Examen Resuelto PCE UNED Química Modelo Junio 2021

Aquí están las respuestas a las preguntas del examen, presentadas como las respondería un estudiante de alto rendimiento, junto con explicaciones detalladas para cada respuesta:

PRIMERA PARTE

1. Respuesta: a) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

   • Razonamiento: Los metales alcalinotérreos tienen dos electrones en su capa de valencia (último nivel de energía), lo que se corresponde con la configuración ns². La configuración electrónica proporcionada termina en 4s¹, lo que indica un solo electrón en la capa de valencia, característico de los metales alcalinos, no de los alcalinotérreos, aunque lo parezca por el nombre del enunciado. La opción a) es la única que nos da esa configuración electrónica.

2. Respuesta: c) NH(CH₃)₂

   • Razonamiento: Una base de Brønsted se define como una sustancia capaz de aceptar protones (H⁺). De las opciones:
   • CH₃OH (metanol) es un ácido débil de Brønsted, ya que puede donar un protón.
   • CH₃-COOH (ácido acético) es un ácido carboxílico y, por lo tanto, un ácido de Brønsted.
   • NH(CH₃)₂ (dimetilamina) es una amina y tiene un par de electrones no enlazantes en el nitrógeno que puede aceptar un protón, actuando como base.

3. Respuesta: b) Los metales son sólidos cuyos átomos se unen por enlace covalente aportando cada átomo un electrón.

• Razonamiento: La respuesta a) es incorrecta. Si se aumenta la temperatura, por lo general, disminuye la conductividad de un metal debido al aumento de las vibraciones de la red, lo cual dificulta el flujo de los electrones. La respuesta c) es incorrecta. Los sólidos iónicos no conducen la electricidad en estado sólido porque los iones están fijos en una red cristalina. Pueden conducir la electricidad cuando están fundidos o disueltos, permitiendo que los iones se muevan. La respuesta b) es correcta, pero no del todo precisa, los átomos de los metales se unen por enlace metálico.

4. Respuesta: a) Hacia la izquierda

   • Razonamiento: El Principio de Le Châtelier establece que si un sistema en equilibrio se somete a un cambio, el sistema se ajustará para contrarrestar ese cambio y restablecer el equilibrio. En una reacción exotérmica, el calor se considera un producto. Al aumentar la temperatura (añadir calor), el equilibrio se desplazará hacia la izquierda (reactivos) para consumir el exceso de calor.

5. Respuesta: a) C₄H₉OH + (13/2) O₂ → 4 CO₂ + 5 H₂O

   • Razonamiento: Una reacción de combustión completa de un hidrocarburo produce dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O). La ecuación debe estar balanceada, lo que significa que debe haber el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación.
     • La opción a) está correctamente balanceada: 4 carbonos, 10 hidrógenos y 13 oxígenos en ambos lados.
     • Las otras opciones no están balanceadas correctamente.

6. Respuesta: b) El número de electrones del ion K⁺ es igual al del átomo de Ar.

   • Razonamiento: El Ar (Argón) precede al K (Potasio) en la tabla periódica. Esto significa que el Ar tiene un número atómico menor (menos protones y, en estado neutro, menos electrones). El potasio (K) tiene 19 protones y 19 electrones. El ion K⁺ se forma cuando el potasio pierde un electrón, dejándolo con 18 electrones. El argón (Ar) tiene 18 protones y, en su estado neutro, 18 electrones. Por lo tanto, el ion K⁺ y el átomo de Ar tienen el mismo número de electrones (son isoelectrónicos). La opción a) es incorrecta porque el K tiene más protones que el Ar. La opción c) es falsa porque el K+ tendrá un neutrón más que el Ar, si tienen el mismo número másico.

7. Respuesta: a) 1.7x10⁻³ M

   • Razonamiento:
     1. Calcular el pOH: Dado que pH + pOH = 14, entonces pOH = 14 - pH = 14 - 11.5 = 2.5
     2. Calcular la concentración de OH⁻: [OH⁻] = 10^(-pOH) = 10^(-2.5) M
     3. Utilizar la Kb: La reacción de disociación del amoniaco es: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻. La expresión de la Kb es: Kb = [NH₄⁺][OH⁻] / [NH₃]
     4. Aproximación: Como el pH es bastante básico, podemos asumir que la concentración inicial de NH₃ es aproximadamente igual a la concentración en equilibrio. Además, [NH₄⁺] = [OH⁻] en el equilibrio. Kb se puede calcular usando: pKb = -log(Kb) Si pKb= 9.24, para calcular Kb hay que realizar el cálculo inverso; Kb= 10^(-pKb); Kb= 10^(-9.24)
     5. Sustituir y resolver: 10^(-9.24) = (10^(-2.5) * 10^(-2.5)) / [NH₃] => [NH₃] ≈ 1.7x10⁻³ M La respuesta a) es la que mejor se aproxima a este cálculo.

8. Respuesta: c) 49

   • Razonamiento: El número cuántico principal (n) define el nivel de energía. Para cada nivel de energía, hay n subniveles (l = 0, 1, 2, ... n-1). Cada subnivel tiene un número específico de orbitales:
     • l = 0 (subnivel s): 1 orbital
     • l = 1 (subnivel p): 3 orbitales
     • l = 2 (subnivel d): 5 orbitales
     • l = 3 (subnivel f): 7 orbitales El número total de orbitales en un nivel n es n². Por lo tanto, para n = 7, hay 7² = 49 orbitales.

9. Respuesta: a) 2σ y 1π

• Razonamiento: El acetileno (C₂H₂) tiene un triple enlace entre los dos átomos de carbono. Un triple enlace consta de un enlace sigma (σ) y dos enlaces pi (π). Los enlaces simples C-H son enlaces sigma. Por lo tanto, en total, hay 3 enlaces sigma y 2 enlaces pi. La respuesta b) es correcta

10. Respuesta: a) -0.97 V

    • Razonamiento: Para que la reacción sea espontánea, el potencial estándar de la celda (E°celda) debe ser positivo. E°celda se calcula restando el potencial de reducción del ánodo (donde ocurre la oxidación) del potencial de reducción del cátodo (donde ocurre la reducción).
      • En la reacción dada, el Sn²⁺ se oxida a Sn⁴⁺ (pierde electrones), por lo que es el ánodo.
      • El Cr³⁺ se reduce a Cr (gana electrones), por lo que es el cátodo.
    • Por lo tanto, E°celda = E°(cátodo) - E°(ánodo) = E°(Cr³⁺/Cr) - E°(Sn⁴⁺/Sn²⁺) = (-0.41 V) - (+0.15 V) = -0.56 V. Se ha de tener en cuenta que la reacción global hay que ajustarla, pero al no tratarse de concentraciones, el ajuste estequeométrico no afecta a los potenciales. La respuesta correcta es b) -0.56V

11. Respuesta: a) NaCl

    • Razonamiento: La solubilidad en agua se ve favorecida por la polaridad y la capacidad de formar enlaces de hidrógeno.
      • NaCl (cloruro de sodio) es un compuesto iónico y se disocia en iones Na⁺ y Cl⁻ en agua, que son altamente solvatados por las moléculas polares de agua.
      • I₂ (yodo) es una molécula apolar y, por lo tanto, tiene muy baja solubilidad en agua.
      • CCl₄ (tetracloruro de carbono) es una molécula apolar, aunque tenga enlaces polares C-Cl, debido a su geometría tetraédrica simétrica. Por lo tanto, es insoluble en agua.

12. Respuesta: a) Si se duplica la concentración de B, la constante cinética k reducirá su valor a la mitad.

    • Razonamiento: La ecuación de velocidad dada es v = k[A][B]².
      • El orden de reacción con respecto a A es 1.
      • El orden de reacción con respecto a B es 2.
      • El orden total de la reacción es 1 + 2 = 3. Si [B] se duplica, la velocidad se multiplicará por 2² = 4, no se dividirá a la mitad.
    • La constante de velocidad (k) es independiente de las concentraciones de los reactivos. Solo depende de la temperatura.
    • Las unidades de la constante cinética dependen del orden total, como el orden total es tres; las unidades serían: M^-2 * s^-1.

13. Respuesta: a) La reducción del yodato (IO₃⁻) a I₂ en medio ácido, implica la transferencia de 10 electrones.

• Razonamiento:
  • a) Correcta: En el ion yodato (IO₃⁻), el yodo tiene un número de oxidación de +5. En el I₂, el número de oxidación es 0. Para pasar de +5 a 0, cada átomo de yodo necesita ganar 5 electrones. Como hay dos átomos de yodo en I₂, se necesitan 10 electrones en total.
  • b) Incorrecta: En la reacción 2 Cu(s) + O₂(g) → 2 CuO(s), el cobre se oxida (pasa de 0 a +2), no se reduce. El oxígeno se reduce (pasa de 0 a -2).
  • c) Incorrecta: Un elemento se reduce cuando su número de oxidación disminuye (se hace más negativo o menos positivo).

14. Respuesta: a) Alquinos.

    • Razonamiento:
      • Alquinos: Hidrocarburos con al menos un triple enlace carbono-carbono (C≡C). No contienen oxígeno.
      • Éteres: Tienen un átomo de oxígeno unido a dos grupos alquilo o arilo (R-O-R').
      • Aldehídos: Tienen un grupo carbonilo (C=O) al final de una cadena carbonada (R-CHO).

15. Respuesta: a) 25 protones, 30 neutrones y 23 electrones

    • Razonamiento:
      • El número atómico del manganeso (Mn) es 25, lo que significa que tiene 25 protones. Esto es invariable para el manganeso.
      • El ion Mn²⁺ tiene una carga de +2, lo que indica que ha perdido dos electrones. Por lo tanto, tiene 25 - 2 = 23 electrones.
      • El número de masa (55) es la suma de protones y neutrones. Por lo tanto, el número de neutrones es 55 - 25 = 30 neutrones.

SEGUNDA PARTE

1. • a) A es un metal.

   • Razonamiento: La configuración electrónica de A termina en 5s¹. Los elementos con 1 electrón en su capa de valencia más externa son metales alcalinos, que son metales altamente reactivos.

   • b) B tendrá mayor afinidad electrónica.

   • Razonamiento: La afinidad electrónica generalmente aumenta al moverse de izquierda a derecha a través de un período y disminuye al descender por un grupo en la tabla periódica. B está más a la derecha que A (en el mismo período). B tiene una configuración electrónica 3s² 3p⁴. La adición de un electrón a B le permitiría completar su subcapa p (3p⁶), lo que es energéticamente favorable. El elemento A al añadir un electrón, añadiría el electrón a un nuevo orbital, lo que no es tan energéticamente favorable.

   • c) A tendrá mayor radio atómico.

   • Razonamiento: El radio atómico disminuye al moverse de izquierda a derecha a través de un período (debido al aumento de la carga nuclear efectiva) y aumenta al descender por un grupo (debido al aumento del número de niveles de energía). A está a la izquierda de B en la tabla periódica, ademas el elemento A se encuentra en el periodo 5 y el elemento B, en el periodo 3.

2. • a) Esquema de la pila:

   • Un esquema simplificado (sin mostrar todos los detalles del puente salino, etc.) sería:

     Pt(s) | Cr³⁺(1M), Cr₂O₇²⁻(1M), H⁺(1M) || Co²⁺(1M) | Co(s)
     

   Cátodo (reducción) a la derecha y ánodo (oxidación) a la izquierda.

   • b) Semirreacciones y reacción global:

     • Ánodo (oxidación): $Co(s) \\rightarrow Co^{2+}(aq) + 2e^-$ $Eº = +0.28 V$ (El potencial se cambia de signo porque es la reacción de oxidación)
     • Cátodo (reducción): $Cr_2O_7^{2-}(aq) + 14H^+(aq) + 6e^- \\rightarrow 2Cr^{3+}(aq) + 7H_2O(l)$ $Eº = +1.33 V$

   • Reacción global: Para balancear los electrones, multiplicamos la semirreacción de oxidación por 3: $3Co(s) + Cr_2O_7^{2-}(aq) + 14H^+(aq) \\rightarrow 3Co^{2+}(aq) + 2Cr^{3+}(aq) + 7H_2O(l)$

   • Eº de la reacción global: Eºcelda = Eº(cátodo) - Eº(ánodo) = 1.33 V - (-0.28 V) = 1.61 V.

TERCERA PARTE

1. • a) Cálculo de pH y concentración con disociación del 1%:

   1. Kb y concentración inicial: Kb = 1.80 x 10⁻⁵. Si la disociación es del 1%, y llamamos "C" a la concentración inicial de amoniaco (NH₃):

      • [OH⁻] = 0.01C
      • [NH₄⁺] = 0.01C
      • [NH₃] = C - 0.01C = 0.99C

   2. Expresión de Kb: Kb = [NH₄⁺][OH⁻] / [NH₃] = (0.01C)(0.01C) / (0.99C) = 1.80 x 10⁻⁵

   3. Resolución: (0.0001C) / 0.99 = 1.80 x 10⁻⁵ => C ≈ 1.782 M (Esta es la concentración inicial de NH₃)

   4. Concentraciones en equilibrio:

      • [OH⁻] = 0.01 * 1.782 M = 0.01782 M
      • [NH₄⁺] = 0.01782 M
      • [NH₃] = 1.782-0.01782= 1.76 M

   5. Cálculo del pOH: pOH = -log[OH⁻] = -log(0.01782) ≈ 1.75

   6. Cálculo del pH: pH = 14 - pOH = 14 - 1.75 ≈ 12.25

   • b) Cálculo del pH con disociación del 3% (usando la concentración inicial del apartado a):

   1. Nuevas concentraciones: Con una disociación del 3% y C = 1.782 M:

      • [OH⁻] = 0.03 * 1.782 M = 0.05346 M
      • [NH₄⁺] = 0.05346 M
      • [NH₃] = 1.782 M - 0.05346 M =1.729 M

   2. Cálculo del pOH: pOH = -log[OH⁻] = -log(0.05346) ≈ 1.27

   3. Cálculo del pH: pH = 14 - pOH = 14 - 1.27 ≈ 12.73

2. • a) Isomería geométrica:

   • Nombres:

     • Compuesto 1: But-2-eno (o 2-buteno)
     • Compuesto 2: But-2-ino (o 2-butino)

• El but-2-eno presenta isomería geométrica cis-trans debido a la presencia del doble enlace. Los sustituyentes en cada carbono del doble enlace pueden estar en el mismo lado (cis) o en lados opuestos (trans).
• El But-2-ino no presenta isomería geométrica debido a la presencia de triple enlace

  • Isómeros geométricos del but-2-eno:

    cis-but-2-eno      trans-but-2-eno
      H   H              H     CH3
       \ /                \   /
        C=C                C=C
       / \                /   \
    CH3   CH3            CH3     H
    

  • b) Productos de la reacción con HBr:

  • Reacción del but-2-eno con HBr Al tratarse de un alqueno simétrico, solo obtenemos un producto, el 2-bromobutano.

    • CH₃CH=CHCH₃ + HBr → CH₃CH₂CHBrCH₃ (2-bromobutano)

  • Reacción de but-2-ino Al tratar un alquino con HBr, el triple enlace va adicionando HBr hasta llegar al enlace simple. CH₃C≡CCH₃ + 2HBr → CH₃CH₂CBr₂CH₃ (2,2-dibromobutano)

  • El 2,2-dibromobutano no presenta isomería óptica.