La pluja àcida és un tipus de precipitació que presenta un pH especialment àcid (pH 4-5) i que té efectes adversos en els boscos i en la flora i la fauna aquàtiques. Aquest fenomen apareix sobretot en ambients rics en triòxid de sofre, ja que aquest compost genera àcid sulfúric en reaccionar amb el vapor d'aigua de l'atmosfera. Una de les vies de formació de triòxid de sofre a l'atmosfera és a partir del diòxid de nitrogen i el diòxid de sofre, que són contaminants ambientals derivats de l'activitat humana. Aquests dos gasos reaccionen entre ells i donen lloc a un equilibri químic amb el monòxid de nitrogen i el triòxid de sofre, tal com es mostra a l'equació següent:
NO₂(g) + SO₂(g) ⇋ NO(g) + SO₃(g)
Dades: Masses atòmiques relatives: N = 14,0; O = 16,0; S = 32,0.
1.1) Quan aquesta reacció es duu a terme en un recipient tancat de 2 L a una temperatura de 1 150 °C, les quantitats de cada substància un cop assolit l'equilibri són 0,2 mol de NO₂, 1,6 mol de SO₂, 0,8 mol de NO i 1,2 mol de SO₃. Calculeu la constant d'equilibri Kc de la reacció en aquestes condicions. Si s'afegissin 10 g addicionals de NO a aquest sistema en equilibri, quines serien les concentracions finals que s'obtindrien en la nova situació d'equilibri per a cadascuna de les espècies implicades en la reacció? [1,25 punts]
1.2) S'ha estudiat la variació de la constant d'equilibri Kc de la reacció anterior segons la temperatura: a 460 °C, Kc = 84,3; a 800 °C, Kc = 9,6. Justifiqueu si la reacció entre NO₂ i SO₂ per a produir NO i SO₃ és un procés endotèrmic o exotèrmic. Expliqueu de manera raonada si s'afavoreix la pluja àcida quan: a) augmenta la pressió atmosfèrica i b) augmenta la quantitat de monòxid de nitrogen a l'atmosfera produït per altres processos. [1,25 punts]
Una font important de contaminació atmosfèrica causada pel trànsit a les ciutats és la formació d'òxids de nitrogen. El monòxid de nitrogen s'origina per la combustió del nitrogen de l'aire a elevades temperatures en els motors dels vehicles. Es produeix mitjançant la reacció següent:
N₂(g) + O₂(g) ⇄ 2 NO(g)
La constant d'equilibri en concentracions (Kc) d'aquesta reacció és 1,0 × 10⁻³⁰ a 298 K, però a una temperatura de 1 100 K és 1,0 × 10⁻⁵.
Dades: Constant universal dels gasos ideals: R = 0,082 atm L K⁻¹ mol⁻¹.
a) Si aquesta reacció es duu a terme dins un recipient tancat que té un volum fix de 500 cm³, a 1 100 K, i en el qual s'han introduït 0,5 mol de nitrogen i 0,5 mol d'oxigen, quines seran les concentracions dels tres gasos una vegada assolit l'equilibri? [1,25 punts]
b) Justifiqueu si la reacció és endotèrmica o exotèrmica i raoneu si el rendiment de la reacció és més gran a temperatures altes o baixes. Raoneu com afecta a l'equilibri i al rendiment de la reacció un augment de la pressió a temperatura constant dins el recipient. Calculeu la constant d'equilibri Kp a 1 100 K. [1,25 punts]
L'amoníac verd no s'obté a partir de les plantes. Per a produir-lo cal aconseguir primer hidrogen verd mitjançant un procés d'electròlisi de l'aigua amb energia elèctrica generada a partir de fonts renovables. Posteriorment, l'hidrogen reacciona amb nitrogen atmosfèric a través d'un procés conegut com a síntesi de Haber-Bosch, que permet l'obtenció d'amoníac en presència d'un catalitzador. Aquest procés no és econòmic per les condicions de pressió i temperatura que requereix i l'ús de catalitzadors.
En un reactor d'acer d'una planta pilot s'introdueix una barreja de nitrogen atmosfèric i hidrogen verd i s'escalfa a 1 000 K, fins que s'assoleix l'equilibri.
N₂(g) + 3 H₂(g) ⇄ 2 NH₃(g) ΔH < 0
Concentracions en l'equilibri (mol L⁻¹): N₂(g) 0,142 · H₂(g) 1,84 · NH₃(g) 0,36.
Dades: Constant universal dels gasos ideals: R = 0,082 atm L K⁻¹ mol⁻¹.
a) Escriviu l'expressió de la constant d'equilibri en concentracions (Kc) de la reacció i calculeu-ne el valor a 1 000 K. Calculeu també el valor de la constant d'equilibri Kp a 1 000 K. [1,25 punts]
b) Responeu raonadament: per a obtenir un major rendiment de la reacció, és millor dur a terme la reacció a pressions altes o baixes? El rendiment augmenta a temperatures altes o baixes? Segons el model cinètic de col·lisions, la reacció es produiria a més velocitat a temperatures altes o baixes? [1,25 punts]
El 10 de juliol de 2023 va entrar en erupció un volcà de la península de Reykjanes, a uns 30 km de Reykjavík. Una de les substàncies que arriben a l'atmosfera en una erupció volcànica és el diòxid de sofre (SO₂), que s'oxida en presència de l'oxigen de l'aire i esdevé triòxid de sofre (SO₃), i posteriorment es converteix en àcid sulfúric, una de les principals causes de l'anomenada pluja àcida. En la bibliografia també s'indica que la reacció de descomposició del triòxid de sofre és la següent:
SO₃(g) ⇄ SO₂(g) + ½ O₂(g) ΔH° (a 298 K) > 0
a) Els dies posteriors a l'erupció volcànica van ser inusualment calorosos a tota l'àrea de Reykjavík. Raoneu si aquest fet va afavorir la formació de pluja àcida. Escriviu la reacció de formació de l'àcid sulfúric a partir del triòxid de sofre. Expliqueu també si els canvis de pressió afecten aquest equilibri i, en cas que l'afectin, expliqueu com. Considereu que la temperatura es manté constant. [1,25 punts]
b) En un recipient tancat de 10,0 L s'introdueixen 0,1 mol de triòxid de sofre i s'escalfen a una temperatura determinada. Un cop establert l'equilibri, queden a l'interior del recipient 0,017 mol de triòxid de sofre sense descompondre. Calculeu la constant d'equilibri en concentracions de la reacció (Kc) a aquesta temperatura. Raoneu també si la Kc i la constant d'equilibri en pressions (Kp) d'aquesta reacció coincidiran i, en cas que no coincideixin, digueu quina serà més gran. [1,25 punts]
El tetraòxid de dinitrogen (N₂O₄) és un oxidant molt tòxic i corrosiu. Es fa servir com a propel·lent de coets i també és un poderós reactiu utilitzat en síntesis químiques. Forma part, juntament amb altres òxids de nitrogen, de la pol·lució de les grans ciutats a causa de la combustió en els motors d'explosió.
El tetraòxid de dinitrogen es transforma en diòxid de nitrogen (NO₂) a 373 K segons la reacció següent:
N₂O₄(g) ⇄ 2 NO₂(g)
Dades: Constant universal dels gasos ideals: R = 0,082 atm L K⁻¹ mol⁻¹.
a) Un matràs de 2,0 L a 373 K conté una mescla en equilibri formada per 0,20 mol de N₂O₄ i 0,29 mol de NO₂. Calculeu la constant d'equilibri en concentracions (Kc) i la constant d'equilibri en pressions (Kp) a aquesta temperatura. [1,25 punts]
b) El N₂O₄ és un gas incolor i el NO₂ és un gas marró i més tòxic. A l'estiu, en ciutats contaminades, i especialment si no hi ha vent, l'ambient té un color més marronós que a l'hivern. En aquests casos, quin compost de nitrogen és el que predomina a l'aire a l'estiu? Com afecta a l'equilibri un augment de la temperatura? Justifiqueu les respostes. Raoneu si la reacció de dissociació del N₂O₄ és endotèrmica o exotèrmica i expliqueu si els canvis de pressió afecten l'equilibri i, en cas que l'afectin, expliqueu com. Considereu que la temperatura es manté constant. [1,25 punts]
L'acetat d'etil (també anomenat etanoat d'etil) és un dissolvent orgànic utilitzat àmpliament en diferents sectors industrials, com el de pintures i vernissos, el de cosmètics i perfumeria, l'alimentari, el farmacèutic o el d'adhesius. L'acetat d'etil s'obté principalment mitjançant la reacció d'esterificació de Fisher a partir d'àcid acètic i etanol, en presència d'un catalitzador àcid i calor, segons la reacció següent, en què també s'obté aigua:
CH₃COOH(l) + CH₃CH₂OH(l) ⇄ CH₃COOCH₂CH₃(l) + H₂O(l)
Els envasos de l'àcid acètic i de l'etanol se subministren etiquetats amb els pictogrames següents:
[Figura: quatre pictogrames de perill en rombe. Àcid acètic: pictograma 1 (flama) i pictograma 2 (líquid que corroeix una superfície i una mà). Etanol: pictograma 3 (flama) i pictograma 4 (signe d'exclamació).]
Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Densitat de l'etanol: 0,80 g mL⁻¹.
a) Es fan reaccionar 115,0 mL d'etanol amb 1,0 mol d'àcid acètic. Quan la reacció arriba a l'equilibri queden 0,15 mol d'àcid acètic sense reaccionar. Determineu el valor de la constant d'equilibri (Kc) de la reacció. Considereu que el volum de la mescla líquida de reacció es manté constant durant el procés. Indiqueu què representen cadascun dels pictogrames de l'àcid acètic i l'etanol, i quins problemes poden causar. [1,25 punts]
b) Per a aconseguir el màxim rendiment en un procés industrial d'obtenció d'acetat d'etil, s'utilitzen principalment dues estratègies: — realitzar la reacció amb un gran excés d'etanol; — anar eliminant l'aigua del recipient de reacció. Raoneu per què aquestes dues estratègies fan augmentar el rendiment de la reacció. Expliqueu quin efecte tindria sobre el rendiment de la reacció el fet de no utilitzar un catalitzador. [1,25 punts]
El iodur d'hidrogen és un gas incolor, fàcilment soluble en aigua, que s'utilitza en química com a agent reductor. El podem sintetitzar a partir de iode i hidrogen, en fase gasosa, segons la reacció següent:
H₂(g) + I₂(g) ⇄ 2 HI(g) Kc (a 703 K) = 54,3
En un reactor d'1,00 L barregem 0,0130 mol de H₂, 0,0080 mol de I₂ i 0,0440 mol de HI; ho escalfem a 703 K de temperatura, i s'inicia la reacció. Dues hores més tard, observem que el reactor conté 0,0480 mol de HI.
Dades: Entalpia estàndard de formació a 298 K: ΔH°f (HI) > 0.
a) Calculeu les concentracions de les tres substàncies quan han transcorregut dues hores des de l'inici de la reacció, i el valor del quocient de reacció (Q) en aquest moment. Digueu si el contingut del reactor està en equilibri o no ho està, i justifiqueu la resposta. [1,25 punts]
b) Suposeu que, després de cinc hores, la quantitat de HI s'estabilitza, de manera que ni augmenta ni disminueix si deixem transcórrer més temps. Justifiqueu quin efecte tindria sobre la quantitat de mols de HI si, en aquest moment: — disminuïm el volum del reactor; — eliminem una part de l'hidrogen gasós del reactor; — introduïm un catalitzador al reactor; — augmentem la temperatura del reactor. [1,25 punts]
La litiasi urinària consisteix en la presència de càlculs al ronyó o a les vies urinàries deguts a concentracions altes de certes substàncies que hauríem d'eliminar per l'orina. En la litiasi càlcica, que és la més freqüent, aquests càlculs es formen a causa d'un augment de la concentració de calci en l'orina, que provoca la precipitació de diverses sals, com ara el fosfat de calci, Ca₃(PO₄)₂.
Dades: Masses atòmiques relatives: O = 16,0; P = 31,0; Ca = 40,1. Producte de solubilitat del fosfat de calci a 25 °C: Kps = 2,07 × 10⁻³³.
a) Podem dissoldre, a 25 °C, un càlcul d'1,25 mg de fosfat de calci en 10,0 L d'aigua? Raoneu-ho quantitativament. [1,25 punts]
b) En quatre tubs d'assaig hi posem una mica de fosfat de calci sòlid en contacte amb 10 mL de solució aquosa saturada d'aquesta sal. Afegim a cadascun dels tubs uns mil·lilitres de les solucions següents: tub 1, CaCl₂(aq); tub 2, HCl(aq); tub 3, EDTA(aq); tub 4, H₂O(l). Expliqueu, raonadament i qualitativament, què observarem en cada tub. (Nota: l'EDTA, àcid etilendiaminotetraacètic, és un lligand orgànic que forma complexos solubles amb molts ions metàl·lics, inclosos els alcalinoterris.) [1,25 punts]
El diòxid de sofre és un gas que s'origina sobretot durant la combustió de combustibles fòssils que contenen sofre (petroli i combustibles sòlids com ara el carbó), tot i que també es pot produir a partir del triòxid de sofre (SO₃) segons la reacció següent:
2 SO₃(g) ⇄ 2 SO₂(g) + O₂(g)
Constants d'equilibri en concentracions a diferents temperatures: T = 298 K, Kc = 1,19 × 10⁻²⁶; 400 K, 5,42 × 10⁻¹⁸; 600 K, 4,02 × 10⁻¹⁰; 800 K, 1,97 × 10⁻⁵; 1 000 K, 3,2 × 10⁻³.
a) En la taula adjunta es recullen els valors, a diferents temperatures, de la constant d'equilibri en concentracions (Kc) d'aquesta reacció. Raoneu com afecta a l'equilibri i a la Kc un increment de temperatura, tant si la reacció és endotèrmica com si és exotèrmica. Justifiqueu si la reacció de formació de diòxid de sofre és exotèrmica o endotèrmica. Expliqueu com afecta a l'equilibri i al rendiment de la reacció: — un augment de la pressió, mantenint la temperatura constant; — un augment del volum, mantenint la temperatura constant. [1,25 punts]
b) Col·loquem una quantitat de triòxid de sofre en un recipient tancat de 0,80 L a 1 000 K. Comprovem que a l'equilibri hi ha 2 mol d'oxigen. Calculeu les concentracions de les substàncies presents a l'equilibri. [1,25 punts]
El iodur de plom(II) (PbI₂) és una sal poc soluble d'un color groc molt intens. Antigament, el iodur de plom(II) era utilitzat pels artistes com a pigment, amb el nom de groc de iode, però degut a la seva toxicitat i baixa estabilitat va deixar d'utilitzar-se.
Dades: Constants del producte de solubilitat a 25 °C: Kps (PbI₂) = 7,9 × 10⁻⁹; Kps (PbCl₂) = 1,7 × 10⁻⁵.
a) Escriviu l'equilibri de solubilitat del iodur de plom(II) i calculeu-ne la solubilitat molar a 25 °C. Expliqueu raonadament si la solubilitat del iodur de plom(II) en aigua és més gran o més petita que la seva solubilitat en una solució de iodur de sodi (NaI). [1,25 punts]
b) Calculeu la concentració d'ió plom(II) necessària perquè precipiti iodur de plom(II) a partir d'una solució de iodur de potassi (KI) de concentració 2,0 × 10⁻⁴ M. Si tenim dues solucions de la mateixa concentració, una de iodur de potassi i l'altra de clorur de potassi (KCl), quina de les dues necessitarà una concentració més alta de Pb²⁺ per a començar a precipitar, en el primer cas PbI₂ i en el segon PbCl₂? Justifiqueu la resposta. [1,25 punts]
El clorur de sulfuril (SO₂Cl₂) és un líquid a temperatura ambient d'olor punyent que sovint s'utilitza com a font de clor gasós, ja que pel fet de ser un líquid és més fàcil d'emmagatzemar i manipular. És molt emprat en la síntesi de compostos orgànics per a transformar enllaços C–H en enllaços C–Cl. També s'ha utilitzat, en el tractament de la roba de llana, perquè no s'encongeixi. El clorur de sulfuril s'obté industrialment per reacció entre el clor i el diòxid de sofre, emprant carbó actiu com a catalitzador. S'ha realitzat la reacció d'obtenció de SO₂Cl₂ en un recipient tancat d'1,0 L a 400 K:
Cl₂(g) + SO₂(g) ⇄ SO₂Cl₂(g) ΔH° < 0
a) Quan la reacció ha arribat a l'equilibri, s'ha comprovat que el recipient contenia 0,40 mol de SO₂Cl₂, 0,10 mol de SO₂ i 0,50 mol de Cl₂. Determineu el valor de la constant d'equilibri en concentracions (Kc). Si, després d'assolir l'equilibri, s'addicionen 0,30 mol de SO₂ a la mescla de reacció, quina és la nova concentració de clorur de sulfuril en l'equilibri? [1,25 punts]
b) Raoneu quin efecte tindria sobre el rendiment de la reacció: — un augment de la temperatura del recipient; — un augment del volum del recipient; — l'eliminació del catalitzador. Raoneu també quin efecte tindrien sobre el valor de la Kc les tres accions mencionades anteriorment. [1,25 punts]
El sulfat de bari (BaSO₄) és un compost poc soluble en aigua que s'utilitza com a contrast radiològic en anàlisis de raigs X de l'esòfag, l'estómac i els intestins. Generalment, cal beure una suspensió de sulfat de bari una o dues vegades abans de l'anàlisi radiològica.
Dades: Constants del producte de solubilitat a 25 °C: Kps (BaSO₄) = 1,1 × 10⁻¹⁰; Kps (BaCO₃) = 3,2 × 10⁻⁹. Masses atòmiques relatives: Ba = 137,3; S = 32,1; O = 16,0.
a) Calculeu la solubilitat molar del sulfat de bari en aigua. Calculeu quina quantitat d'ió bari (Ba²⁺), en mg, s'ingereix si es prenen 200 mL d'una solució saturada de sulfat de bari abans d'una anàlisi radiològica. [1,25 punts]
b) Alguns estudis indiquen que aproximadament el 2 % de la població és al·lèrgica a l'ió bari. En el cas que un pacient sigui al·lèrgic a l'ió bari, raoneu si afegir una certa quantitat de sulfat de sodi (Na₂SO₄) a la suspensió de sulfat de bari que cal prendre seria bo per a disminuir els efectes de l'al·lèrgia. A les persones al·lèrgiques a l'ió bari, quina suspensió els provocarà més al·lèrgia: una de sulfat de bari o una de carbonat de bari (BaCO₃)? Justifiqueu la resposta. [1,25 punts]
