XIV OLIMPIADA NACIONAL DE QUÍMICA

NIVEL 3 – Solución -2010 Total: 100 puntos

PROBLEMA 1

(A) Escriba la configuración electrónica del escandio y germanio.

Sc: 1s2 2s

2 2p

6 3s

2 3p

6 4s

2 3d

1 ó [Ar] 4s

2 3d

1

Ge: 1s2 2s

2 2p

6 3s

2 3p

6 4s

2 3d

10 4p

2 ó [Ar] 4s

2 3d

10 4p

2

(B) La configuración electrónica de los átomos de un cierto elemento X es: 1s2 2s2 2p5 ¿Cuál de las

siguientes afirmaciones es correcta?

X es capaz de formar con facilidad aniones.

(C) Ordene los siguientes elementos según su primera energía de ionización. B, N, O, Ne, Be.

Be < B < N < O < Ne

(D) ¿Cuál de las siguientes especies isoelectrónicas tiene menor radio? O2–, F−, Na+, Mg2+, Al3+, Ne.

Al3+

(E) Los elementos químicos situados en una misma columna del sistema periódico presentan unas

propiedades químicas análogas debido a que:

Su estructura electrónica externa es similar.

(F) ¿Cuál de las siguientes sustancias tiene mayor punto de fusión? KBr, CH4, I2, HCl, CH3OH.

KBr

(G) Indique el valor de los cuatro números cuánticos que identifican al electrón desapareado del átomo de

Y (Z=39) en su estado fundamental.

n = 4; l = 2; ml = (-2, -1, 0, 1, 2); ms = ±1/2

(H) Indique el nombre de cada orbital atómico que se muestra en la figura. Por ejemplo “dyz”.

1 pz

2 py

3 s

4 dz2

5 dxy

PROBLEMA 2

(A) Nombre y formule los siguientes compuestos

Compuesto Fórmula Nombre

Hipoclorito de sodio NaClO

Ácido clorhídrico HCl

Cloruro de calcio CaCl2

Cloruro férrico FeCl3

Carbonato de calcio CaCO3

ClO2 Dióxido de cloro / óxido de cloro (IV)

NaHCO3 Bicarbonato de sodio

AlCl3 Tricloruro de aluminio / cloruro de aluminio

SnCl2 Cloruro estannoso / cloruro de estaño(II) / dicloruro de estaño

NaClO2 Clorito de sodio

(B) Iguale la ecuación química correspondiente

Cl2(g) + 2 NaOH(ac) NaClO(ac) + NaCl(ac) + H2O(l)

(C) ¿Cuál será el pH de la solución de hipoclorito de sodio obtenida si posee una concentración de 3 g/L?

[ClO

-] = [(3 g) / (74.4 g/mol)] / 1L = 0.0403 M

Kb (hipoclorito) = (1 x 10

-14) / (3 x 10

-8) = 3.33 x 10

-7

ClO-(ac) + H2O(l) HClO(ac) + OH

-(ac)

0.0403 M - x ---- x x

3.33 x 10-7

= x2 / (0.0403 M – x) --------> x = 1.16 x 10

-4 M --------> pOH = 3.94

pH = 14 – 3.94 = 10.1

(D) Se realiza la reacción de combustión anterior, a presión constante y 25 ˚C, partiendo de 1 mol de

ambos reactivos, en un calorímetro cuya capacidad calorífica es 202,3 kcal/˚C. Indique la elevación de la

temperatura del calorímetro al final de la reacción.

Cl2(g) + H2(g) → 2 HCl(g)

qp = (ΔHf0 298K (HCl, g)) x 2 mol = (-22,06 kcal/mol) x 2 mol = -44.12 kcal

ΔT = -qp / C = (44.12 kcal) / (202.3 kcal/˚C) = 0.218 ˚C

(E) Si se parte de 45 g de mármol comercial (carbonato de calcio impuro) y de 150 mL de ácido clorhídrico 12 M, se obtienen 43 g de CaCl2. Suponiendo un rendimiento del 100 %, indique la pureza del mármol de partida.

2 HCl(ac) + CaCO3(s) ----> CaCl2(ac) + H2CO3(ac)

n (CaCl2) = (43 g) / (111.1 g/mol) = 0.387 mol

n (HCl) = (12 M) (0.150 L) = 1.8 mol -----------------------------------> Mármol reactivo limitante

n (CaCO3) máximo = (45 g) / (100.1 g/mol) = 0.45 mol --------->

n (CaCO3) = 0.387 mol

m (CaCO3) = (0.387 mol) (100.1 g/mol) = 38.7 g

Pureza = (38.7 g) / (45 g) = 86 %

PROBLEMA 3

(A) Completar el siguiente cuadro, indicando el efecto que producirán sobre el sistema anterior en equilibrio los siguientes cambios. Si la posición de equilibrio se desplaza hacia la derecha anotar “D”, si es hacia la izquierda “I” y si no existe desplazamiento “NO”. (B) Determine la presión de los gases en el equilibrio.

N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)

(2-x) + (4-3x) + (2x) = 3.49 atm ------> x = 1.255 atm

pNH3 = 2.51 atm pN2 = 0.745 atm pH2 = 0.235 atm

(C) Determine el valor de Kp a 723 K.

Kp = [(pNH3)2] / [(pN2) (pH2)

3] = [(2.51)

2] / [(0.745) (0.235)

3] = 652

(D) Determine el ΔS° de la reacción en kJ/mol.

ΔG° = -RT ln K = -(8,31 x 10-3

kJ/mol K)(723 K) ln(652) = -38.9 kJ/mol

ΔS° = (ΔH°- ΔG°) / T = [(- 46,91 kJ/mol) - (-38.9 kJ/mol)] / 723 K = -0.011 kJ/mol K

Cambio Desplazamiento del equilibrio

Aumento de temperatura I

Adición de catalizador NO

Adición de N2 D

Adición de H2O NO

Aumento de presión D

(E) Indique la estructura de Lewis, la geometría molecular y los estados de oxidación del nitrógeno en los siguientes compuestos: NH4

+, NO3-, N2O (N-N-O), NH3. El átomo central se indica en negrita.

i) NH4+

Estado de oxidación: -3 Geometría molecular: tetraédrica Estructura Lewis:

ii) NO3-

Estado de oxidación: +5 Geometría molecular: trigonal plana

Estructura Lewis:

iii) N2O Estado de oxidación: +1

(ó cualquiera que cumpla con la carga total) Geometría molecular: lineal Estructura Lewis:

iv) NH3 Estado de oxidación: -3 Geometría molecular: pirámide trigonal Estructura Lewis:

(F) Indique la polaridad de las siguientes moléculas: N2, N2O y NH3. ¿Qué tipo de enlaces intermoleculares se establecen en cada caso?

N2 no polar

enlaces intermoleculares: London

N2O polar

enlaces intermoleculares: Van der Waals

NH3 polar

enlaces intermoleculares: Van der Waals y enlaces de H

N

H

H

H

H

NN O NN O

NH

H

H

N

O

O

O

PROBLEMA 4

(A) Diga si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

La ecuación de velocidad para la reacción elemental (1) es v(1) = k[NO][O3]2 FALSO

Las reacciones (1) a (3) no constituyen un mecanismo posible FALSO

La reacción global es: 2 O3 ⎯→ 3 O2 VERDADERO

No puede existir ninguna etapa determinante de la velocidad de reacción FALSO (B) Determine k, a y b.

v1/v2 = [(0.1 M) / (0.2 M)]b = [(12 M/s) / (24 M/s)] -----------------> b = 1

v1/v4 = [(0.1 M) / (0.2 M)]a = [(12 M/s) / (48 M/s)] -----------------> a = 2

k = (12 M/s) / [(0.1 M)2 (0.1 M)] = 12000 M

-2s

-1

(C) Si las concentraciones iniciales de los reactivos son [NO] = 0,100 M y [O2] = 0,210 M, ¿cuál será la velocidad de la reacción cuando la concentración de NO haya disminuido hasta 0,05 M?

Δ[NO] = 0.05 M -------> [O2] = (0.210 M) – [(0.05 M) / 2] = 0.185 M

v = k [NO]2 [O2] = (6.5 x 10

3 M

–2·s

–1) (0.05 M)

2 (0.185 M) = 3.01 M/s

(D) Sabiendo que el valor de la constante de velocidad se multiplica por 50 cuando la temperatura a la que se realiza la reacción pasa de 298 a 400 K, calcule la energía de activación.

Ea = [ln(k1/k2) x R] / (T2-1

– T1-1

) = [ln(1/50) x (8.31 x 10-3

kJ/mol K)] / (400 K-1

– 298 K-1

)

Ea = 37.99 kJ/mol

PROBLEMA 5

(A) ¿Cuál es la concentración de cada catión en la solución de partida? n (PbSO4) = (0.1605 g) / (303.2 g/mol) = 5.29 x 10

-4 mol = n Pb

m Pb = (5.29 x 10-4

mol) (207.2 g/mol) = 0.1096 g

m Ag = 0.2500 g – 0.1096 g = 0.1404 g

[Pb] = 5.29 x 10-4

mol / 0.025 L = 0.0212 M

[Ag] = (0.1404 g / 107.87 g/mol) / 0.025 L = 0.0521 M

(B) Conociendo los resultados de la parte (A), en cada caso indique cuál de los dos metales quedará en el precipitado y cuál en el filtrado. Si no pudo resolver la parte (A) tome como valores de partida [Ag+] = 0,057 M y [Pb2+] = 0,018 M.

(C) Usando iodato, ¿qué porcentaje del metal que precipita no se recupera, porque permanece en solución?

Kps Pb(IO3)2 = 3.16 x 10–13

= (0.0212 M) [IO3-]2 -------> [IO3

-] = 3.86 x 10

-6 M

Kps AgIO3 = 3.16 x 10–8

= [Ag+] (3.86 x 10

-6 M) -------> [Ag

+] = 8.19 x 10

-3 M

% Ag en sol = [(8.19 x 10-3

M) / (0.0521 M)] x 100 = 15.7 %

Si usan los valores que les damos: [Ag+] = 0.057 M y [Pb

2+] = 0.018 M, la solución es:

Kps Pb(IO3)2 = 3.16 x 10–13

= (0.018 M) [IO3-]2 --------> [IO3

-] = 4.19 x 10

-6 M

Kps AgIO3 = 3.16 x 10–8

= [Ag+] (4.19 x 10

-6 M) -------> [Ag

+] = 7.54 x 10

-3 M

% Ag en sol = [(7.54 x 10-3

M) / (0.057 M)] x 100 = 13.2 %

Sistema Plata Plomo

Ioduro Precipitado Filtrado

Tiocianato Precipitado Filtrado

Iodato Precipitado Filtrado

(D) Igualar la reacción redox global del proceso electrolítico.

(Ag+ + e ---> Ag) x 4

2 H2O -----> O2 + 4 H+ + 4e

___________________________

4 Ag+ + 2 H2O ---> 4 Ag + O2 + 4 H

+

(E) Según este método determinar el porcentaje de cada metal en la aleación.

% Ag = (0.1502 g) / (0.2500 g) x 100 = 60.1 %

% Pb = (0.2500 g – 0.1502 g) / (0.2500 g) x 100 = 39.9 %

(F) ¿Qué potencial habrá que aplicarse, como mínimo, para que se inicie la electrólisis? E0 O2/H2O = 1,23 V E0 Ag+/Ag = 0,80 V Suponer pO2 = 1 atm y pH = 2

E0celda = (E

0 Ag

+/Ag - E0

O2/H2O) = (0.80 V – 1.23 V) = -0.43 V

Ecelda = E0celda – (RT/nF) ln(pO2 [H

+]4/[Ag

+]4) = -0.43 V – [(8.31)(298)/4(96500)] ln[1 (1 x 10

-2)4 / (0.0521 M)

4]

Ecelda = -0.388 V

Si usan el valor que les damos: [Ag+] = 0.057 M, la solución es:

E0celda = (E

0 Ag

+/Ag - E0

O2/H2O) = (0.80 V – 1.23 V) = -0.43 V

Ecelda = E0celda – (RT/nF) ln(pO2 [H

+]4/[Ag

+]4) = -0.43 V – [(8.31)(298)/4(96500)] ln[1 (1 x 10

-2)4 / (0.057 M)

4]

Ecelda = -0.385 V

PROBLEMA 6

(A) i) trans-4-cloro-2-penteno ii) ácido 2,3-dimetilpentanóico iii) 4,5-dicloro-2-pentanona iv) 6-metil-2-heptino (B) Isómero de posición

(O cualquier otra posibilidad en que la cadena carbonada se mantenga igual, y que solo difiera en la posición del doble enlace) Isómero geométrico

(C)

(O cualquier otro acido de formula C7H14O2) (D)

ó

(E) i) bromociclopentano

ii) ácido 4-cloro-hexanóico

iii) cis-2,3-dicloro-2-penteno

(F) i)

ii)

(G) i)

(O cualquier estructura en la que se intercambie la posición del OH y H unidos a un mismo carbono en la D-galactosa) ii)

iii)

(el rulo marca que el sustituyente del carbono anomérico puede ser

alfa o beta, si lo ponen para arriba o abajo está bien si no se especifica nada más)

(H) i)

ii)

iii)