Termodinàmica i cinètica: exercicis de selectivitat de Química (Catalunya)

La metanogènesi hidrogenotròfica o biometanació és la generació de metà a partir de reaccions bioquímiques realitzades per microorganismes metanògens, els quals pertanyen al domini dels arqueus. Aquests bacteris converteixen el diòxid de carboni (CO₂) i l'hidrogen (H₂) en metà (CH₄) i aigua (H₂O), mitjançant la reacció següent: CO₂(g) + 4 H₂(g) → CH₄(g) + 2 H₂O(g) Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Entalpia estàndard de formació a 298 K, ΔHf° (kJ mol⁻¹): CO₂(g) −393,5; H₂(g) 0; CH₄(g) −74,8; H₂O(g) −241,8. Entropia estàndard absoluta a 298 K, S° (J mol⁻¹ K⁻¹): CO₂(g) 213,7; H₂(g) 130,7; CH₄(g) 186,3; H₂O(g) 188,8.

Els fotocatalitzadors són compostos capaços de promoure una reacció química quan són irradiats amb llum i s'apliquen en camps tan diversos com la degradació de contaminants, la producció d'hidrogen verd o la valorització de les emissions de CO₂. Un dels fotocatalitzadors més populars utilitzat en algunes d'aquestes aplicacions és el diòxid de titani (TiO₂), un semiconductor que absorbeix radiació ultraviolada (UV). Dades: Nombres atòmics: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(Cl) = 17; Z(Br) = 35. Electronegativitat segons l'escala de Pauling: H = 2,20; C = 2,55; Cl = 3,16; Br = 2,96. Entalpia estàndard de formació a 25 °C, ΔHf° (kJ mol⁻¹): TiCl₄(l) −763,2; O₂(g) 0,0; TiO₂(s) −944,0; Cl₂(g) 0,0. Entropia estàndard absoluta a 25 °C, S° (J mol⁻¹ K⁻¹): TiCl₄(l) +353,2; O₂(g) +205,0; TiO₂(s) +51,0; Cl₂(g) +223,0.

La sacarosa, que s'extreu principalment de la canya de sucre i de la remolatxa, té un paper fonamental en l'alimentació humana, ja que és una de les principals fonts d'energia per a l'organisme. Aquest sucre es metabolitza mitjançant l'acció de l'enzim sacarasa, que el descompon en glucosa i fructosa a l'intestí prim, segons la reacció següent: C₁₂H₂₂O₁₁(aq) (sacarosa) + H₂O(l) → C₆H₁₂O₆(aq) (glucosa) + C₆H₁₂O₆(aq) (fructosa) La sacarosa, la glucosa i la fructosa són glúcids que en solució aquosa presenten una estructura cíclica amb anells de sis membres (forma piranosa) o de cinc membres (forma furanosa); la figura mostra les estructures de la sacarosa (un anell de sis membres unit per un oxigen a un anell de cinc membres), de la glucosa (anell de sis membres) i de la fructosa (anell de cinc membres). Dades: Nombres atòmics: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(O) = 8. Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Entalpies estàndard de formació a 298 K, ΔHf° (kJ mol⁻¹): sacarosa −2 226,0; aigua −285,8; glucosa −1 273,3; fructosa −1 265,6.

El 13 d'octubre de 1908, el químic alemany Fritz Haber va registrar la patent del procés que porta el seu nom, amb el qual s'obté amoníac a partir d'hidrogen gasós i nitrogen gasós a pressions altes i en presència d'un catalitzador. L'amoníac que es forma es va separant de la resta de gasos i es va recollint en un recipient. L'amoníac és el segon producte químic més produït al món; el 70 % de la producció es destina a fertilitzants i la resta s'utilitza com a matèria primera per a fabricar plàstics, productes de neteja o tèxtils, entre d'altres. N₂(g) + 3 H₂(g) ⇄ 2 NH₃(g) Dades: Constant universal dels gasos ideals: R = 0,082 atm L K⁻¹ mol⁻¹; R = 8,314 J K⁻¹ mol⁻¹. Entalpies d'enllaç a 25 °C (kJ mol⁻¹) i a 1 atm: N≡N 954; H—H 436; N—H 388.

En la fermentació acètica del vi, per l'acció dels bacteris del gènere Acetobacter, l'alcohol etílic (també anomenat etanol) reacciona amb l'oxigen de l'aire i es transforma en àcid acètic (també anomenat àcid etanoic) i aigua. Aquesta dissolució dona lloc al vinagre. Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Entalpies estàndard de formació a 298 K, ΔH°f (kJ mol⁻¹): CH₃CH₂OH(l) −277,6; CH₃COOH(l) −487,0; H₂O(l) −285,8; O₂(g) 0. Entropies estàndard absolutes a 298 K, S° (J mol⁻¹ K⁻¹): CH₃CH₂OH(l) 160,7; CH₃COOH(l) 159,8; H₂O(l) 69,9; O₂(g) 205,0.

El fosfà, abans conegut com a fosfina (PH₃), és un gas incolor a temperatura ambient amb una forta olor d'all o de peix podrit. S'utilitza en la fabricació de semiconductors, de materials ignífugs i de plàstics, i també com a pesticida en magatzems de gra. Un dels processos industrials d'obtenció de fosfà consisteix en la reacció directa entre fòsfor blanc (P₄) i hidrogen a altes pressions: P₄(s) + H₂(g) → 4 PH₃(g) Es van realitzar tres experiments per a determinar la velocitat inicial de la reacció d'obtenció del fosfà per reacció directa entre el fòsfor blanc i l'hidrogen a 298 K, recollits a la taula següent: Experiment 1: [P₄] = 0,0110 mol L⁻¹; [H₂] = 0,0075 mol L⁻¹; velocitat = 3,20 × 10⁻⁴ mol L⁻¹ s⁻¹. Experiment 2: [P₄] = 0,0110 mol L⁻¹; [H₂] = 0,0150 mol L⁻¹; velocitat = 6,40 × 10⁻⁴ mol L⁻¹ s⁻¹. Experiment 3: [P₄] = 0,0220 mol L⁻¹; [H₂] = 0,0150 mol L⁻¹; velocitat = 6,40 × 10⁻⁴ mol L⁻¹ s⁻¹. [Figura (apartat b): quatre pictogrames de perill en rombe: pictograma 1, líquid que corroeix una superfície i una mà; pictograma 2, flama; pictograma 3, calavera i ossos creuats; pictograma 4, arbre sec i peix mort.]

La calç viva és l'òxid de calci que s'obté de la calcinació de roques calcàries. La calç apagada és hidròxid de calci que es produeix per hidratació de l'òxid de calci en un procés exotèrmic. Ambdues substàncies tenen múltiples aplicacions en diversos àmbits, però sobretot s'utilitzen en la construcció per a obtenir morter i guix. CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(s) [Figura (apartat b): gràfic de ΔG° (kJ mol⁻¹) en funció de T (K), de 0 a 600 K. És una recta descendent que passa per ΔG° = 300 kJ mol⁻¹ a T = 0 K, talla l'eix ΔG° = 0 a T = 350 K i continua fins a ΔG° ≈ −130 kJ mol⁻¹ a 500 K.] Dades: Masses atòmiques relatives: O = 16,0; Ca = 40,0. Entalpia estàndard de formació a 298 K, ΔH°f (kJ mol⁻¹): CaO(s) −634,9; H₂O(l) −285,5; Ca(OH)₂(s) −985,6.

Sovint trobem l'aigua oxigenada (H₂O₂), també anomenada peròxid d'hidrogen, a les farmacioles, ja que es fa servir com a desinfectant de les ferides. Si deixem una ampolla d'aigua oxigenada oberta, el peròxid d'hidrogen es descompon de manera espontània en aigua i oxigen mitjançant la reacció química següent: 2 H₂O₂(aq) → 2 H₂O(l) + O₂(g) ΔH° < 0 Podem 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 de tres experiments al laboratori, es van obtenir les dades de la descomposició de H₂O₂ que es mostren en la taula següent: Experiment 1: [H₂O₂]₀ = 0,15 mol L⁻¹; velocitat inicial = 6,3 × 10⁻³ mmol L⁻¹ s⁻¹. Experiment 2: [H₂O₂]₀ = 0,25 mol L⁻¹; velocitat inicial = 10,5 × 10⁻³ mmol L⁻¹ s⁻¹. Experiment 3: [H₂O₂]₀ = 0,30 mol L⁻¹; velocitat inicial = 12,7 × 10⁻³ mmol L⁻¹ s⁻¹. (1 mol equival a 10³ mmol.)

La glucosa (C₆H₁₂O₆) és un monosacàrid que es troba en molts aliments i en la sang. En la fabricació del pa és molt important la reacció de fermentació de la glucosa per acció del llevat. En aquesta reacció de fermentació s'obté etanol (C₂H₅OH) i diòxid de carboni (CO₂). C₆H₁₂O₆(s) → 2 C₂H₅OH(l) + 2 CO₂(g) Dades: Entropies estàndard absolutes a 298 K, S° (J mol⁻¹ K⁻¹): CO₂(g) 213,8; O₂(g) 205,2; H₂O(l) 70,0; C₆H₁₂O₆(s) 2 121,0.

Als cellers on s'elabora vi, i durant el temps que dura el procés de fermentació del most, se sent un xiuxiueig constant que trenca el silenci, allò que en el món de l'enologia es coneix amb l'expressió «el vi bull». El sucre (glucosa) es converteix en etanol i, alhora, es produeix diòxid de carboni gasós: C₆H₁₂O₆ (glucosa) → 2 CH₃CH₂OH (etanol) + 2 CO₂

A la superfície terrestre, l'ozó (O₃) és un dels indicadors de la contaminació de l'aire. Diversos estudis indiquen que, quan l'ozó es troba en estat estacionari, és a dir, quan la velocitat de la reacció de producció i de destrucció de l'ozó és la mateixa, la seva concentració és 2,0 × 10⁻⁸ mol L⁻¹. Suposeu que l'únic procés de destrucció de l'ozó és la formació d'oxigen molecular, segons la reacció química següent: 2 O₃(g) → 3 O₂(g) Dades: Energia de Gibbs estàndard de formació a 298 K: ΔG°f (O₃) = 142,7 kJ mol⁻¹.

El cloroetà (C₂H₅Cl), també anomenat clorur d'etil, s'ha utilitzat al llarg de la història com a anestèsic d'ús tòpic i d'acció ràpida que actua per refredament local en l'àrea aplicada. Actualment es recomana evitar el contacte físic amb aquesta substància. Per a obtenir cloroetà, es poden utilitzar dos mètodes diferents que es basen en les reaccions següents: 1a reacció: C₂H₆(g) + Cl₂(g) → C₂H₅Cl(g) + HCl(g) (amb llum) 2a reacció: C₂H₄(g) + HCl(g) → C₂H₅Cl(g) (amb llum) ΔH° (298 K) = −64,9 kJ mol⁻¹ [Figura (apartat b): quatre pictogrames de perill en rombe: pictograma 1, flama; pictograma 2, bust humà amb una estrella al pit; pictograma 3, signe d'exclamació; pictograma 4, líquid que corroeix una superfície i una mà.] Dades: Entalpies estàndard de formació a 298 K, ΔH°f (kJ mol⁻¹): C₂H₅Cl(g) −104,9; HCl(g) −92,3; C₂H₆(g) −84,7.

El diòxid de nitrogen és un gas contaminant que es forma com a subproducte en els processos de combustió a altes temperatures, com en els vehicles motoritzats i les plantes elèctriques. Per això és un contaminant freqüent a les zones urbanes. El diòxid de nitrogen es pot obtenir també per l'oxidació del monòxid de dinitrogen segons la reacció: N₂O(g) + 3/2 O₂(g) ⇄ 2 NO₂(g) a 298 K Dades: Entalpia estàndard de formació a 298 K, ΔH°f (kJ mol⁻¹): N₂O(g) 81,6; NO₂(g) 33,2. Entropia molar estàndard absoluta a 298 K, S° (J mol⁻¹ K⁻¹): N₂O(g) 220,1; NO₂(g) 240,1; O₂(g) 205,2.

La hidrazina (N₂H₄) i la dimetilhidrazina (N₂H₂(CH₃)₂) són combustibles líquids. La hidrazina reacciona amb l'oxigen i s'obté H₂O(g) i N₂(g). La dimetilhidrazina reacciona amb l'oxigen i s'obté H₂O(g), N₂(g) i CO₂(g). [Figura (apartat b): dos pictogrames de perill en rombe: pictograma 1, silueta d'un bust humà amb una estrella al pit; pictograma 2, signe d'exclamació.] Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12; N = 14,0; O = 16,0. Entalpies estàndard de formació a 298 K, ΔH°f (kJ mol⁻¹): N₂H₄(l) 50,6; N₂H₂(CH₃)₂(l) 42,0; H₂O(g) −241,8; CO₂(g) −393,5.

L'acetaldehid (CH₃CHO) es descompon en metà i monòxid de carboni segons la reacció següent: CH₃CHO(g) → CH₄(g) + CO(g) ΔH° (298 K) = −20 kJ mol⁻¹ Aquesta reacció té una energia d'activació de 188 kJ mol⁻¹ sense emprar cap catalitzador i una energia d'activació de 135 kJ mol⁻¹ emprant iode com a catalitzador. Dades: Entalpies estàndard de formació a 298 K, ΔH°f (kJ mol⁻¹): CH₄(g) −75; CO(g) −111.