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CUESTIONES Y PROBLEMAS DE LAS OLIMPIADAS DE QUÍ safont/olimpiada/material/termo18.pdf · PDF file volumen de cuestiones y problemas reunidos, la Comisión de Olimpiadas de Química

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  • CUESTIONES Y PROBLEMAS DE LAS OLIMPIADAS

    DE QUÍMICA

    II. TERMOQUÍMICA Y TERMODINÁMICA

    SERGIO MENARGUES

    FERNANDO LATRE

    AMPARO GÓMEZ OCTUBRE 2017

  • “La química, lengua común de todos los pueblos”.

    INTRODUCCIÓN

    El aprendizaje de la Química constituye un reto al que se enfrentan cada año los estudiantes de 2° de

    bachillerato que eligen esta asignatura dentro de la opción de “Ciencias”. Esto también constituye un reto

    para los profesores que, no solo deben ser capaces de buscar la forma más eficaz para explicar esta disci-

    plina, sino además, inculcar el interés que nace del reconocimiento del papel que juega la Química en la

    vida y en el desarrollo de las sociedades humanas.

    En este contexto, las Olimpiadas de Química suponen una herramienta muy importante ya que ofrecen

    un estímulo, al fomentar la competición entre estudiantes procedentes de diferentes centros y con dis-

    tintos profesores y estilos o estrategias didácticas.

    Esta colección de cuestiones y problemas surgió del interés por parte de los autores de realizar una re-

    copilación de las pruebas propuestas en diferentes pruebas de Olimpiadas de Química, con el fin de utili-

    zarlos como material de apoyo en sus clases de Química. Una vez inmersos en esta labor, y a la vista del

    volumen de cuestiones y problemas reunidos, la Comisión de Olimpiadas de Química de la Asociación de

    Químicos de la Comunidad Valenciana consideró que podía resultar interesante su publicación para po-

    nerlo a disposición de todos los profesores y estudiantes de Química a los que les pudiera resultar de

    utilidad. De esta manera, el presente trabajo se propuso como un posible material de apoyo para la ense-

    ñanza de la Química en los cursos de bachillerato, así como en los primeros cursos de grados del área de

    Ciencia e Ingeniería. Desgraciadamente, no ha sido posible -por cuestiones que no vienen al caso- la pu-

    blicación del material. No obstante, la puesta en común de la colección de cuestiones y problemas resuel-

    tos puede servir de germen para el desarrollo de un proyecto más amplio, en el que el diálogo, el inter-

    cambio de ideas y la compartición de material entre profesores de Química con distinta formación, origen

    y metodología, pero con objetivos e intereses comunes, contribuya a impulsar el estudio de la Química.

  • En el material original se presentan las pruebas correspondientes a las últimas Olimpiadas Nacionales de

    Química (1996-2017) así como otras pruebas correspondientes a fases locales de diferentes Comunida-

    des Autónomas. En este último caso, se han incluido solo las cuestiones y problemas que respondieron al

    mismo formato que las pruebas de la Fase Nacional. Se pretende ampliar el material con las contribucio-

    nes que realicen los profesores interesados en impulsar este proyecto, en cuyo caso se hará mención

    explícita de la persona que haya realizado la aportación.

    Las cuestiones, que son de respuestas múltiples, y los problemas, se han clasificado por materias, se pre-

    sentan completamente resueltos y en todos ellos se ha indicado la procedencia y el año. Los problemas,

    en la mayor parte de los casos constan de varios apartados, que en muchas ocasiones se podrían consi-

    derar como problemas independientes. Es por ello que en el caso de las Olimpiadas Nacionales se ha

    optado por presentar la resolución de los mismos planteando el enunciado de cada apartado y, a conti-

    nuación, la resolución del mismo, en lugar de presentar el enunciado completo y después la resolución

    de todo el problema.

    Los problemas y cuestiones recogidos en este trabajo han sido enviados por:

    Juan A. Domínguez (Canarias), Juan Rubio (Murcia), Luis F. R. Vázquez y Cristina Pastoriza (Galicia), José

    A. Cruz, Nieves González, Gonzalo Isabel y Ana Bayón (Castilla y León), Ana Tejero y José A. Díaz-Hellín

    (Castilla-La Mancha), Pedro Márquez y Octavio Sánchez (Extremadura), Pilar González (Cádiz), Ángel F.

    Sáenz de la Torre (La Rioja), José Luis Rodríguez (Asturias), Matilde Fernández y Agustí Vergés (Balea-

    res), Fernando Nogales (Málaga), Joaquín Salgado (Cantabria), Pascual Román (País Vasco), Mercedes

    Bombín y Bernardo Herradón (Madrid).

    Los autores agradecen a Humberto Bueno su ayuda en la realización de algunas de las figuras incluidas

    en este trabajo.

    Finalmente, también agradecen a Ximena Martínez (https://www.behance.net/ximeniiux) que les haya

    permitido utilizar de forma desinteresada la sugestiva imagen, de la que es autora, que aparece en la

    portada de todos estos libros.

    Los autores

  • ÍNDICE

    1. Cuestiones de termoquímica y termodinámica 1

    2. Problemas de termoquímica y termodinámica 173

  • Cuestiones y Problemas de las Olimpiadas de Química. Volumen 2. (S. Menargues & F. Latre & A. Gómez) 1

    1. CUESTIONES de TERMOQUÍMICA y TERMODINÁMICA

    1.1. ¿Cuáles de las siguientes condiciones darán lugar a una reacción espontánea a cualquier tempera- tura? a) Δ𝐻 < 0, Δ𝑆 < 0 b) Δ𝐻 > 0, Δ𝑆 = 0 c) Δ𝐻 > 0, Δ𝑆 > 0 d) Δ𝐻 > 0, Δ𝑆 < 0 e) Δ𝐻 < 0, Δ𝑆 > 0 f) Δ𝐻 = 0, Δ𝑆 = 0

    (O.Q.N. Navacerrada 1996) (O.Q.L. Murcia 1996) (O.Q.L. Castilla y León 2001-2002-2003-2008-2009) (O.Q.L. Canarias 2003) (O.Q.L. Almería 2005) (O.Q.L. Cádiz 2008) (O.Q.N. El Escorial 2012) (O.Q.N. Alicante 2013)

    Para que una reacción sea espontánea debe cumplirse que:

    Δ𝐺 = Δ𝐻 – 𝑇Δ𝑆 < 0

    a) Falso. Si Δ𝐻 < 0 y Δ𝑆 < 0, entonces el valor de Δ𝐺 depende de cuál de los términos |𝑇Δ𝑆| o |Δ𝐻| sea mayor, es decir depende de cuál sea el valor de 𝑇.

    ▪ A temperaturas bajas: |Δ𝐻| > |𝑇Δ𝑆|  Δ𝐺 < 0 y la reacción es espontánea.

    ▪ A temperaturas altas: |Δ𝐻| < |𝑇Δ𝑆|  Δ𝐺 > 0 y la reacción es no espontánea.

    b) Falso. Si Δ𝐻 > 0 y Δ𝑆 = 0, se cumple que a cualquier temperatura Δ𝐺 > 0 y la reacción es no espontánea.

    c) Falso. Si Δ𝐻 > 0 y Δ𝑆 > 0, entonces el valor de Δ𝐺 depende de cuál de los términos |𝛥𝐻| o |𝑇𝛥𝑆| sea mayor, es decir depende de cuál sea el valor de 𝑇.

    ▪ A temperaturas bajas: |Δ𝐻| > |𝑇Δ𝑆|  Δ𝐺 > 0 y la reacción es no espontánea.

    ▪ A temperaturas altas: |Δ𝐻| < |𝑇Δ𝑆|  Δ𝐺 < 0 y la reacción es espontánea.

    d) Falso. Si Δ𝐻 > 0 y Δ𝑆 < 0, se cumple que a cualquier temperatura Δ𝐺 > 0 y la reacción es no espontánea.

    e) Verdadero. Si Δ𝐻 < 0 y Δ𝑆 > 0, se cumple que a cualquier temperatura Δ𝐺 < 0 y la reacción es espon- tánea.

    f) Falso. La propuesta es absurda.

    La respuesta correcta es la e.

    (En la cuestión propuesta en Murcia 1996 y Castilla y León 2008, se cambia en el enunciado endotérmico por Δ𝐻 > 0, exotérmico por Δ𝐻 < 0, disminución del desorden por Δ𝑆 < 0 y aumento del desorden por Δ𝑆 > 0 y en El Escorial 2012 se añade Δ𝐻 = Δ𝑆 = 0).

    1.2. Para la siguiente reacción:

    CaCO3(s)  Ca 2+(aq) + CO3

    2−(aq) 𝐾 = 2,80 · 10−9 a 25 °C.

    Calcule Δ𝐺° a esta temperatura. a) –48,7 kJ mol−1 b) 48,7 kJ mol−1 c) 69,9 kJ mol−1 d) –21,2 kJ mol−1 e) 21,2 kJ mol−1

    (O.Q.N. Navacerrada 1996) (O.Q.L. Madrid 2011) (O.Q.L. La Rioja 2013)

    La expresión que relaciona Δ𝐺° y la constante de equilibrio 𝐾 es:

    Δ𝐺° = −𝑅𝑇 ln𝐾

  • Cuestiones y Problemas de las Olimpiadas de Química. Volumen 2. (S. Menargues & F. Latre & A. Gómez) 2

    El valor de Δ𝐺° es:

    Δ𝐺° = −(8,314 · 10−3 kJ mol−1 K−1) · (25 + 273,15) K · ln (2,80 · 10−9) = 48,7 kJ mol−1

    La respuesta correcta es la b.

    1.3. Si la entalpía de vaporización del agua a 100 °C es 40,7 kJ mol−1, calcule Δ𝑆 para la vaporización de 1,00 mol de H2O(l) a esta temperatura. a) 109 J K−1 b) –109 J K−1 c) 136 J K−1 d) –40.600 J K−1 e) 40.600 J K−1

    (O.Q.N. Navacerrada 1996) (O.Q.N. Ciudad Real 1997) (O.Q.N. Vigo 2006) (O.Q.L. Castilla-La Mancha 2004) (O.Q.L. Castilla y León 2014) (O.Q.N. Madrid 2015)

    La ecuación termoquímica correspondiente a la vaporización del H2O es:

    H2O(l)  H2O(g) Δ𝐻 = 40,7 kJ mol −1

    La expresión que relaciona Δ𝑆 con Δ𝐻 a cierta temperatura es:

    Δ𝑆 = Δ𝐻

    𝑇

    El valor de Δ𝑆 es:

    Δ𝑆 = 40,7 kJ

    (100 + 273,15) K · 103 J

    1 kJ = 109 J K−1

    Se trata de un proceso en el que aumenta el desorden en el sistema.

    La respuesta correcta es la a.

    (En la cuestión propuesta en Ciudad Real 1997 se pregunta el cálculo de Δ𝑆 para la condensación con lo que el resultado tiene signo contrario al obtenido en la cuestión resuelta. En Madrid 2015 es kJ K−1).

    1.4. La entropía del universo: a) Es siempre cero. b) Siempre aumenta. c) Perm

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