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Examen Química General Feb 2016 – Biotecnología UFV

BLOQUE I. EQUILIBRIO QUÍMICO

Los técnicos de laboratorio de una universidad deben preparar el material para las prácticas de los alumnos de 1º de Biotecnología. Sin embargo, al estar en obras los laboratorios, no han podido prepararlas con tiempo y las prisas les han hecho cometer algunos errores. Ayúdalos a solucionarlos, obteniendo los datos que se indican a continuación.

1. Para la práctica de hoy de Biología Celular era necesario preparar una disolución tampón para trabajar a pH fisiológico (7,4). Para prepararla han mezclado 125 ml de una disolución de dihidrogenofosfato sódico 0,14 M. con 150 ml de otra disolución de hidrogenofosfato potásico sin darse cuenta de que esta última no estaba etiquetada. Con el fin de poder descubrir cuál era la concentración desconocida, miden el pH de la disolución obtenida y descubren que es 7,8.

a. Calcula la concentración inicial de la disolución de hidrogenofosfato potásico y los gramos de la especie adecuada del tampón que deberán añadir para conseguir el pH necesario para la práctica (considera ΔV= 0).

b. ¿Qué volumen deberían añadir a la disolución tampón inicial si deciden obtener el pH necesario por adición de ácido clorhídrico 0,7 M.? (considera ΔV= 0).

DATOS.
pKa2(dihidrogenofosfato/hidrogenofosfato)= 7,2
Mm(dihidrogenofosfato sódico)=120 g·mol-1; Mm(hidrogenofosfato potásico)=174,2 g·mol-1.

2. La otra práctica en la que tienes que ayudar a los técnicos a solucionar los errores cometidos es la práctica de Química General. El objetivo de la práctica es preparar una pila en el laboratorio con un E= 1,5 V. Para ello han hecho reaccionar, en medio ácido nítrico, los pares permanganato potásico/catión manganoso (E0red = 1,51 V) y ión plumboso/plomo(s) (E0red = -0,126 V).

a. La pila obtenida tiene un E= 1,4 V. y unas concentraciones de catión plumboso y catión manganoso de 0,5 M. Calcula que pH debe tener para que hayan obtenido el potencial indicado.

Para conseguir obtener la pila deseada para la práctica se les ocurren dos soluciones. Ayúdales a realizar los cálculos para que el resultado sea el esperado (E= 1,5 V).

b. La primera solución que se les ha ocurrido es añadir sulfuro sódico a la cubeta que contiene el catión manganoso. ¿Cuántos miligramos sería necesario añadir de esta sal si el resto de las condiciones en la pila permanecen invariables? (NOTA: asume que dada la pequeña cantidad a añadir, el pH permanece constante).
DATOS. pKso (sulfuro manganoso)= 10,5; Vcubeta= 50 ml; Mat (Na)= 23; Mat (S)= 32

c. La otra solución que han pensado es añadir un agente complejante para el ión plumboso. Después de mirar los valores de las constantes de formación global, han decidido probar dos posibilidades:

c1. Añadir 5 g de Na4EDTA a la cubeta que contiene el catión plumboso. ¿Serían esos gramos suficientes para obtener el potencial deseado si el resto de las condiciones en la pila permanecen invariables?

c2. Añadir disolución de NaCl, 5 M. ¿Qué volumen de esta disolución sería necesario añadir a la cubeta del catión plumboso para obtener el potencial deseado si el resto de las condiciones en la pila no varían? (considera ΔV= 0).

DATOS.
β4 (ión plumboso-Cl-)= 2,5·1015; β (ión plumboso-EDTA4-)= 2·1018
Mm(Na4EDTA)= 394 g·mol-1; Vcubeta= 50 ml

BLOQUE II. TERMODINÁMICA

Una empresa dedicada a la conservación de cordones umbilicales necesita arcones de nitrógeno (Mat(N)= 14) para mantener sus muestras en condiciones óptimas. Cada arcón necesita una densidad de nitrógeno de 1,2 g·ml-1 y tiene un volumen de 100 ml.

3. Para que el funcionamiento sea correcto, el gas nitrógeno en el arcón debe realizar el ciclo graficado (el diagrama no está escalado):

a. Calcula para cada arcón ΔQ, ΔW, ΔU, ΔH y ΔS para cada etapa y para el ciclo total, justificando todas tus respuestas. Deduce, así mismo, todas las ecuaciones aplicables para el cálculo de ΔW.

DATOS. CV = 21 J·mol-1·K-1 y CP = 29 J·mol-1·K-1

b. Explica con detalle la diferencia existente entre un proceso adiabático y uno isotérmico y analiza, en función de los valores obtenidos para las etapas correspondientes de tu ciclo, lo que ocurre con el resto de las variables termodinámicas en ese tipo de procesos.

Uno de los arcones parece funcionar mal, ya que presenta una disminución de la concentración de nitrógeno superior a la normal. Una vez analizadas las posibles causas, parece se debe a un problema con el dispositivo de control de la temperatura, lo que ha provocado un aumento de 20 K en la etapa crítica del proceso, la etapa adiabática.

BLOQUE III. CINÉTICA QUÍMICA

4. Para valorar el problema existente, se estudia la cinética de la reacción de descomposición en un dispositivo que funciona correctamente, obteniéndose los resultados que se muestran en la tabla:

[ ] (mol ·l-1)        3,64     4,55     7,65     11,61     11,21     12,56
tiempo (min)       20        30         50          65          80         95

a. Determina la ley de velocidad para la reacción normal de descomposición en un dispositivo que funcione correctamente (SI) (NOTA: recuerda que el dato de la concentración necesaria de nitrógeno por arcón para un correcto funcionamiento está en el Ejercicio 3).

Teniendo en cuenta los datos necesarios de la tabla termodinámica calculada en el ejercicio 3 para la etapa adiabática (etapa crítica del proceso):

b. Calcula la K para la reacción de descomposición a la temperatura causante del problema (NOTA: puedes suponer que la temperatura a la que se ha obtenido la K por el método gráfico es la media de las temperaturas de los estados entre los que tiene lugar el proceso adiabático y la nueva temperatura se obtiene al sumar 20 K a dicho valor).

c. Realiza una estimación de la Ea necesaria (a la nueva temperatura) para que se dé la reacción de descomposición según la teoría de colisiones (NOTA: recuerda que del método gráfico, la K se obtiene en unidades del SI y que es necesario dividir entre NAvogradro para ajustar su valor a los que se obtiene empleando Teoría de Colisiones).

DATOS. Mat (N)= 14; σ (N2)= 370 pm

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