QuímicaMedio2,5 pts

Termoquímica y entalpías de reacción

Cataluña · 2023 · Junio
Enunciado
La hidracina (N2H4\text{N}_2\text{H}_4) y la dimetilhidracina (N2H2(CH3)2\text{N}_2\text{H}_2(\text{CH}_3)_2) son combustibles líquidos. La hidracina reacciona con oxígeno y se obtiene H2O(g)\text{H}_2\text{O}(g) y N2(g)\text{N}_2(g). La dimetilhidracina reacciona con oxígeno y se obtiene H2O(g)\text{H}_2\text{O}(g), N2(g)\text{N}_2(g) y CO2(g)\text{CO}_2(g).

a) (1,25 puntos) Escriba las dos reacciones de combustión. Calcule la entalpía estándar de reacción de cada combustible a 298 K298\ \text{K}. Si le pidieran consejo en la elección de uno de los dos combustibles para hacer señales desde un barco, considerando que la bodega del barco está casi al límite del peso permitido, ¿cuál de los dos recomendaría? Justifique la respuesta.

b) (1,25 puntos) Represente el diagrama entálpico del proceso de combustión de la hidracina. En la etiqueta de un envase que contiene hidracina, se observan los dos pictogramas siguientes. Explique qué significan estos pictogramas y de qué peligros nos alertan.
Pictograma 1: rombo con la silueta de un busto humano con una estrella en el pecho. Pictograma 2: rombo con un signo de exclamación
Pictograma 1: rombo con la silueta de un busto humano con una estrella en el pecho. Pictograma 2: rombo con un signo de exclamación
Datos: Masas atómicas relativas: H=1,0\text{H} = 1{,}0; C=12\text{C} = 12; N=14,0\text{N} = 14{,}0; O=16,0\text{O} = 16{,}0.

Entalpías estándares de formación a 298 K298\ \text{K}:
SustanciaN2H4(l)\text{N}_2\text{H}_4(l)N2H2(CH3)2(l)\text{N}_2\text{H}_2(\text{CH}_3)_2(l)H2O(g)\text{H}_2\text{O}(g)CO2(g)\text{CO}_2(g)
ΔHf∘ (kJ mol−1)\Delta H_f^\circ\ (\text{kJ mol}^{-1})50,650{,}642,042{,}0−241,8-241{,}8−393,5-393{,}5
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Resultado
N2H4(l)+O2(g)→N2(g)+2 H2O(g)ΔH∘=−534,2 kJ mol−1=−16,7 kJ g−1\text{N}_2\text{H}_4(l) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{N}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(g) \qquad \boxed{\Delta H^\circ = -534{,}2\ \text{kJ mol}^{-1} = -16{,}7\ \text{kJ g}^{-1}}N2H2(CH3)2(l)+4 O2(g)→N2(g)+4 H2O(g)+2 CO2(g)ΔH∘=−1.796,2 kJ mol−1=−29,9 kJ g−1\text{N}_2\text{H}_2(\text{CH}_3)_2(l) + 4\,\text{O}_2(g) \rightarrow \text{N}_2(g) + 4\,\text{H}_2\text{O}(g) + 2\,\text{CO}_2(g) \qquad \boxed{\Delta H^\circ = -1.796{,}2\ \text{kJ mol}^{-1} = -29{,}9\ \text{kJ g}^{-1}}Se recomienda la dimetilhidracina, que libera más energía por unidad de masa. Los pictogramas significan peligroso por aspiración (pictograma 1) e irritación cutánea (pictograma 2).
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) Reacciones de combustión

0,20 p. 1. Reacción de combustión de la hidracina:N2H4(l)+O2(g)→N2(g)+2 H2O(g)\text{N}_2\text{H}_4(l) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{N}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(g)0,20 p. 2. Reacción de combustión de la dimetilhidracina:N2H2(CH3)2(l)+4 O2(g)→N2(g)+4 H2O(g)+2 CO2(g)\text{N}_2\text{H}_2(\text{CH}_3)_2(l) + 4\,\text{O}_2(g) \rightarrow \text{N}_2(g) + 4\,\text{H}_2\text{O}(g) + 2\,\text{CO}_2(g)Cálculo de las entalpías estándar de reacciónΔHreaccioˊn∘=(∑np ΔHf, productos∘)−(∑nr ΔHf, reactivos∘)\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = \left(\sum n_p\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{productos}}\right) - \left(\sum n_r\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{reactivos}}\right)0,30 p. 1. Entalpía estándar de combustión de la hidracina:(∑np ΔHf, productos∘)=[(1×ΔHf, N2∘)+(2×ΔHf, H2O∘)]\left(\sum n_p\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{productos}}\right) = \left[(1\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{N}_2}) + (2\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{H}_2\text{O}})\right](∑nr ΔHf, reactivos∘)=[(1×ΔHf, N2H4∘)+(1×ΔHf, O2∘)]\left(\sum n_r\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{reactivos}}\right) = \left[(1\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{N}_2\text{H}_4}) + (1\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{O}_2})\right]ΔHreaccioˊn∘=[0+2×(−241,8 kJ mol−1)]−[1×(50,6 kJ mol−1)+0]\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = \left[0 + 2\times(-241{,}8\ \text{kJ mol}^{-1})\right] - \left[1\times(50{,}6\ \text{kJ mol}^{-1}) + 0\right]ΔHreaccioˊn∘=−534,2 kJ mol−1\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = -534{,}2\ \text{kJ mol}^{-1}0,30 p. 2. Entalpía estándar de combustión de la dimetilhidracina:(∑np ΔHf, productos∘)=[(1×ΔHf, N2∘)+(4×ΔHf, H2O∘)+(2×ΔHf, CO2∘)]\left(\sum n_p\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{productos}}\right) = \left[(1\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{N}_2}) + (4\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{H}_2\text{O}}) + (2\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{CO}_2})\right](∑nr ΔHf, reactivos∘)=[(1×ΔHf, N2H2(CH3)2∘)+(4×ΔHf, O2∘)]\left(\sum n_r\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{reactivos}}\right) = \left[(1\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{N}_2\text{H}_2(\text{CH}_3)_2}) + (4\times\Delta H^\circ_{f,\ \text{O}_2})\right]ΔHreaccioˊn∘=[0+4×(−241,8 kJ mol−1)+2×(−393,5 kJ mol−1)]−[1×(42,0 kJ mol−1)+4×0]\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = \left[0 + 4\times(-241{,}8\ \text{kJ mol}^{-1}) + 2\times(-393{,}5\ \text{kJ mol}^{-1})\right] - \left[1\times(42{,}0\ \text{kJ mol}^{-1}) + 4\times 0\right]ΔHreaccioˊn∘=−1.796,2 kJ mol−1\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = -1.796{,}2\ \text{kJ mol}^{-1}Elección de uno de los combustibles

Cambio de ΔHreaccioˊn∘\Delta H^\circ_{\text{reacción}} de kJ mol−1\text{kJ mol}^{-1} a kJ g−1\text{kJ g}^{-1}:

Masa molar del N2H4\text{N}_2\text{H}_4: 2×14+4×1=32 g mol−12\times 14 + 4\times 1 = 32\ \text{g mol}^{-1}

Masa molar del N2H2(CH3)2\text{N}_2\text{H}_2(\text{CH}_3)_2: 2×14+8×1+2×12=60 g mol−12\times 14 + 8\times 1 + 2\times 12 = 60\ \text{g mol}^{-1}

Hidracina ⇒ΔHreaccioˊn∘=−534,2 kJ mol−1×1 mol N2H4/32 g=−16,7 kJ g−1\Rightarrow \Delta H^\circ_{\text{reacción}} = -534{,}2\ \text{kJ mol}^{-1}\times 1\ \text{mol N}_2\text{H}_4/32\ \text{g} = -16{,}7\ \text{kJ g}^{-1}

Dimetilhidracina ⇒ΔHreaccioˊn∘=−1.796,2 kJ mol−1×1 mol N2H2(CH3)2/60 g=−29,9 kJ g−1\Rightarrow \Delta H^\circ_{\text{reacción}} = -1.796{,}2\ \text{kJ mol}^{-1}\times 1\ \text{mol N}_2\text{H}_2(\text{CH}_3)_2/60\ \text{g} = -29{,}9\ \text{kJ g}^{-1}

0,25 p. Justificación: como la limitación es de peso, será preferible utilizar aquel combustible que genere más energía por unidad de masa. Se recomienda utilizar dimetilhidracina, ya que produce más energía por unidad de masa (−29,9 kJ g−1-29{,}9\ \text{kJ g}^{-1}).

b) Diagrama entálpico del proceso de combustión de la hidracinaN2H4(l)+O2(g)→N2(g)+2 H2O(g)ΔHreaccioˊn∘<0\text{N}_2\text{H}_4(l) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{N}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(g) \qquad \Delta H^\circ_{\text{reacción}} < 00,65 p.
Diagrama entálpico: en el eje vertical, E (kJ/mol); los reactivos están en un nivel alto y los productos en uno más bajo, unidos por una flecha hacia abajo con ΔH < 0; título «Proceso exotérmico»
Diagrama entálpico: en el eje vertical, E (kJ/mol); los reactivos están en un nivel alto y los productos en uno más bajo, unidos por una flecha hacia abajo con ΔH < 0; título «Proceso exotérmico»
En la figura: «Procés exotèrmic» = proceso exotérmico; «REACTIUS» = reactivos; «PRODUCTES» = productos; «Avanç de la reacció» = avance de la reacción.

Pictogramas
Pictograma de peligro para la salud: rombo de borde rojo con la silueta de un busto humano con una estrella en el pecho
Pictograma de peligro para la salud: rombo de borde rojo con la silueta de un busto humano con una estrella en el pecho
0,30 p. Peligroso por aspiración: este producto puede llegar al organismo por inhalación y causar efectos graves, agudos o crónicos muy diversos en la salud. Se recomienda evitar el contacto con el cuerpo humano.
Pictograma de signo de exclamación: rombo de borde rojo con un signo de exclamación negro
Pictograma de signo de exclamación: rombo de borde rojo con un signo de exclamación negro
0,30 p. Irritación cutánea: este producto, por contacto breve, prolongado o repetitivo con la piel o las mucosas, puede provocar una reacción inflamatoria.

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