QuímicaMedio2 pts

pH de ácidos y bases

También trata: Termoquímica y entalpías de reacción
Cataluña · 2019 · Junio
Enunciado
El salfumán (disolución acuosa de ácido clorhídrico, HCl) y el amoníaco son algunas de las sustancias que se utilizan habitualmente en la limpieza del hogar: la primera porque actúa como desinfectante y bactericida y la segunda porque elimina bien las grasas.

a) (1 punto) Calcule el pH, a 25 ∘C25\ ^\circ\text{C}, de una disolución acuosa de amoníaco 0,20 M0{,}20\ \text{M}.

b) (1 punto) Escriba la reacción que se produce al mezclar una disolución acuosa de amoníaco con salfumán. Explique el procedimiento experimental que seguiría en el laboratorio para determinar la entalpía de esta reacción e indique el material que utilizaría.

Datos: Constante de basicidad del amoníaco a 25 °C: Kb=1,8×10−5K_b = 1{,}8\times 10^{-5}. Constante de ionización del agua a 25 °C: Kw=1,0×10−14K_w = 1{,}0\times 10^{-14}.
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Resultado
  [OH−]=1,897⋅10−3 mol/L    pH=11,3  \boxed{\;[\text{OH}^-] = 1{,}897\cdot 10^{-3}\ \text{mol/L}\;}\qquad \boxed{\;\text{pH} = 11{,}3\;}NH3(aq)+HCl(aq)→NH4Cl(aq)\text{NH}_3(\text{aq}) + \text{HCl}(\text{aq}) \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}(\text{aq})La entalpía se determina en un calorímetro midiendo la temperatura inicial y la final de la mezcla, con calorímetro, termómetro y pipeta o probeta (o balanza).
Ver la solución oficialla corrección de la PAU, con los puntos de cada paso

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.
a)

Formulación. Amoníaco: NH3\text{NH}_3 [−0,5 p si no lo formulan bien]

Cálculo del pH de una solución de amoníaco en agua
NH3\text{NH}_3+ H2O+\ \text{H}_2\text{O}⇄ NH4+\rightleftarrows\ \text{NH}_4^++ OH−+\ \text{OH}^-
Inicial0,20
Equilibrio0,20 − xxx
0,2 p. (planteamiento del equilibrio)

0,2 p. Kb=[NH4+]⋅[OH−]/NH3]K_b = [\text{NH}_4^+]\cdot[\text{OH}^-] / \text{NH}_3]

1,8⋅10−5=[(x)⋅(x)]/(0,20−x)1{,}8\cdot 10^{-5} = [(x)\cdot(x)] / (0{,}20 - x) (ecuación 1)

Suponiendo que 0,20−x≈0,20  ⇒  1,8⋅10−5=x2/0,200{,}20 - x \approx 0{,}20 \;\Rightarrow\; 1{,}8\cdot 10^{-5} = x^2 / 0{,}20

x=(1,8⋅10−5×0,20)1/2=1,897⋅10−3x = (1{,}8\cdot 10^{-5}\times 0{,}20)^{1/2} = 1{,}897\cdot 10^{-3}

0,2 p. [OH−]=1,897⋅10−3 mol/L[\text{OH}^-] = 1{,}897\cdot 10^{-3}\ \text{mol/L}

Reacción de la autoionización del agua: H2O+H2O⇆H3O++OH−Kw\text{H}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrows \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^- \quad K_w

Kw=[H3O+]⋅[OH−]=1,0⋅10−14  ⇒  [H3O+]=1,0⋅10−14/1,897⋅10−3K_w = [\text{H}_3\text{O}^+]\cdot[\text{OH}^-] = 1{,}0\cdot 10^{-14} \;\Rightarrow\; [\text{H}_3\text{O}^+] = 1{,}0\cdot 10^{-14} / 1{,}897\cdot 10^{-3}

0,2 p. [H3O+]=5,271⋅10−12 mol/L[\text{H}_3\text{O}^+] = 5{,}271\cdot 10^{-12}\ \text{mol/L}

pH=−log⁡ [H3O+]=−log⁡ (5,271⋅10−12)\text{pH} = -\log\,[\text{H}_3\text{O}^+] = -\log\,(5{,}271\cdot 10^{-12})

0,2 p. pH=11,3\text{pH} = 11{,}3
  • Si la ecuación 1 se resuelve sin ninguna aproximación, se llega a una ecuación de segundo grado. Al resolverla, se llega al mismo valor de pH: pH=11,3\text{pH} = 11{,}3.
  • El procedimiento es correcto si, después de calcular la concentración de iones hidróxido, calculan el pOH (pOH=−log⁡ [OH−]=2,7\text{pOH} = -\log\,[\text{OH}^-] = 2{,}7) y seguidamente calculan el pH: pH=14−pOH=11,3\text{pH} = 14 - \text{pOH} = 11{,}3.
b)

Reacción del amoníaco con el salfumán

0,3 p. NH3(aq)+HCl(aq)→NH4Cl(aq)\text{NH}_3(\text{aq}) + \text{HCl}(\text{aq}) \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}(\text{aq})
  • Se considera correcto aunque no expliciten el estado físico de las sustancias (soluciones acuosas): NH3+HCl→NH4Cl\text{NH}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}
  • Es correcto si el cloruro de amonio lo formulan ionizado: NH3(aq)+HCl(aq)→NH4+(aq)+Cl−(aq)\text{NH}_3(\text{aq}) + \text{HCl}(\text{aq}) \rightarrow \text{NH}_4^+(\text{aq}) + \text{Cl}^-(\text{aq})
0,4 p. Procedimiento experimental para determinar la entalpía de la reacción

Tenemos dos disoluciones acuosas de NH3\text{NH}_3 y HCl (salfumán), de concentración conocida. Suponemos que se encuentran inicialmente a la misma temperatura.

En un calorímetro vertemos un determinado volumen o masa de disolución de NH3\text{NH}_3 y medimos la temperatura (temperatura inicial). Seguidamente añadimos un determinado volumen o masa de salfumán (disolución de HCl). Tapamos el calorímetro, agitamos rápidamente la mezcla y esperamos un tiempo hasta que la temperatura que nos marca el termómetro se estabilice. Medimos esta temperatura final.

0,3 p. Material
  • Calorímetro (por ejemplo, un vaso de plástico con tapa y aislado).
  • Termómetro.
  • Pipeta o probeta, si se mide el volumen de las disoluciones; o balanza, si se mide la masa de las disoluciones.
Cada ítem se valora con 0,1 p.

Corrección oficial en PDF (original en catalán)

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