements de nombres atòmics 30, 35 i 38.

Nombre atòmic 30 Configuració electrònica: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 Grup 12 Període 4 Ió més estable: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 3 d10 (Zn21) Nombre atòmic 35 Configuració electrònica: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p5

Període 4 Ió més estable: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p6 (Br2)

(5) Gas noble

d) La configuració electrònica externa d’un metall alcalí és

Grup 17

5 1,58 ? 10218 kJ 8. Com expliques el fet que la segona energia d’ionització del Mg és de 15,03 eV mentre que la del Li és de 75,62 eV? Amb la segona energia d’ionització el magnesi passa a Mg21 i assoleix una configuració electrònica estable; per això, l’energia és baixa. En canvi, la segona energia d’ionització del liti és alta, perquè passa a Li21, que no presenta una configuració electrònica estable.

9. Quanta energia, expressada en kJ, es desprèn quan tots els àtoms d’un mol de silici capten un electró?

Dades: Eaf (Si) 5 21,24 eV/àtom 6,02 ? 1023 àtom Si 1,24 eV 1,602 ? 10219 J 1 mol Si ? ————————— ? ————— ? ——————— ?

1 mol Si 1 àtom Si 1 eV 1 kJ ? ———— 5 119,59 kJ/mol 1 000 J 10. Ordena de menor a major l’electroafinitat dels elements següents: Ge, Si, Pb, C i Sn. L’electroafinitat augmenta de baix a dalt en un grup; per tant: Pb , Sn , Ge , Si , C.

QUÍMICA 2

11. L’ió potassi és més gran, igual o més petit que l’àtom de potassi? Raona la resposta.

L’ió potassi és més petit que l’àtom de potassi, perquè té un nivell energètic menys:

10

115

c) 2, 3, 5 d) 1, 2, 4, 5 e) 1, 2, 3, 5

[K] 5 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s1 (4 nivells)

f ) 2, 4

[K1] 5 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 (3 nivells)

L’única afirmació errònia és la 4; per tant, la resposta correcta és la e).

12. Ordena els elements Ca, Sr, Ba i Be en ordre creixent de: a) Primera energia d’ionització.

La primera energia d’ionització augmenta de baix a dalt en un grup: Ba , Sr , Ca , Be. b) Volum atòmic.

El volum atòmic augmenta de dalt a baix en un grup: Be , Ca , Sr , Ba. c) Caràcter reductor.

El caràcter reductor augmenta de dalt a baix en un grup: Be , Ca , Sr , Ba. 13. Ordena, en ordre creixent, els radis atòmics dels elements Si, Cl, S i P. El radi atòmic augmenta de dreta a esquerra al llarg d’un període: Cl , S , P , Si. 14. Ordena els elements P, F, Fe, O, Mg i Rb, de menys a més electronegativitat.

L’electronegativitat augmenta d’esquerra a dreta al llarg d’un període, i de baix a dalt en un grup: Rb , Mg , Fe , P , O , F. [56] 5 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p6 5 s2 4 d 10 5 p6 6 s2 És del grup 2, alcalinoterris, i del període 6. La configuració electrònica acaba en 6 s2.

15. Els nombres atòmics de quatre elements són 8, 16, 17, 52.

Quines de les afirmacions següents són correctes?

1) L’element de nombre atòmic 8 és més electronegatiu que l’element de nombre atòmic 16.

2) El radi atòmic de l’element de nombre atòmic 16 és més gran que el radi de l’element de nombre atòmic 8, però més petit que el radi de l’element de nombre atòmic 52.

3) El primer potencial d’ionització de l’element de nombre atòmic 16 és més petit que el potencial de l’element de nombre atòmic 17.

4) L’electronegativitat de l’element de nombre atòmic 16 és més gran que l’electronegativitat de l’element de nombre atòmic 17.

5) Els elements de nombre atòmic 8, 16 i 52 pertanyen al mateix grup de la taula periòdica.

Indica el conjunt d’afirmacions correctes: a) 1, 2, 5 b) 1, 3, 5

16. Quin dels elements següents és el més reductor: Cl, B, Mg o Rb? Per què?

El poder reductor augmenta de dalt a baix en un grup, i de dreta a esquerra en un període; per tant, l’element més reductor és el Rb, perquè és més a l’esquerra i més avall que els altres elements.

17. Un element A i un altre B tenen les configuracions electròniques següents: A: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s1 B: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d 10 4 p5 Compara’n les propietats periòdiques. Justifica les respostes.

L’element A és a l’esquerra de la taula periòdica (metall alcalí) i l’element B és a la dreta (halogen); per tant: — L’energia d’ionització, l’afinitat electrònica, l’electronegativitat i el caràcter oxidant de l’element A és inferior a l’element B. — El caràcter metàl.lic i el poder reductor són més elevats en l’element A. — El radi atòmic és difícil de determinar, ja que l’element A és més a l’esquerra i l’element B més avall de la taula periòdica. En realitat, A té un radi atòmic més gran que B. 18. Les espècies H, He1 i Li21 són isoelectròniques (tenen el mateix nombre d’electrons). Quina tindrà: a) El radi més gran?

En el cas dels àtoms, el Li és el que té un radi més gran. En esdevenir cations, es produeix una contracció i es pot dir que tindran volums similars; però, teòricament, el H, com que té menys càrrega nuclear, és el que hauria de tenir un radi més gran. b) L’energia d’ionització més gran?

L’ió He1 és el que probablement tindrà una energia d’ionització més gran, ja que és un gas noble i el fet de passar a ió He1 ja és molt costós energèticament. També serà bastant costós energèticament passar de Li21 a Li31.

L’energia d’ionització més petita, amb diferència, serà la del H. Justifica les respostes.

19. Dos elements X i Y tenen els nombres atòmics 17 i 19, respectivament.

10

116

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

a) Indica si tenen caràcter metàl.lic o no metàl.lic.

Configuracions electròniques: X (Z 5 17): 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p5 Y (Z 5 19): 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s1 L’element de nombre atòmic 19 és un metall alcalí (caràcter metàl.lic) i el de nombre atòmic 17 és un halogen (caràcter no metàl.lic). b) Compara’n les energies d’ionització i les afinitats electròniques.

L’element de nombre atòmic 17 és més a la dreta i més amunt en la taula periòdica; per tant, té més energia d’ionització i afinitat electrònica.

20. Ordena segons el volum atòmic les espècies Na1, Mg21 i Al31. Justifica l’ordenació.

Els tres ions tenen la mateixa configuració electrònica, 1 s2 2 s2 2 p6. Per tant, tenen menys volum els que tenen més protons al nucli, perquè atrauen més els electrons. Així, l’ordre creixent de volum és el següent: Al31

,

Mg21

,

Na1

21. En cuina la sal comuna es considera el saboritzant per excel?lència. A més, la seva alta temperatura de fusió permet utilitzar-la per a receptes com l’orada a la sal. Aquesta propietat és deguda a l’energia associada a la seva xarxa cristal?lina. Calculeu aquesta energia reticular.

Dades: Entalpia de formació del clorur de sodi:

DH°f 5 2411 kJ?mol21

Entalpia de sublimació del sodi: DH°sub 5 107,5 kJ?mol21 Entalpia de dissociació del clor: DH°dis 5 121,3 kJ?mol21

del iodur de potassi i la del fluorur de potassi, a partir del model electrostàtic del sòlid iònic.

Dades: Nombres atòmics (Z). Fluor: Z 5 9; Iode: Z 5 53 Energia reticular del iodur de potassi (KI):

DH°ret 1 5 2631,8 kJ?mol21

Energia reticular del fluorur de potassi (KF):

DH°ret 2 5 2812,5 kJ?mol21

Entalpia de formació del iodur de potassi:

DH°f 5 2330,5 kJ?mol21

Entalpia de sublimació del potassi:

DH°sub 5 87,9 kJ?mol21

Entalpia de sublimació del iode, I2(s):

DH°sub 5 43,5 kJ?mol21

Entalpia de dissociació del iode, I2(g):

DH°dis 5 150,9 kJ?mol21

Primera energia d’ionització del potassi:

DH°i 5 418,3 kJ?mol21

L’energia reticular d’un compost iònic és l’energia emmagatzemada per la seva estructura tridimensional. Es calcula aplicant la llei de Hess al cicle de Born-Haber. Aquest cicle descompon la reacció directa de pas del compost iònic cap als seus elements ionitzats en tres etapes: la descomposició del compost iònic sòlid en els seus elements en estat gasós; la descomposició dels elements en estat gasós en els seus àtoms, i la ionització dels àtoms fins a donar els elements ionitzats.

Segons el cicle de Born-Haber: Ereticular 5 DH°f 2 Eatomització 2 Esublimació 2 (Ei 1 Ae)

Primera energia d’ionització del sodi:

DH°i 5 493,7 kJ?mol21

Energia reticular 5 Entalpia de formació 2 Energia d’atomització 2 (Energia d’ionització 1 Afinitat electrònica)

Afinitat electrònica del clor:

DH°af 5 2364,5 kJ?mol21

Energia reticular del iodur de potassi (KI):

Segons el cicle de Born-Haber: Ereticular 5 DH°f 2 Edis 2 Esub 2 (Ei 1 Ae) Energia reticular 5 Entalpia de formació2 Energia de dissociació 2 Energia de sublimació 2 2 (Energia d’ionització 1 Afinitat electrònica) Ereticular 5 2411 2 121,3 2 107,5 2 493,7 1 364,5 5 5 2769 kJ?mol21 22. [Curs 10-11] El iodur de potassi és un compost iònic que es presenta en forma de cristalls incolors. S’addiciona en petites quantitats a la sal de cuina per prevenir malalties de carència de iode que poden afectar la glàndula tiroide, i les seves dissolucions saturades s’empren, en medicina, com a expectorant i en el tractament de l’esporotricosi, una infecció causada per fongs. a) Definiu el concepte d’energia reticular d’un compost iònic. Justifiqueu la diferència entre l’energia reticular

DH°ret 1 5 2631,8 kJ?mol21 Energia reticular del fluorur de potassi (KF): DH°ret 1 5 2812,5 kJ?mol21 La diferència és deguda al fet que el fluor té una afinitat electrònica més elevada que el iode (l’afinitat electrònica augmenta cap amunt dins del grup).

F: 1 s2 2 s2 2 p5 I: ... 5 s2 5 p5 Això influeix en l’energia reticular en aquest cas. A més, l’energia de sublimació i atomització del iode és més baixa que la del fluor. b) Calculeu l’afinitat electrònica del iode.

Segons el cicle de Born-Haber per al iodur de potassi: Ereticular 5 DH°f 2 Edis 2 Esub 2 (Ei 1 Ae)

10

QUÍMICA 2

Energia reticular 5 Entalpia de formació 2 Energia de dissociació 2 Energies de sublimació 2 2 (Energia d’ionització 1 Afinitat electrònica) 2631,8 kJ?mol21 5 2330,5 kJ?mol21 2 2 150,9 kJ?mol21 2 87,9 kJ?mol21 2 43,5 kJ?mol21 2 2 418,3 kJ?mol21 2 Afinitat electrònica Afinitat electrònica 5 2399,3 kJ?mol21

a) Quin dels dos elements té un radi atòmic més gran?

Segons les seves configuracions electròniques: X: 1 s2 2 s2 2 p2

Y: 1 s2 2 s2 2 p4

Pertanyen al segon període: l’element X al grup 14 i el Y al grup 16. Com que el radi atòmic augmenta de la dreta a l’esquerra dins el mateix període, l’element X té un radi més gran que Y. b) Assigneu els valors de la primera energia d’ionització a cadascun dels elements, X i Y.

Prepara la selectivitat 1. [Curs 09-10] El fluor (nombre atòmic 9) i el sodi (nombre atòmic 11) són dos elements que es troben en grups allunyats entre si a la taula periòdica (grups 17 i 1, respectivament). a) Cal més energia per arrencar un electró d’un àtom de fluor gasós o d’un àtom de sodi gasós? Raoneu la resposta en funció de les seves estructures electròniques.

Segons les seves configuracions electròniques: F: 1 s2 2 s2 2 p5

117

La primera energia d’ionització augmenta cap a la dreta en el mateix període i, per tant, cal assignar: EiY 5 1 310 kJ?mol21 EiX 5 1 090 kJ?mol21 3. [Curs 09-10] La figura 10.23 mostra el radi atòmic dels quaranta-cinc primers elements de la taula periòdica: Radi atòmic (pm) Z = 19

Na: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s1

Com diu l’enunciat, el fluor pertany al grup 17 i el sodi al grup 1. La primera energia d’ionització augmenta cap a la dreta i cap amunt. Això és degut al fet que si el sodi perd el seu electró es queda amb una configuració electrònica estable:

200 Z=3

Na1: 1 s2 2 s2 2 p6 En canvi, en el cas del fluor: F1: 1 s2 2 s2 2 p4

100

La configuració electrònica resultant no és estable.

Z = 33 Z=9

Per tant, cal assignar al fluor una energia d’ionització (energia necessària per arrencar un electró) més elevada que al sodi. b) Tot i que l’ió fluorur i l’ió sodi tenen el mateix nombre d’electrons, quin d’aquests dos ions té el radi més gran?

Per què?

L’àtom de sodi és més gran que el de fluor, perquè l’àtom de sodi té 3 capes (3r període) i el de fluor dues (2n període).

En el cas del ions, els dos tenen 2 capes, perquè el sodi ha perdut la seva tercera capa: Na1: F2:

1 s2

1 s2

2 s2

2 s2

2p

2 p6

Aleshores, el nombre de protons del nucli fa que l’ió sodi sigui més petit (augmenta l’atracció nuclear). Per tant, l’ió fluorur és més gran.

2. [Curs 10-11] Dos elements tenen les configuracions electròniques següents en l’estat fonamental: element X: 1 s2 2 s2 2 p2; element Y: 1 s2 2 s2 2 p4.

La primera energia d’ionització d’un dels elements és 1 310 kJ?mol21, mentre que la de l’altre és 1 090 kJ?mol21.

10

30

Nombre atòmic Z Fig. 10.23. Radi atòmic d’alguns elements en funció del nombre atòmic.

a) Justifiqueu, a partir de l’estructura electrònica dels àtoms, la variació del radi atòmic al llarg del segon període de la taula periòdica (nombres atòmics del 3 al 9).

La configuració electrònica dels elements del segon període és: Z53

1 s2 2 s1

Z54

1 s2 2 s2

Z55

1 s2 2 s2 2 p1

Z56

1 s2 2 s2 2 p2

Z57

1 s2 2 s2 2 p3

Z58

1 s2 2 s2 2 p4

Z59

1 s2 2 s2 2 p5

Tots tenen els electrons més externs a la capa 2 (orbital 2 s o 2 p).

La càrrega nuclear augmenta en passar de Z 5 3 a Z 5 9 (cada vegada hi ha un protó més i un electró més), i això provoca una contracció del núvol electrònic.

10

118

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Per tant, en el període disminueix el radi atòmic en passar de Z 5 3 a Z 5 9, com es veu a la figura. b) Compareu el radi atòmic del liti (Z 5 3) i el del potassi (Z 5 19) i justifiqueu aquests valors a partir de l’estructura electrònica dels dos àtoms.

Les configuracions electròniques del liti i del potassi són: Li (Z 5 3): 1 s2 2 s1 K (Z 5 19): 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 3 s1 Els dos elements estan situats en un mateix grup a la taula periòdica. Tenen l’electró més extern en l’orbital s, però el liti a la capa 2 i el potassi a la capa 3. Com més gran sigui la capa, el radi atòmic és més alt.

Per tant, com es veu a la figura, el radi del potassi és més gran que el del liti.

4. [Curs 10-11] El fluorur de liti, LiF, és un compost iònic que s’utilitza en òptica per la seva transparència a la llum ultraviolada. A partir del següent gràfic (fig. 10.24): Li+(g) + F(g)

–

77 kJ Li+(g) + F–(g)

Li(g) + ½ F2(g) 161 kJ

Per comparar els valors de l’energia reticular del KI i del LiF cal tenir en compte que l’energia reticular dóna una idea de la força d’atracció entre els ions del compost iònic. Aquesta atracció depèn, segons el model electrostàtic del sòlid iònic (llei de Coulomb), de la càrrega dels ions i de la distància que els separa: k (q1 ? q2) F 5 ————— r2 Com més alta sigui la càrrega dels ions i més petita la distància entre ells (ions més petits), hi haurà més atracció.

En els compostos KI i LiF les càrregues són les mateixes.

Pel que fa a la mida, el ions K1 i I2 són, tots dos, més grans que els ions Li1 i F2, i això fa que l’atracció entre els ions K1 i I2 sigui més petita que entre els ions Li1 i F2. L’energia alliberada en la formació d’un mol del compost iònic KI será més petita (en valor absolut) que en el compost iònic LiF, cosa que implica que l’energia reticular del KI serà més gran (tenint en compte el signe) que la del LiF. 5. [Curs 10-11] Per calcular l’energia reticular del clorur de sodi (2787 kJ?mol21) cal conèixer les dades termodinàmiques que apareixen en la taula següent: Magnituds termodinàmiques

520 kJ –1047 kJ

Entalpia (kJ)

Li+(g) + ½ F2(g)

–328 kJ

+

Dades: Liti: Z 5 3; Fluor: Z 5 9; Potassi: Z 5 19; Iode: Z 5 53

Li(s) + ½ F2(g) –617 kJ

LiF(s)

Fig. 10.24. Diagrama d’entalpies del fluorur de liti.

a) Indiqueu quin valor tenen l’energia d’ionització del liti i l’afinitat electrònica del fluor. Definiu el concepte d’energia reticular d’un sòlid iònic i indiqueu quin valor té per al fluorur de liti.

L’energia d’ionització del liti és 520 kJ?mol21, segons el diagrama d’entalpies, ja que correspon a la reacció: Li(g) Li1(g) 1 1 e2 L’afinitat electrònica del fluor és 2328 kJ?mol21, segons el diagrama d’entalpies, ja que correspon a la reacció: F(g) 1 1 e2 F2(g) L’energia reticular és la variació d’entalpia de la reacció de formació d’un mol d’un compost iònic sòlid a partir dels ions en estat gasós i en condicions estàndards.

Li1(g) 1 F2(g) LiF(s) A partir del diagrama d’entalpies del LiF es dedueix que: Energia reticular del LiF 5 21 047 kJ?mol21 b) L’energia reticular del iodur de potassi (KI) serà més petita o més gran que la del fluorur de liti? Justifiqueu-ho a partir del model electrostàtic del sòlid iònic.

Valor (kJ?mol21)

Entalpia de sublimació del Na(s)

107

Primera energia d’ionització del Na

496

Entalpia de formació del Cl(g)

122

Afinitat electrònica del Cl

2349

Entalpia de formació del NaCl(s)

2411

Taula 10.5. Dades termodinàmiques en condicions estàndards i a 298 K.

Dades: Nombres atòmics (Z): Z (Na) 5 11; Z (Cl) 5 17; Z (K) 5 19; Z (Br) 5 35 a) Expliqueu la diferència que hi ha entre els conceptes energia d’ionització i afinitat electrònica d’un element, i entre els conceptes energia reticular i entalpia de formació d’un compost iònic.

La diferència entre l’energia d’ionització i l’afinitat electrònica és que en el primer cas es tracta de l’energia del procés d’arrencar un electró a un àtom gasós, i en el segon cas es tracta de l’energia del procés de captar un electró per part d’un àtom en estat gasós. (opcional) Energia d’ionització d’un element A: A(g) A1(g) 1 1 e2

DH1 5 energia d’ionització

Afinitat electrònica d’un element A: A(g) 1 1 e2 A2(g)

DH2 5 afinitat electrònica

La diferència entre l’energia reticular i l’entalpia de formació és que en el primer cas es tracta de l’energia del procés per formar el compost a partir dels seus ions en estat gasós i en

QUÍMICA 2

el segon cas es tracta de l’energia per formar el compost a partir dels seus elements en la seva forma més estable en les condicions fixades.

a) Potassi.

(opcional)

c) Carboni.

Energia reticular d’un compost iònic AB:

d) Liti.

A1(g) 1 B2(g) AB(s)

DH3 5 energia reticular

Entalpia de formació d’un compost iònic AB: A 1 B AB(s)

DH4 5 entalpia de formació

b) Expliqueu raonadament, a partir del model electrostàtic del sòlid iònic, si l’energia reticular del bromur de potassi serà més gran o més petita que la del clorur de sodi.

Formulació: KBr Per justificar els valors de l’energia reticular del KBr i del NaCl, cal tenir en compte que l’energia reticular dóna una idea de la força d’atracció entre els ions del compost iònic.

Aquesta atracció depèn, segons el model electrostàtic del sòlid iònic (llei de Coulomb), de la càrrega dels ions i de la distància que els separa: k (q1 ? q2) F 5 ————— r2 Com més alta sigui la càrrega dels ions i més petita la distància entre ells (ions més petits), hi haurà més atracció.

En el cas del KBr i del NaCl les càrregues són les mateixes.

Pel que fa a la mida, el catió K1 és més gran que el catió Na1, i l’anió Br2 és més gran que l’ió Cl2 (es pot deduir de la configuració electrònica dels àtoms). Això fa que l’atracció entre els ions K1 i Br2 sigui més petita que en els ions Na1 i Cl2; l’energia alliberada en la formació d’un mol del compost iònic KBr serà més petita (en valor absolut) que en el compost iònic NaCl. Per tant, si tenim en compte el signe negatiu, el valor de l’energia reticular del KBr serà més gran que en el cas del NaCl: Energia reticular KBr . 2787 kJ o Z Energia reticular KBr Z , 787 kJ

Quimitest 1. A quin grup pertany l’element de nombre atòmic 10 que va fer molt coneguts uns llums fluorescents vermells i que té de nombre atòmic 10?

La resposta correcta és la b).

3. L’electronegativitat del liti és 0,98. Quina és la del potassi? a) 0,82 b) 0,25 c) 1,05 d) 3,04 La resposta correcta és la a).

4. Dels elements següents, quin és el que té la segona energia d’ionització més baixa: a) Liti. b) Sodi. c) Alumini. d) Calci.

La resposta correcta és la d).

5. El clorur de sodi forma una xarxa tridimensional iònica. En la construcció d’un model d’aquest compost, quin component seria més gran que l’altre? a) Els dos tenen les mateixes dimensions. b) L’ió sodi. c) L’àtom de sodi. d) L’ió clorur.

La resposta correcta és la d).

6. Quin dels elements següents té l’energia d’ionització més petita? a) Ferro. b) Crom. c) Rubidi.

b) 10

d) Or.

c) 18

La resposta correcta és la c).

La resposta correcta és la c).

2. Dels elements següents, quin té la primera energia d’ionització més alta: potassi, fluor, carboni i liti?

119

b) Fluor.

a) 8

d) 2

10

7. La paraula oxidant deriva d’oxigen. Existeix algun element de la taula periòdica més oxidant que l’oxigen? a) Sí, el fluor. b) Sí, l’heli.

120

10

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

c) Sí, el clor.

a) És un element molt electronegatiu.

d) No.

b) Té una primera energia d’ionització més alta que la segona.

La resposta correcta és la a).

8. La configuració electrònica d’un element és: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 Quina de les afirmacions següents és correcta?

c) El seu radi és més gran que el de l’element que té una configuració electrònica 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6. d) El seu caràcter metàl.lic és més gran que el del sodi.

La resposta correcta és la c).

11

QUÍMICA 2

a) Quins són els seus angles d’enllaç.

H H C }} C H H

H–C;C–H

Etè

Etí

–

H

Età

Activitats

–

c

c

H

–

| |

C–C

–

H

HH

x

H

x

j Unitat 11. Quantificació de l’energia. Anàlisi espectroscòpica. Enllaç químic

121

b) I les formes de cada molècula?

1. En alguns adobs, la urea, CO(NH2)2, és el component que aporta el nitrogen. Quina és la seva estructura de Lewis?

] C }} O ]

–

–

H

Angle 109°

Estructura tetraèdrica

CH2 }} CH2

Angle 120°

Piràmide trigonal

HC;CH

Angle 180°

Lineal

–

–

–

H ] N H

CH3–CH3

–

N H ]

Urea CO (NH2)2 2. El freó-11 (CCl3F) i el freó-12 (CCl2F2) eren propel.lents d’aerosols, utilitzats en laques, desodorants, colònies, etc.

Són compostos que incideixen en la destrucció de la capa d’ozó. Per sort, pràcticament han deixat d’utilitzar-se, perquè han estat prohibits, i s’han anat substituint per altres propel.lents que no destrueixen la capa d’ozó. Dibuixa les estructures de Lewis del freó-11 i del freó-12. ] ] |Cl | |Cl | | ] ] ] | ] |Cl –C–Cl | | F –C– F | ] | ] ] | ] |] F| |Cl | ] Freó-11 (CCl3F) Freó-12 (CCl2F2)

6. Quina és la geometria dels compostos BeF2 i PCl5? Digues també si tindran moment dipolar i raona-ho.

El BeF2 és lineal. L’electronegativitat dels dos fluors és igual i de sentit contrari, cosa que fa que la molècula tingui moment dipolar nul. El BeF2 és una molècula apolar.

El PCl5 és una bipiràmide trigonal, com la del pentabromur de fòsfor dibuixada al llibre. El clor és fortament electronegatiu.

Cada clor genera amb el fòsfor un moment dipolar. El moment dipolar total dels tres clor coplanars equatorials s’anul·la per geometria de forces, i alhora també s’anul·len entre si els dos moments dipolars dels clors dels vèrtexs piramidals, ja que són iguals i de sentit contrari. El PCl5 és una molècula apolar.

7. El freó-11 (fluorotriclorometà) havia tingut molta acceptació com a propel.lent d’aerosols, però la seva contribució a la destrucció de la capa d’ozó l’ha fet pràcticament desaparèixer. Sabries dir si els enllaços que forma són polars? I la molècula?

3. L’OMS aconsella no consumir més de 6 grams de sal al dia, que equivalen a uns 50 grams de pernil salat. El 2008, un grup de científics catalans de l’Institut de Recerca i Tecnologia Alimentàries (IRTA) van descobrir una modificació tècnica per tal d’aconseguir pernils salats amb la meitat de la proporció de sal, conservant-ne el gust. Dibuixa l’estructura de Lewis de la sal (clorur de sodi). ]@ ! |Cl | Na ] Clorur de sodi (compost iònic)

Els enllaços C–Cl i C–F són polars, perquè existeix diferència d’electronegativitat entre els àtoms (el fluor i el clor són més electronegatius que el carboni).

4. Un dels verins més utilitzats al llarg de la història és l’àcid cianhídric. Per exemple, es va utilitzar a les cambres de gas durant la Segona Guerra Mundial. S’obté de la reacció entre el cianur de sodi i l’àcid sulfúric.

En el freó-11 els moments dipolars no s’anul.len.

]

|

5. Una manera de classificar els hidrocarburs és dividir-los en alcans, alquens i alquins segons que tinguin tots els enllaços simples, o algun enllaç doble o triple. Comparant l’età, l’etè o etilè, i l’etí o acetilè:

–

Té geometria lineal i l’angle d’enllaç és de 180°.

Són polars l’alcohol metílic, el clorur d’hidrogen i el monòxid de carboni, tal com podeu observar en les estructures de Lewis següents: Cl Cl B | m50 |Cl | ] En el triclorur de bor, Cl B, els moments dipolars s’anul.len.

|

b) I la seva geometria?

8. De les molècules següents, digues quines són polars: triclorur de bor, clor, alcohol metílic, clorur d’hidrogen, metà i monòxid de carboni.

–

Àcid cianhídric HCN

] m | m]

|Cl –C– F | ] | m ] |Cl | mÞ0 ]

N;C–H

]

|Cl m|

|] |

a) Quin és el seu angle d’enllaç.

La molècula també és polar, ja que no s’anul.len les polaritats de l’enllaç, tal com podeu observar a la figura següent:

3

] ]

|Cl –Cl | m 5 0 ] ]

11

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE Lâ&#x20AC;&#x2122;ALUMNE

H H C }} C H H

â&#x20AC;&#x201C;

De quin compost es tracta?

Com que la massa molecular ĂŠs 42, deduĂŻm que la fĂłrmula molecular ĂŠs C3H6.

TambĂŠ sabem que no contĂŠ cap doble enllaç, i si consultem dades bibliogrĂ fiques, deduĂŻm que lâ&#x20AC;&#x2122;anestèsic ĂŠs el ciclopropĂ .

Activitats finals

] ]

|Br â&#x20AC;&#x201C;Br| ] ]

4

2

]@ ] |] O O| ] NO2 3 iĂł nitrat

@

Hx H

HH |

|

Câ&#x20AC;&#x201C;C

H

Hx

H

H

H |

N1 H

â&#x20AC;&#x201C;

!

N

NH1 4 iĂł amoni

CH3â&#x20AC;&#x201C;CH3 etĂ

La geometria de lâ&#x20AC;&#x2122;iĂł nitrat NO2 3 ĂŠs plana triangular, la de lâ&#x20AC;&#x2122;etĂ CH3â&#x20AC;&#x201C;CH3 ĂŠs tetraèdrica en els dos carbonis i la de lâ&#x20AC;&#x2122;iĂł amoni ĂŠs tetraèdrica.

5. Escriu les estructures de Lewis de totes les espècies que participen en la reacciĂł: BF3 1 F2 BF42 ] ] |F | |F | ] ]@ ] | ] Bâ&#x20AC;&#x201C; F | 1 | F | | F â&#x20AC;&#x201C;Bâ&#x20AC;&#x201C; F | ] ] ] | ] |] F| |] F| â&#x20AC;&#x201C;

1. A partir de lâ&#x20AC;&#x2122;estructura electrònica del Br, sabries dibuixar el diagrama de Lewis del Br2?

||

â&#x20AC;&#x201C;

0,6 g H 0,6 â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D; 5 0,6 â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D; 5 2 1gH 0,3

3

|O |

x

3,6 g C 0,3 â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D; 5 0,3 â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D; 5 1 12 g C 0,3

4. Els nombres atòmics del H, del C, del N i del O sĂłn, respectivament, 1, 6, 7 i 8. Escriu lâ&#x20AC;&#x2122;estructura de Lewis i justifica la geometria de les espècies quĂ­miques segĂźents: NO32, CH3â&#x20AC;&#x201C;CH3 i NH1 4.

c

La suma dels grams de C i H Ês 4,2 g i, per tant, Ês un hidrocarbur. Podem trobar-ne, doncs, la fórmula empírica dividint per les masses atòmiques i així tenim que Ês CH2.

La molècula de sulfur dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen (H2S) ĂŠs lineal, la de triclorur de bor (BCl3) ĂŠs plana triangular; la dâ&#x20AC;&#x2122;etè (CH2 }} CH2) ĂŠs plana triangular en els dos carbonis, i la del pentaclorur de fòsfor (PCl5) tĂŠ geometria de bipirĂ mide trigonal.

â&#x20AC;&#x201C;

2gH 5,4 g H2O ? â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D; 5 0,6 g H 18 g H2O

PCl5

b) Explica, a partir de les estructures de Lewis anteriors, la geometria dâ&#x20AC;&#x2122;aquestes molècules.

â&#x20AC;&#x201C;

A partir dels 5,4 g dâ&#x20AC;&#x2122;aigua deduĂŻm que contĂŠ 0,6 g dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen:

|

|Cl | ]

CH2 }} CH2

c

12 g C 13,2 g CO2 ? â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D;â&#x20AC;&#x201D; 5 3,6 g C 44 g CO2

| P â&#x20AC;&#x201C; Cl ]

]

|Cl ]

â&#x20AC;&#x201C;

â&#x20AC;&#x201C;

Primer hem dâ&#x20AC;&#x2122;esbrinar la fĂłrmula empĂ­rica del compost: A partir dels 13,2 g de CO2, per estequiometria, deduĂŻm que contĂŠ 3,6 g de carboni:

â&#x20AC;&#x201C;

c

]

] |Cl | x | ] |Cl ]

c

â&#x20AC;&#x201D; Lâ&#x20AC;&#x2122;espectre de masses indica que la massa molecular ĂŠs 42 i la RMN, la IR i la UV indiquen que no tĂŠ cap doble enllaç.

3. a) Dibuixa les estructures de Lewis de les molècules de sulfur dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen, triclorur de bor, etè i pentaclorur de fòsfor. ] ] |Cl Cl | ] ] ] B Hâ&#x20AC;&#x201C; S â&#x20AC;&#x201C;H | ] |Cl | ] H2S BCl3 â&#x20AC;&#x201C;

9. Per determinar la fĂłrmula dâ&#x20AC;&#x2122;un anestèsic, es realitza la combustiĂł de 4,2 g del producte, que ens dĂłna 13,2 g de CO2 i 5,4 g de H2O. A mĂŠs, el seu estudi espectròscòpic revela la informaciĂł segĂźent:

Lâ&#x20AC;&#x2122;amonĂ­ac tĂŠ un parell dâ&#x20AC;&#x2122;electrons no enllaçats i compleix la regla de lâ&#x20AC;&#x2122;octet. ] ] |] F F| ] H x ď&#x201A;&#x17E;ď&#x201A;&#x17E; B N | H H |] F| BF3 NH3

En el monòxid de carboni, CO, existeix polaritat dâ&#x20AC;&#x2122;enllaç, ja que lâ&#x20AC;&#x2122;electronegativitat de lâ&#x20AC;&#x2122;oxigen ĂŠs mĂŠs gran que la del carboni.

El trifluorur de bor tĂŠ una estructura de Lewis amb deficiència dâ&#x20AC;&#x2122;electrons en el bor i no compleix la regla de lâ&#x20AC;&#x2122;octet.

â&#x20AC;&#x201C;

En lâ&#x20AC;&#x2122;alcohol metĂ­lic, CH3OH, existeix polaritat dâ&#x20AC;&#x2122;enllaç, ja que els moments dipolars no sâ&#x20AC;&#x2122;anul.len. ] Cl | mĂ&#x17E;0 Hâ&#x20AC;&#x201C; ] En el clorur dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen, existeix polaritat dâ&#x20AC;&#x2122;enllaç, ja que lâ&#x20AC;&#x2122;electronegativitat de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă tom de clor ĂŠs major que la de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă tom dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen. ] |C }} ] O mĂ&#x17E;0

b) Compara les estructures de Lewis del trifluorur de bor i de lâ&#x20AC;&#x2122;amonĂ­ac.

â&#x20AC;&#x201C;

] Hâ&#x20AC;&#x201C;Câ&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C;H | ] mĂ&#x17E;0 H

B (Z 5 5): 1 s2 2 s2 2 p1 i N (Z 5 7): 1 s2 2 s2 2 p3

c

H

|

2. a) Escriu lâ&#x20AC;&#x2122;estructura electrònica del B i la del N.

â&#x20AC;&#x201C;

En la molècula de clor, Cl2, no existeix polaritat dâ&#x20AC;&#x2122;enllaç, ja que lâ&#x20AC;&#x2122;electronegativitat dels dos Ă toms ĂŠs la mateixa.

â&#x20AC;&#x201C;

122

3 4

@

11

QUĂ?MICA 2

6. Escriu les estructures de Lewis dels Ă cids segĂźents:

123

10. Escriu les estructures de Lewis dels anions segĂźents: a) aniĂł nitrat

3

|

|

O

}}

|] |

â&#x20AC;&#x201C;

HNO3 Ă&#x20AC;cid nĂ­tric

b) Ă cid sulfĂşric

||

@] |] O

4

!

N

AniĂł nitrat

]@ O| ]

â&#x20AC;&#x201C;

] !

Hâ&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C;N ] @ O

2

|O | â&#x20AC;&#x201C;

a) Ă cid nĂ­tric

b) aniĂł carbonat

3

|O| ||

4

||

C

] â&#x20AC;&#x201C;|

H2SO4 Ă&#x20AC;cid sulfĂşric

|

O

22

AniĂł carbonat

|] â&#x20AC;&#x201C;|

] ] Hâ&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C;Sâ&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C;H ] || ] |O|

|O | @@

O

c) aniĂł fosfat

d) à cid clòric

P

] O| ]@

4

11. Dâ&#x20AC;&#x2122;acord amb la teoria de repulsiĂł dels electrons de valència, indica la geometria de les molècules segĂźents: BF3, BeI2, CCl4 i NH3. Nâ&#x20AC;&#x2122;hi ha cap de polar? Justifica la resposta. ] ] |F | ] |Cl | | x | |Cl Hx ď&#x201A;&#x17E;ď&#x201A;&#x17E; ] ] ] C N B |] I â&#x20AC;&#x201C;Beâ&#x20AC;&#x201C; I | ] ] H ] H ] ] | Cl Cl | ] |] F F| ] ] m50 m50 m50 mĂ&#x17E;0 BeI2 CCl4 NH3 BF3

Lâ&#x20AC;&#x2122;energia reticular de lâ&#x20AC;&#x2122;òxid de magnesi, MgO, ĂŠs superior al requeriment dâ&#x20AC;&#x2122;energia de formaciĂł dels ions Mg21 i O22, i per tant, lâ&#x20AC;&#x2122;estat energètic del MgO ĂŠs inferior i mĂŠs estable que el dels Ă toms per separat.

9. Lâ&#x20AC;&#x2122;energia de lâ&#x20AC;&#x2122;enllaç C }} C ĂŠs mĂŠs gran que la del Câ&#x2C6;&#x2019;C. En les longituds dâ&#x20AC;&#x2122;enllaç tambĂŠ passa el mateix?

En les longituds dâ&#x20AC;&#x2122;enllaç passa a lâ&#x20AC;&#x2122;inrevĂŠs: la longitud de lâ&#x20AC;&#x2122;enllaç doble ĂŠs mĂŠs petita que la de lâ&#x20AC;&#x2122;enllaç senzill.

c

â&#x20AC;&#x201C;

8. La formaciĂł de lâ&#x20AC;&#x2122;iĂł Mg21(g) a partir dâ&#x20AC;&#x2122;un Ă tom de Mg(s) requereix energia, i la formaciĂł de lâ&#x20AC;&#x2122;iĂł O22(g) a partir de lâ&#x20AC;&#x2122;oxigen molecular O2(g) tambĂŠ en requereix. Com podem explicar, aleshores, que lâ&#x20AC;&#x2122;òxid de magnesi, MgO(g), sigui mĂŠs estable que els elements que el componen?

K3 PO3 (fosfit de potassi) i K2HPO3 (hidrogenfosfit de potassi).

â&#x20AC;&#x201C;

b) La fĂłrmula dels compostos fosfit de potassi i hidrogenfosfit de potassi.

H3PO3 Ă&#x20AC;cid fosforĂłs

â&#x20AC;&#x201C;â&#x20AC;&#x201C;

|

|

|O|

22 La geometria de lâ&#x20AC;&#x2122;aniĂł nitrat NO2 3 , i la de lâ&#x20AC;&#x2122;aniĂł carbonat, CO3 , 32 ĂŠs plana triangular; la de lâ&#x20AC;&#x2122;aniĂł fosfat, PO4 , ĂŠs tetraèdrica, i la de lâ&#x20AC;&#x2122;aniĂł cianur, CN2, ĂŠs lineal.

c

H

Indica la geometria de cada anió segons la teoria de repulsió dels electrons de valència.

a) Lâ&#x20AC;&#x2122;estructura de Lewis de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid fosforĂłs.

AniĂł cianur

7. Un dels tres Ă toms dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid fosforĂłs no es troba unit a cap Ă tom dâ&#x20AC;&#x2122;oxigen. Això fa que nomĂŠs dos dels Ă toms dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen presentin caracterĂ­stiques Ă cides. Amb aquesta informaciĂł, troba:

AniĂł fosfat

d) aniĂł cianur

[|C@;N|]2

En tots aquests casos, els Ă toms dâ&#x20AC;&#x2122;hidrogen es troben units a Ă toms dâ&#x20AC;&#x2122;oxigen.

] ] Hâ&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C;P â&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C;H ] ] ]

] |O @ ]

32

HClO3 Ă&#x20AC;cid clòric

] ] Hâ&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C;Cl }} O ] || ] |O|

| ] |O |] O x ||

@

â&#x20AC;&#x201C;

3

HNO2 Ă&#x20AC;cid nitrĂłs

] ] ] Hâ&#x20AC;&#x201C; O â&#x20AC;&#x201C; N }} O ] ] ]

c

c) Ă cid nitrĂłs

BF3: plana triangular. No polar.

BeI2: lineal. No polar.

CCl4: tetraèdrica. No polar.

NH3: pirĂ mide trigonal. Polar.

12. a) Indica les geometries possibles dâ&#x20AC;&#x2122;un compost de fĂłrmula XY3, si sabem que entre els Ă toms X i Y sâ&#x20AC;&#x2122;estableix un enllaç de tipus covalent.

Per exemple: BF3 (plana triangular) o NH3 (pirĂ mide trigonal). b) Assigna a les molècules de NCl3 i BCl3 la geometria que els pertoca i digues, justificant la resposta, quin dâ&#x20AC;&#x2122;aquests dos compostos pot ser soluble en un dissolvent polar.

NCl3: pirĂ mide trigonal. Polar.

BCl3: plana triangular. No polar.

11

124

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Per tant, el NCl3, com que és polar, és soluble en dissolvents polars com per exemple l’aigua.

13. Justifica el motiu pel qual l’anió carbonat té geometria plana i l’anió clorat és piramidal.

L’anió carbonat, CO22 3 , té geometria plana triangular i hibridació sp2, mentre que l’anió clorat, ClO23 , té estructura de piràmide trigonal amb hibridació sp3 i un parell d’electrons no enllaçants.

14. Justifica la forma de les molècules de cadascuna de les espècies químiques següents: a) NCl3 Piràmide trigonal, ja que el nitrogen té un parell d’electrons no enllaçants. b) NH1 4 Tetraèdrica, ja que és una molècula no polar. c) CHCl3 Piràmide trigonal, ja que és una molècula polar. d) CO2 Lineal, ja que el carboni presenta hibridació sp2.

15. a) Justifica el caràcter polar o apolar de les molècules següents: Br2, HCl, H2S i CCl4. b) Justifica la geometria de les molècules emprant la teoria de repulsió dels electrons de valència.

El Br2 és una molècula apolar, ja que és un enllaç amb elements iguals que tenen la mateixa electronegativitat.

El HCl és polar, ja que forma un enllaç amb elements diferents i, per tant, de diferent electronegativitat.

El H2S és polar, ja que forma dos enllaços en forma angular, i per tant, els vectors de moment dipolar no s’anul.len. Geometria angular.

El CCl4 és una molècula apolar, ja que forma quatre enllaços en forma tetraèdrica, i per tant, els vectors de moment dipolar s’anul.len. Geometria tetraèdrica.

16. De les molècules següents: clor, àcid clorhídric, metà, aigua i diòxid de carboni, digues: a) Quines tenen moment dipolar?

L’àcid clorhídric i l’aigua tenen moment dipolar. En el clor el moment dipolar és zero, i en el metà i en el diòxid de carboni, els moments dipolars dels enllaços s’anul.len. b) Indica’n la geometria.

El metà és tetragonal, l’aigua és angular i el diòxid de carboni és lineal. El clor i l’àcid clorhídric només tenen un enllaç i, per tant, no es pot parlar de geometria.

c) Quines són solubles en aigua?

Només és soluble en aigua l’àcid clorhídric, perquè és polar.

Les altres molècules són molt poc solubles, perquè són molècules apolars.

Justifica les respostes.

17. De les molècules següents: diclorometà, tetraclorur de carboni, triclorur de bor, cloroform i aigua, justifica’n la geometria molecular i indica quines molècules presenten moment dipolar.

CH2Cl2: tetraèdrica. No polar.

CCl4: tetraèdrica. No polar.

BCl3: plana triangular. No polar.

CHCl3: tetraèdrica. Polar.

H2O: angular. Polar.

18. Ordena les molècules d’età, etilè i acetilè segons la longitud d’enllaç carboni-carboni.

En ordre de longitud d’enllaç decreixent: CH3–CH3 . CH2 }} CH2 . HC;CH 19. Indica raonadament si són certes o falses les afirmacions següents: a) La molècula de PF3 és apolar.

Falsa. La molècula de PF3 és polar, ja que té geometria de piràmide trigonal, i per tant, els moments dipolars no s’anul.len. b) L’anió carbonat es representa amb tres estructures.

Certa, té tres estructures ressonants. c) La molècula de sulfur d’hidrogen és angular.

Certa, el H2S forma dos enllaços en forma angular. d) El bromur de potassi és soluble en tetraclorur de carboni, dissolvent amb fort caràcter polar.

Falsa. El CCl4 és tetraèdric i apolar; per tant, no solubilitza un compost iònic.

20. Justifica el motiu pel qual existeixen molècules de PCl5 i, en canvi, no n’hi ha de NCl5.

Perquè el fòsfor, P, té la possibilitat d’ocupar orbitals 3 d i, en canvi, el nitrogen, N, no en té.

21. D’un compost orgànic tenim les dades següents: bon dissolvent orgànic, Te 5 34,6 °C i fórmula empírica C4H10O. Els estudis espectroscòpics ens indiquen que la massa molecular és 74 i que conté un grup èter i radicals etil. De quin compost es tracta?

Si coneixem la fórmula empírica i la massa molecular, podem esbrinar la fórmula molecular: (MM fórmula empírica) ? n 5 MM fórmula molecular 74 n 5 74

QUÍMICA 2

Com que n 5 1, la fórmula molecular coincideix amb la fórmula empírica i el compost orgànic té per fórmula C4H10O. Com que els estudis espectroscòpics indiquen que conté un grup èter i radicals etil, només es pot tractar de l’èter etílic: CH3CH2–O–CH2CH3.

22. En un compost orgànic de punt d’ebullició 27,5 °C es detecta espectroscòpicament la presència de nitrogen i la massa molecular, que és 31. De quin compost parlem?

2gH 1,64 g H2O ? ———— 5 0,182 g H 18 g H2O La suma dels grams de C i H és 1,272 g i, per tant, hi ha 2 2 1,272 5 0,728 g de O. En podem trobar la fórmula empírica dividint per les masses atòmiques: 1,09 g C 0,091 ———— 5 0,091 ————— 5 2 12 g C 0,0455 0,182 g H 0,182 ———— 5 0,182 ————— 5 4 1gH 0,0455

Per tant, si la massa molecular és 31:

0,728 g O 0,0455 ———— 5 0,0455 ———— 5 1 16 g O 0,0455

12 (C) 1 14 (N) 1 x (H) 5 31 x55

23. Tenim un compost desconegut i cal esbrinar quina substància és. Primer, en busquem el punt d’ebullició, que és de 44 °C, però amb aquesta dada encara no n’hi ha prou. Per aquest motiu, fem una combustió controlada i n’obtenim la fórmula empírica, que és C3H5. Ara ja sabem que es tracta d’un hidrocarbur, però encara ens calen més dades. Finalment fem una anàlisi espectroscòpica, que ens indica que el compost és cíclic, que té un doble enllaç, una massa molecular de 82 i que no conté radicals. Saps de quin compost es tracta?

Si coneixem la fórmula empírica, C3H5, i la massa molecular, podem esbrinar la fórmula molecular: (MM fórmula empírica) ? n 5 MM fórmula molecular 41 n 5 82 Com que n 5 2, la fórmula molecular és C6H10.

Com que sabem que és un compost cíclic i que té un doble enllaç, només pot ser el ciclohexè.

24. Dos grams d’un compost orgànic es cremen per combustió controlada i s’obtenen 4 g de diòxid de carboni i 1,64 g d’aigua. Espectroscòpicament es detecta la presència d’un grup carboxil i determinem que té una massa molecular de 88 amb l’espectròmetre de masses. Indica de quin compost es tracta: a) Àcid butanoic b) Acetaldehid c) Acetona (propanona) d) Àcid acètic Primer hem d’esbrinar la fórmula empírica del compost: A partir dels 4 g de CO2, per estequiometria, deduïm que conté 1,09 g de carboni: 12 g C 4 g CO2 ? ———— 5 1,09 g C 44 g CO2

125

A partir dels 1,64 g d’aigua deduïm que conté 0,182 g d’hidrogen:

Com que és un compost orgànic, ha de tenir C i H, a més del nitrogen detectat espectroscòpicament.

La fórmula molecular del compost que busquem és CNH5, que correspon a la metilamina, CH3NH2.

11

Si dividim pel més petit, obtenim que la fórmula empírica és C2H4O. Si coneixem la fórmula empírica, C2H4O, i la massa molecular, podem esbrinar la fórmula molecular: (MM fórmula empírica) ? n 5 MM fórmula molecular 44 n 5 88 Com que n 5 2, la fórmula molecular és C4H8O2.

Les dades espectroscòpiques ens informen de la presència d’un grup carboxil; per tant, es tracta de l’àcid butanoic: CH3–CH2–CH2–COOH La resposta correcta és la a).

25. Digues quin dels compostos següents és polar: a) El metà és l’hidrocarbur més petit. b) El diòxid de carboni és el gas present en les begudes carbòniques. c) El clor és un gas tòxic. d) El metanol és un compost perillós si s’ingereix. e) L’oxigen ens permet respirar.

El metanol.

26. Respon a les qüestions següents de forma qualitativa: a) El metanol i l’etanol presenten diferents punts d’ebullició?

Els dos tenen enllaços covalents amb enllaços intermoleculars de pont d’hidrogen, però el metanol té una massa molecular més baixa i, per tant, el seu punt d’ebullició és més baix. b) El metà té un punt d’ebullició més gran o més petit que el metanol? Per què?

El metanol té enllaços de pont d’hidrogen i, per tant, el seu punt d’ebullició és més elevat que el del metà. A més, te una massa molecular més elevada.

126

11

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

c) El butanol té un punt d’ebullició més gran o més petit que l’etanol? Per què?

Els dos tenen enllaços covalents amb enllaços intermoleculars de pont d’hidrogen, però l’etanol té una massa molecular més baixa i, per tant, el seu punt d’ebullició és més baix.

— La RMN, la IR i la UV indiquen que hi ha una cadena benzènica, enllaços N–H, –O– i que la seva fórmula molecular és C11H16O2N. j Anàlisi elemental: 68 % C; 8,25 % H; 7,22 % N i la resta

d’oxigen.

Per calcular la fórmula empírica: d) Per què l’etanol té un punt d’ebullició més alt que l’èter etílic?

Malgrat que la massa molecular de l’èter etílic és superior a la de l’etanol, el seu punt d’ebullició és més baix, per la manca o poca abundància d’enllaços intermoleculars de pont d’hidrogen.

27. Un grup d’investigadors ha estat fent recerca amb aplicacions de compostos d’argent que es poden utilitzar en medicina. Entre aquests compostos hi ha una sal de plata.

A més, les dades espectroscòpiques indiquen que té enllaços C-H, un grup carbonil (C }} O) i que és lineal.

Per tal d’acabar d’esbrinar el compost se n’escalfen 0,5 g i s’obtenen 0,24215 g d’argent. Quin és aquest compost?

Dades: Masses atòmiques: C 5 12 g/mol; H 5 1 g/mol; Ag 5 108 g/mol 108 g/mol Ag 0,24215 g Ag ——————— 5 ———————— x 0,5 g compost x 5 223 g/mol compost La plata té una massa atòmica de 108 g/mol i, per tant, l’àcid carboxílic orgànic que ens indica l’espectroscòpia és: 223 2 108 5 115 Cal sumar-hi 1 de l’hidrogen; per tant, són 116 g/mol.

Així, doncs, tenim: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH

68 g C C: ———— 5 5,67 12 g C 8,25 g H H: ————— 5 8,25 1gH 7,22 g N N: ————— 5 0,516 14 g N 16,53 g C C: ————— 5 1,033 16 g C Dividim pel nombre més petit: 5,67 C: ———— 5 11 0,516 8,25 H: ———— 5 16 0,516 0,516 N: ———— 5 1 0,516 1,033 C: ———— 5 2 0,516 C11H16NO2 Per tant, la fórmula empírica coincideix amb la de MDMA. Les pastilles són d’èxtasi.

29. Identifica i corregeix la frase que és incorrecta: a) El SO2 té geometria lineal. b) El HF presenta ponts d’hidrogen intermoleculars.

I el compost és: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–COOAg 28. El consum d’amfetamines és molt preocupant entre els joves des de ja fa molt temps. Una de les variants de l’amfetamina és l’anomenada tècnicament MDMA o èxtasi.

Evidentment, és prohibida i hi ha estudis rigorosos que detallen els problemes greus que ocasiona a curt i llarg termini.

Per tal de saber si unes pastilles són d’aquest compost es fan diferents proves, entre les quals podem destacar: j Anàlisis espectroscòpiques:

— L’espectre de masses indica que la massa molecular és 194.

c) El SO2 presenta estructures en forma ressonant. d) Cadascun dels enllaços del tetraclorur de carboni és polar, però la molècula és no polar. e) La IR ens dóna informació de l’existència de grups funcionals orgànics. f ) L’aigua és un dissolvent polar.

La primera afirmació és falsa. a) El SO2 té una geometria angular, a causa dels parells d’electrons no enllaçants que té el S. 30. La figura 11.25 és la gràfica corresponent a un espectre de l’acetat d’etil.

11

QUÍMICA 2

H O

1300

H

H H

1200

H C C O C C H H

1100

H H

1000 900 800 700

H

600 500 400

H

300 200 100

5

4

3

2

0

1

-100

Fig. 11.25

a) A quina mena d’espectre correspon: IR, de masses o RMN? És un RMN.

a) Quina mena d’espectre és? Què indiquen i signifiquen les abscisses? És un RMN. És d, el desplaçament químic (en ppm). b) Si fos del 1,2-dicloroetà, hi hauria alguna diferència? En cas afirmatiu, digues quina i raona-ho.

En el 1,2-dicloroetà, com que és una molècula simètrica, només apareixeria un sol pic. Aquest pic estaria més desplaçat cap a l’esquerra, ja que el clor és més electronegatiu que el brom i desapantalla més.

32. Una aigua absorbeix radiació electromagnètica de freqüència 5,0 ? 1014 s21.

Tipus de radiació

Tipus de canvi

Microones

Nivells d’energia de rotació

1 ? 10222 a 1 ? 10220

Infraroja

Nivells d’energia de vibració

1 ? 10220 a 1 ? 10219

Visible i UV

Nivells d’energia electrònica

1 ? 10219 a 1 ? 10216

b) Digues què es representa a les abscisses. És d, el desplaçament químic (en ppm). c) Raona per què no correspon a un dels dos isòmers següents: H3C–CH2–CO–CH2OH

127

Interval d’energia (J)

Taula 11.11. Interacció entre la radiació electromagnètica i les molècules.

Dades: Velocitat de la llum: c 5 3,0 ? 108 m?s21

H3C–CO–CH2–O–CH3

Constant de Planck: h 5 6,63 ? 10234 J?s

d) Sabries dir quants pics apareixerien en els espectres de cadascun d’aquests compostos? c) i d) El H3C–CH2–CO–CH2OH generaria els següents grups: un grup de 3 pics del –CH2–; un grup de 4 pics del –CH3; dos grups d’1 pic, de diferent alçària, dels hidrògens del –CH2OH.

a) Calcula la longitud d’ona (en nm) i el nombre d’ona (en cm21) de la radiació absorbida per l’aigua. c 3 ? 108 m/s 5 6,0 ? 1027 m 5 l 5 — 5 —————— y 5,0 ? 1014 s 5 600 nm 5 6,0 ? 1025 cm

El H3C–CO–CH2–O–CH3 generaria els següents grups: tres grups d’un sol pic. El pic del –CH3, més alt que el del –CH2.

E 5 h y 5 (6,63 ? 10234 J?s) ? (5,0 ? 1014 s) 5 3,315 ? 10219 J

31. L’espectre de la figura 11.26 correspon al 1,1-dibromoetà.

b) Tenint en compte la taula anterior, explica, a nivell molecular i atòmic, quina mena de canvi produirà aquesta radiació en les molècules d’aigua.

1 1 5 16 666,6 cm21 Nombre d’ona 5 — 5 ——————— l 6,0 ? 1025 cm La radiació produirà canvis de nivell d’energia electrònica.

6,00

33. El CO2 de l’atmosfera absorbeix una petita part de la radiació infraroja emesa per la superfície del nostre planeta.

Dades: Constant de Planck: h 5 6,63 ? 10234 J?s

1,00

10

9

8 Fig. 11.26

7

6

5

4

3

Velocitat de la llum: c 5 3 ? 108 m?s21

2

1

0

a) Explica què li succeeix a la molècula de CO2 quan absorbeix un fotó d’infraroig. Per què les molècules de diòxid de carboni absorbeixen només algunes freqüències determinades de radiació infraroja?

128

11

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

Quan la molècula de CO2 absorbeix radiació infraroja (IR) es produeixen canvis d’energia vibracional. L’energia d’aquest tipus de radiació és capaç de provocar un salt des del nivell fonamental d’energia vibracional fins a un nivell excitat.

Les molècules de CO2 només absorbeixen certes radiacions IR perquè per passar una molècula d’un nivell de vibració a un altre nivell de vibració ens cal una determinada energia (diferència d’energies dels dos nivells vibracionals).

Aquesta energia l’aporta una determinada freqüència de la radiació electromagnètica que, per tant, pot ser absorbida. b) Calcula la freqüència i la longitud d’ona d’un fotó de radiació infraroja que té una energia d’1,33 ? 10220 J. A partir de l’equació de Planck relacionarem l’energia de la radiació amb la freqüència (y) o la longitud d’ona (l).

E5hy E 1,33 ? 10220 J Freqüència y 5 — 5 ———————— h 6,63 ? 10234 J?s

Prepara la selectivitat 1. Per passar un mol de molècules de HCl des del nivell més baix de vibració (estat fonamental) fins al nivell de vibració següent es requereix una energia de 32,7 kJ. Dades: Constant d’Avogadro 5 NA 5 6,02 ? 1023 mol21 Constant de Planck 5 h 5 6,63 ? 10234 J?s Velocitat de la llum 5 c 5 3,0 ? 108 m?s21 a) Calculeu l’energia, expressada en J, que es necessita per passar una molècula de HCl des de l’estat fonamental fins al nivell de vibració següent. Quin tipus de radiació electromagnètica hauria d’absorbir una molècula de HCl per realitzar aquest procés?

Ens donen l’energia per fer la transició vibracional d’un mol de molècules de HCl i ens demanen l’energia per a una molècula: 32,7 kJ 1 000 J 1 mol HCl ————— ? ———— ? ————————————— 5 mol HCl 1 kJ 6,02 ? 1023 molècules HCl

Freqüència 5 2,01 ? 1013 s21 Longitud d’ona:

1

5 5,432 ? 10220 J/molècula Energia: 5,432 ? 10220 J/molècula

2

c hc l 5 — o l 5 —— y E

c 3 ? 108 m?s21 l 5 — 5 ———————— y 2,01 ? 1013 s21

Longitud d’ona 5 1,49 ? 1025 m 34. Al laboratori disposem d’un dissolvent líquid incolor, d’olor característica i amb un punt d’ebullició de 114 °C, que correspon a un compost de fórmula molecular C2H3Cl3. Per determinar-ne l’estructura, s’enregistra l’espectre de ressonància magnètica nuclear de protó (RMN) d’aquest compost. a) En l’eix d’abscisses d’un espectre de ressonància magnètica nuclear es representa el desplaçament químic. Defineix aquest concepte.

El desplaçament químic està relacionat amb la freqüència de la radiació absorbida per un nucli (H, protó), en comparar-la amb la d’un patró (TMS, tetrametilsilà), quan la molècula està exposada a un camp magnètic extern i s’ha irradiat amb radiació electromagnètica de radiofreqüències. b) Explica com es deduiria, a partir de l’espectre de ressonància magnètica nuclear, si el dissolvent es correspon a l’1,1,2-tricloroetà o a l’1,1,1-tricloroetà.

En la molècula d’1,1,1-tricloroetà, Cl3C–CH3, només hi ha un tipus de protons (grup CH3), i això implica un únic pic a l’espectre de RMN. En la molècula d’1,1,2-tricloroetà, Cl2CH–CH2Cl, tenim dos tipus de protons: els del grup CH2 i els del grup CH. En l’espectre s’observarien dos pics, amb una relació d’àrees de 2 a 1.

Un molècula de HCl hauria d’absorbir una radiació infraroja (IR), ja que aporten l’energia suficient per provocar transicions vibracionals en un molècula. b) Calculeu la freqüència i la longitud d’ona de la radiació electromagnètica que hauria d’absorbir una molècula de HCl per passar de l’estat fonamental al nivell de vibració següent.

A partir de l’equació de Planck relacionarem l’energia de la radiació amb la freqüència (y), i la longitud d’ona (l): E 5 hy E 5,432 ? 10220 J Freqüència: y 5 — 5 ———————— h 6,63 ? 10234 J?s Freqüència 5 8,19 ? 1013 s21 Longitud d’ona:

1

2

c hc l 5 — o l 5 —— y E

3 ? 108 m?s21 l 5 ———————— 8,19 ? 1013 s21 Longitud d’ona 5 3,66 ? 1026 m 2. El diòxid de carboni, CO2, és un dels gasos d’efecte d’hivernacle més coneguts, ja que absorbeix part de la radiació infraroja emesa per la superfície de la Terra. L’espectre d’infraroig del CO2 mostra que aquest gas absorbeix intensament la radiació electromagnètica de 4,237 mm de longitud d’ona.

11

QUÍMICA 2

Aquesta energia l’aporta una determinada longitud d’ona de radiació electromagnètica que, per tant, pot ser absorbida.

100 Transmitància %

129

80

3. La fórmula molecular d’un compost orgànic és C5H10O. Es tracta d’un compost lineal que pot tenir un doble enllaç C }} C, o un doble enllaç C }} O. A partir de la figura i taula següents:

60 40

4000 3000 2500

20

2000

1500

1300 1200 1100 1000

900

800

700

3

4

5

6

7

8

9

12

16

Longitud d’ona (µm) Fig. 11.29. Espectre IR del CO2.

Transmitància

0

Dades: Constant de Planck: h 5 6,63 ? 10234 J?s Velocitat de la llum: c 5 3,00 ? 108 m?s21 a) Calculeu la freqüència i l’energia d’aquesta radiació absorbida pel diòxid de carboni. c Freqüència: y 5 — l

Nombre d’ona cm–1 Fig. 11.30. Espectre d’absorció a l’infraroig (IR) del compost C5 H10O.

Nombre d’ona (cm21)

Transformem les unitats de la longitud d’ona: 1m l 5 4,237 mm ? ———— 5 4,237 ? 1026 m 106 mm 3 ? 108 y 5 —————— 4,237 ? 1026

3 400

O–H o N–H

3 100

C–H (carboni enllaçat a un altre carboni amb enllaç doble, C }} C)

2 900

C–H (carboni enllaçat a un altre carboni amb enllaç simple, C–C)

1 710

C }} O

1 610

C }} C

y 5 7,08 ? 1013 s21 (o Hz) Energia de la radiació: Procediment 1

E 5 hy

E 5 hy 5

(6,63 ? 10234) ? (7,08 ? 1013)

E 5 4,69 ? 10220 J Procediment 2

hc E 5 —— l

(6,63 ? 10234) ? (3,00 ? 108) E 5 ————————————— 4,237 ? 1026 E 5 4,69 ? 10220 J

Grup funcional

Taula 11.10. Absorcions de diversos grups funcionals a l’infraroig (IR).

a) Argumenteu quin dels següents compostos, X, Y o Z, és compatible amb la fórmula i l’espectre infraroig donat: Compost X, 3-pentanona, CH3CH2COCH2CH3 Compost Y, àcid pentanoic, CH3CH2CH2CH2COOH Compost Z, 2-penten-1-ol, CH3CH2CH }} CHCH2OH Hem de descartar, d’entrada, el compost Y (àcid pentanoic), ja que la seva fórmula molecular és C5H10O2, i té un oxigen més que el compost orgànic que analitzem.

Aquesta radiació infraroja (IR) produeix un canvi d’estat (o nivell) vibracional de les molècules de CO2. Les molècules passen d’un estat vibracional de menys energia a un altre de més energia.

Per decidir si el compost desconegut és el compost X o el Z cal comprovar si es tracta d’una cetona (compost X) o d’un alcohol amb un doble enllaç carboni-carboni (compost Z).

En l’espectre infraroig (IR) del compost desconegut, s’observa un pic al voltant de 1 710 cm21 i no s’observa cap pic al voltant de 1 610 cm21; això, segons la taula d’absorcions de diversos grups funcionals a l’infraroig, ens permet deduir que el compost desconegut té un grup carbonil (C }} O) i no té cap doble enllaç entre carbonis (C }} C).

Les molècules de CO2 gas només absorbeixen certes radiacions IR, perquè per passar una molècula d’un nivell de vibració a un altre nivell de vibració ens cal una determinada energia (diferència d’energies dels dos nivells vibracionals).

També podem observar en l’espectre infraroig un pic al voltant de 2 900 cm21 que correspondria als enllaços C–H amb el carboni unit a enllaços C–C. Per tant, el compost desconegut és el compost X, la 3-pentanona.

b) Expliqueu breument què produeix la radiació electromagnètica infraroja en una molècula de diòxid de carboni. Per què les molècules d’aquest gas absorbeixen només certes longituds d’ona de radiació infraroja?

130

11

SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE

b) Expliqueu, breument, en què es basa l’espectroscòpia infraroja. Quina és la causa dels pics que apareixen en un espectre d’infraroig (IR)?

L’espectroscòpia d’infraroig es basa a fer interaccionar una molècula amb radiació electromagnètica de la zona de l’infraroig, per determinar quines radiacions concretes és capaç d’absorbir. Amb aquesta tècnica s’obté un espectre d’infraroig (espectre IR) on es representa l’absorbància (o transmitància) per a cada radiació infraroja, mesurada habitualment pel seu nombre d’ona (o a vegades per la seva longitud d’ona o freqüència).

Quan una molècula absorbeix radiació infraroja es produeixen canvis d’energia vibracional a causa de les deformacions dels enllaços per tensió i flexió. L’energia d’aquest tipus de radiació és capaç de provocar un salt des del nivell fonamental d’energia vibracional fins a un nivell excitat.

L’espectre IR obtingut per a una molècula es caracteritza per a una sèrie de pics, de diferents alçades, que corresponen a les diferents transicions vibracionals dels enllaços de la molècula.

Quimitest 1. El monòxid de carboni és un dels components del fum del tabac. Quan entra en contacte amb els pulmons fa que disminueixi l’oxigen en sang transportat per l’hemoglobina i, per tant, és nociu per a l’organisme. Quina de les afirmacions és correcta?

4. La nitroglicerina és una substància tremendament explosiva. Alfred Nobel va mesclar-la amb una varietat de sílice (SiO2) i va obtenir la dinamita. Quin és l’angle d’enllaç del diòxid de silici? a) 120° b) 109° c) 180° d) 90° La resposta correcta és la c).

5. En la Primera Guerra Mundial, el gas clor va causar milers de morts. Quina és l’estructura de Lewis resumida d’aquesta molècula? a) | Cl;Cl | b) | Cl }} Cl | ] c) | Cl }} Cl | ] ] ] d) |Cl −Cl | ] ] La resposta correcta és la d).

6. En les combustions es produeix diòxid de carboni i monòxid de carboni. Quina de les afirmacions següents és correcta? a) Són polars les dues substàncies. b) Només és polar el diòxid de carboni. c) Només és polar el monòxid de carboni.

a) És una molècula covalent polar.

d) Cap de les dues substàncies és polar.

b) És una molècula iònica.

La resposta correcta és la c).

c) És una molècula covalent pura. d) És una molècula amb enllaç de pont d’hidrogen.

La resposta correcta és la a).

2. L’ozó de l’estratosfera protegeix dels raigs ultraviolats que ens arriben del Sol. Quina és la molècula d’ozó i quin tipus d’enllaç té? a) O2 1 O, covalent b) O, iònic c) O3, iònic d) O3, covalent La resposta correcta és la d).

3. Quines de les substàncies següents són covalents? a) Or i aigua b) Sucre i aigua

7. De les molècules següents, quina té una estructura tetraèdrica i és no polar? a) Tetraclorur de carboni b) Freó-11 c) Metanal d) Cloroform La resposta correcta és la a).

8. El semen utilitzat per a reproduccions assistides es guarda congelat a baixes temperatures amb nitrogen líquid per un procés anomenat crionització. Abans de congelar-lo cal barrejar-lo amb una altra substància per evitar la cristal.lització de l’aigua quan es forma gel. Si s’analitza espectroscòpicament aquesta substància, es veu que es tracta d’una molècula de massa molecular 92, amb enllaços senzills i tres grups alcohol situats un a cada carboni. Quina és la fórmula d’aquest compost? a) 1,2,3-benzentriol b) 1,2,4-butantriol

c) Sucre i sal

c) Glicerina

d) Aigua i sal

d) Glucosa

La resposta correcta és la b).

La resposta correcta és la c).