Preparatoria
Química: cantidad de sustancia, termoquímica, gases y disoluciones
¿Cuál es la masa, en gramos, de 0.50 mol de dióxido de carbono CO₂? Tome como masas atómicas C=12, O=16.
La masa molecular del CO₂ es 12+16×2=44, así que 0.50 mol tienen una masa de 44×0.50=22 g. La respuesta 44 g es una trampa para quien lo confunde con 1 mol. Aplique de forma mecánica «masa ＝ masa molar × cantidad de sustancia».
¿Cuántos moles de un gas ideal ocupan 11.2 L a 0℃ y 1.013×10⁵ Pa (condiciones normales)?
En condiciones normales, 1 mol de cualquier gas ocupa unos 22.4 L, así que 11.2÷22.4=0.50 mol. Dividir al revés, 22.4÷11.2=2.0, es el descuido clásico. Recuerde el sentido de la división: «volumen ÷ 22.4».
¿Cuántos moles de NaOH contienen 500 mL de una disolución de hidróxido de sodio de 0.20 mol/L?
Concentración molar × volumen (L) ＝ cantidad de sustancia, así que 0.20×0.500=0.10 mol. El error típico es olvidar convertir 500 mL en 0.5 L y responder 0.20 mol. El truco es hacer la conversión mL→L antes que nada.
El ácido sulfúrico concentrado tiene una concentración en porcentaje en masa del 98% y una densidad de 1.8 g/cm³. ¿Cuál es aproximadamente su concentración molar en mol/L? Tome la masa molecular del H₂SO₄ como 98.
1 L ＝ 1000 cm³ de la disolución tiene una masa de 1800 g; el 98% de ella es H₂SO₄, es decir, 1764 g, y al dividir entre la masa molecular 98 se obtiene 18 mol/L. Olvidar multiplicar por la densidad lleva a respuestas erróneas como 1.8. Resuélvalo en tres pasos: «tomar 1 L → masa de la disolución → masa del soluto → mol».
¿Cuántos moles de un gas ideal ocupan 3.0 L a 27℃ y 8.3×10⁴ Pa? Tome la constante de los gases como R=8.3×10³ Pa・L/(K・mol).
De PV=nRT, n=PV/RT=(8.3×10⁴×3.0)/(8.3×10³×300)=0.10 mol. Si sustituye 27 tal cual, el orden de magnitud sale mal. La regla de oro es convertir a la temperatura absoluta T=27+273=300 K.
¿Cuántos átomos de hidrógeno contiene 1 mol de agua H₂O? Tome la constante de Avogadro como 6.0×10²³ /mol.
Una molécula de agua contiene 2 átomos de H, así que 6.0×10²³×2=1.2×10²⁴ átomos. El valor 6.0×10²³ es una trampa: ese es el número de moléculas. No olvide nunca «número de moléculas × número de átomos en una molécula».
Se mezclan nitrógeno N₂ y oxígeno O₂ en una proporción molar de 4:1. ¿Cuál es la masa molecular media de la mezcla? Tome como masas moleculares N₂=28, O₂=32.
Calcule la media ponderada usando las fracciones molares: 28×0.80＋32×0.20＝22.4＋6.4＝28.8. La media simple, 30.0, es la mayor trampa. Recordar que el aire tiene una masa molecular media de unos 29 le da una comprobación práctica.
En un cristal metálico con red cúbica centrada en el cuerpo, ¿cuántos átomos son los vecinos más próximos de un átomo (el número de coordinación)?
En una red cúbica centrada en el cuerpo, el átomo del centro está en contacto con los 8 átomos de los vértices del cubo, así que el número de coordinación es 8. El valor 12 es el número de coordinación de las estructuras cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta, con las que es fácil confundirla. Memorícelos como pareja: «centrada en el cuerpo ＝ 8; centrada en las caras y hexagonal ＝ 12».
¿Cuántos átomos contiene la celda unidad de una red cúbica centrada en las caras?
8 vértices×1/8＋6 centros de cara×1/2＝1＋3＝4 átomos. Si cuenta los átomos de los vértices o de las caras como átomos enteros, obtiene 8 o 6. Use siempre las fracciones que pertenecen a la celda unidad (vértice 1/8, cara 1/2, arista 1/4).
¿Qué sustancia es un cristal covalente y, aun así, conduce bien la electricidad en estado sólido?
En el grafito, uno de los cuatro electrones de valencia de cada átomo de carbono puede moverse libremente por la estructura plana, por lo que conduce la electricidad. El diamante está formado por el mismo elemento, pero todos sus electrones se usan en los enlaces, así que es aislante. Recuerde que «el grafito es la única excepción entre los cristales covalentes».
¿Cuál es la razón principal por la que el agua H₂O tiene un punto de ebullición notablemente más alto que el sulfuro de hidrógeno H₂S, hidruro del mismo grupo 16 con mayor masa molecular (H₂O＝18, H₂S＝34)?
El H unido al O, que tiene una electronegatividad grande, forma un enlace de hidrógeno con el O de una molécula vecina, así que se necesita mucha energía para separarlas. La fuerza de un enlace covalente es una cuestión distinta del punto de ebullición (que trata de separar las moléculas entre sí), así que no se deje engañar. Recuerde: «H unido a F, O o N significa enlace de hidrógeno».
Cuando el amoníaco NH₃ se une a un ion hidrógeno H⁺ para formar el ion amonio NH₄⁺, ¿qué tipo de enlace nuevo se forma?
El enlace que se forma cuando el par solitario del N se cede unilateralmente al H⁺ es un enlace covalente coordinado. También se pregunta con frecuencia que, una vez formado, no se distingue en absoluto de los demás enlaces covalentes N–H. Fíjelo como «enlace covalente en el que una de las partes aporta el par de electrones ＝ enlace covalente coordinado».
En una red cúbica centrada en las caras, sea a la constante de red (la arista de la celda unidad) y r el radio atómico. ¿Qué relación se cumple?
En una red cúbica centrada en las caras, los átomos están en contacto a lo largo de la diagonal de una cara, y la longitud de esa diagonal, √2a, es igual a cuatro radios. √3a es la relación de la red cúbica centrada en el cuerpo (contacto a lo largo de la diagonal del cubo) y es la trampa más frecuente. Apréndalo con un dibujo: «centrada en las caras usa la diagonal de la cara; centrada en el cuerpo, la diagonal del cubo».
En el nuevo plan de estudios, el calor de reacción se expresa como la variación de entalpía ΔH. ¿Cuál es el signo correcto de ΔH para una reacción exotérmica?
En una reacción exotérmica, el sistema libera energía y la entalpía del sistema disminuye, así que ΔH es negativa. En las ecuaciones termoquímicas del plan anterior, el calor liberado se escribía como ＋Q, de modo que el signo era el contrario: este es el mayor punto de confusión. Recuerde: «sale, así que es negativo».
La entalpía de combustión del metano CH₄ es ΔH＝−891 kJ/mol. ¿Aproximadamente cuántos kJ de calor se liberan cuando se queman completamente 0.50 mol de metano?
Como se liberan 891 kJ por cada 1 mol, 0.50 mol liberan 891×0.50≒446 kJ. Observe que, aunque ΔH sea negativa, la «cantidad de calor liberada» se responde como un valor positivo. Trátelo con «cantidad de calor ＝ |ΔH| × mol».
Sabiendo que ΔH₁＝−394 kJ para C(grafito)＋O₂→CO₂ y ΔH₂＝−283 kJ para CO＋1/2O₂→CO₂, ¿cuál es ΔH, en kJ, para C(grafito)＋1/2O₂→CO?
La reacción buscada es (ecuación 1)−(ecuación 2), así que ΔH＝−394−(−283)＝−111 kJ. Sumar las dos y obtener −677 es el error típico. Tenga presente la operación de la ley de Hess: «restar las ecuaciones de modo que el CO₂ se cancele».
¿Cuál es la razón correcta por la que una reacción se vuelve más rápida al añadir un catalizador?
Un catalizador ofrece un camino distinto con una energía de activación menor, lo que aumenta la proporción de moléculas que pueden superar el paso de montaña. La trampa habitual es ΔH (la diferencia entre el punto de partida y el de llegada), que un catalizador no cambia. Imagínelo como «un catalizador rebaja el paso de montaña, pero no cambia la profundidad del valle».
¿Cuál es la razón principal por la que la velocidad de reacción aumenta notablemente al subir la temperatura?
Al subir la temperatura, la distribución de las energías cinéticas moleculares se extiende hacia energías más altas, y la proporción de moléculas capaces de superar el paso de montaña aumenta bruscamente. La energía de activación en sí no cambia con la temperatura (es el catalizador el que la cambia). Distíngalos: «temperatura → aumenta la proporción; catalizador → se rebaja el paso de montaña».
¿Cuál de los siguientes es un cambio cuya variación de entalpía es ΔH＞0 (endotérmico)?
La disolución del nitrato de amonio toma calor del entorno: es un cambio endotérmico que se aprovecha en las compresas frías instantáneas. La combustión, la neutralización y la oxidación de los metales son reacciones exotérmicas típicas. Memorícelos como conjunto: «compresa fría ＝ disolver NH₄NO₃ ＝ ΔH＞0».
Para el equilibrio N₂＋3H₂ ⇌ 2NH₃ (ΔH＜0), ¿qué le ocurre al equilibrio cuando se aumenta la presión a temperatura constante?
Cuando se aumenta la presión, el equilibrio se desplaza en el sentido en que disminuye el número total de moléculas de gas (4 moléculas a la izquierda → 2 moléculas a la derecha), para volver a reducir la presión. Observe que cambiar la presión no cambia la constante de equilibrio. Júzguelo con «Le Chatelier ＝ el sentido que contrarresta el cambio».
Para el equilibrio N₂＋3H₂ ⇌ 2NH₃ (una reacción exotérmica con ΔH＜0), ¿qué le ocurre al equilibrio cuando se aumenta la temperatura a presión constante?
Al calentar, el equilibrio se desplaza en el sentido endotérmico (la reacción inversa, hacia la izquierda), absorbiendo calor para contrarrestar la subida de temperatura. No es «hacia la derecha porque a mayor temperatura va más rápido». El truco es separar la velocidad de reacción del desplazamiento del equilibrio: son cuestiones distintas.
¿Qué le ocurre al equilibrio cuando se añade un catalizador a una reacción en estado de equilibrio?
Un catalizador acelera la reacción directa y la inversa en el mismo factor, así que no cambian ni la posición del equilibrio ni la constante de equilibrio. Pensar que «un catalizador aumenta el rendimiento de NH₃» es el error típico. Recuerde que la única ventaja de un catalizador es que el equilibrio se alcanza antes.
¿Cuál es la expresión correcta de la constante de equilibrio en concentraciones K de N₂＋3H₂ ⇌ 2NH₃?
La constante de equilibrio es «productos ／ reactivos», con cada concentración elevada a la potencia de su coeficiente. Multiplicar por los coeficientes u olvidar los exponentes son los errores habituales. Construya la expresión repitiendo «los coeficientes se suben a los hombros» (se convierten en exponentes).
Se colocaron 1.0 mol de H₂ y 1.0 mol de I₂ en un recipiente de volumen fijo y se calentaron. Se alcanzó el equilibrio H₂＋I₂ ⇌ 2HI y se produjeron 1.6 mol de HI. ¿Cuál es la constante de equilibrio K a esta temperatura?
Como se formaron 1.6 mol de HI, reaccionaron 0.80 mol de H₂ y de I₂ cada uno, y quedaron 0.20 mol de cada uno. K＝(1.6)²／(0.20×0.20)＝2.56／0.04＝64 (en esta reacción el número de moléculas es igual en los dos lados, así que el volumen se cancela). Hacer una tabla con la cantidad que reacciona, x, es el método clásico de los cálculos de equilibrio; tomar HI＝2x como x da respuestas como 16.
¿Cuál es el pH de una disolución de ácido acético de 0.10 mol/L cuyo grado de ionización es 0.010?
[H⁺]＝concentración×grado de ionización＝0.10×0.010＝1.0×10⁻³ mol/L, así que pH＝3. La mayor trampa es ignorar el grado de ionización y tratarlo como un ácido fuerte, lo que da pH＝1. Úselos por separado: «para un ácido débil, cα; para un ácido fuerte, la propia concentración».
A 25℃, ¿cuál es la concentración de iones hidróxido [OH⁻] de una disolución de hidróxido de sodio de pH＝12? Tome el producto iónico del agua como 1.0×10⁻¹⁴ (mol/L)².
Si pH＝12, entonces [H⁺]＝10⁻¹² mol/L, y a partir del producto iónico [OH⁻]＝10⁻¹⁴÷10⁻¹²＝10⁻² mol/L. Responder 10⁻¹², el valor del propio [H⁺], es la trampa. Si usa «pH＋pOH＝14», obtiene pOH＝2 de inmediato.
¿Cuál es el número de oxidación del átomo de azufre S en el ácido sulfúrico H₂SO₄?
Tomando el H como ＋1 y el O como −2, (＋1)×2＋S＋(−2)×4＝0 da S＝＋6. Se confunde fácilmente con el ＋4 del SO₂ o el −2 del H₂S. El método básico es razonar hacia atrás a partir de «la suma de los números de oxidación en un compuesto ＝ 0».
¿Cuál es el número de oxidación del manganeso Mn en el ion permanganato MnO₄⁻?
Tomando el O como −2, Mn＋(−2)×4＝−1 da Mn＝＋7. Con un ion, muchos estudiantes olvidan igualar la suma a la carga del ion y se van hacia ＋8. Apréndalo junto con el motivo: el KMnO₄ es un oxidante tan potente porque el Mn está en su número de oxidación máximo, ＋7.
Del zinc Zn y el cobre Cu, ¿cuál se disuelve en ácido clorhídrico diluido y desprende hidrógeno? Elija la afirmación correcta, incluido el motivo.
Solo los metales cuya tendencia a la ionización es mayor que la del H₂ reaccionan con los ácidos diluidos y desprenden hidrógeno. El Zn está a la izquierda del H y el Cu a la derecha, así que el Cu no se disuelve. Fije siempre la posición del H en la serie de tendencia a la ionización (K＞Ca＞Na＞Mg＞Al＞Zn＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞(H₂)＞Cu＞Hg＞Ag＞Pt＞Au).
En una pila de Daniell (Zn｜disolución de ZnSO₄｜disolución de CuSO₄｜Cu), ¿qué metal se disuelve como electrodo negativo?
El Zn, que tiene mayor tendencia a la ionización, se disuelve como Zn²⁺ (oxidación) y libera electrones, así que es el electrodo negativo. La correspondencia «el electrodo del que salen los electrones ＝ el electrodo negativo ＝ oxidación» se confunde con facilidad. Recuerde: «el metal con mayor tendencia a la ionización es el electrodo negativo».
Cuando se descarga un acumulador de plomo, ¿cómo cambian las masas de los dos electrodos?
Durante la descarga se forma sulfato de plomo(II) PbSO₄, que se adhiere a la superficie de ambos electrodos, así que los dos ganan masa. La trampa es pensar «se disuelve, así que pierde masa»: en realidad, el Pb²⁺ no pasa a la disolución, sino que se convierte en PbSO₄ allí mismo. Memorícelo como conjunto: «descarga ＝ PbSO₄ en ambos electrodos, así que ambos ganan masa, y el ácido sulfúrico diluido se vuelve más diluido».
¿Qué gas se desprende en el cátodo cuando se electroliza una disolución acuosa de cloruro de sodio?
La tendencia a la ionización del Na⁺ es demasiado grande para que se reduzca, así que en su lugar se reduce el agua y se desprende H₂. Pensar «es el cátodo, así que se deposita Na» es el error típico. Recuerde: «en una disolución acuosa de un catión con gran tendencia a la ionización, se desprende hidrógeno».
Cuando se electroliza una disolución acuosa de sulfato de cobre(II) con electrodos de platino, ¿qué cambio se produce en el ánodo?
El SO₄²⁻ es difícil de oxidar, así que en su lugar se oxida el agua y se desprende O₂. El depósito de cobre es el cambio en el cátodo, así que no los confunda. La regla para decidir es «en el ánodo: Cl₂ si hay Cl⁻; si no, O₂ (cuando los electrodos son de Pt o C)».
Se electrolizó una disolución acuosa de sulfato de cobre(II) con una corriente de 0.50 A durante 1930 segundos. ¿Cuántos gramos de cobre se depositan en el cátodo? Tome la constante de Faraday como 9.65×10⁴ C/mol y Cu=64.
La cantidad de electricidad es 0.50×1930＝965 C, así que los electrones suman 965÷96500＝0.010 mol. Por Cu²⁺＋2e⁻→Cu, el cobre es la mitad de los electrones, 0.0050 mol, y su masa es 0.0050×64＝0.32 g. Olvidar el coeficiente «2e⁻ por 1 Cu» y responder 0.64 g es el error más frecuente.
¿Cuántos moles de peróxido de hidrógeno H₂O₂ reaccionan exactamente con 10 mL de una disolución de permanganato de potasio de 0.020 mol/L acidificada con ácido sulfúrico? El MnO₄⁻ acepta 5e⁻ y el H₂O₂ cede 2e⁻.
El MnO₄⁻ suma 0.020×0.010＝2.0×10⁻⁴ mol. Igualar los electrones cedidos y aceptados da MnO₄⁻ : H₂O₂＝2 : 5, así que 2.0×10⁻⁴×5/2＝5.0×10⁻⁴ mol. Suponer que la proporción molar es 1:1 es la trampa; la regla de oro es fijar los coeficientes a partir de «electrones aceptados ＝ electrones cedidos».
¿Cuál es el método más adecuado para recoger amoníaco NH₃ en el laboratorio?
El NH₃ es más ligero que el aire y se disuelve muy bien en agua, así que se recoge por desplazamiento ascendente de aire. La recogida sobre agua es solo para gases que se disuelven muy poco en agua, así que no puede usarse para el NH₃. Decídalo con las tres categorías: «ligero → desplazamiento ascendente; pesado → desplazamiento descendente; poco soluble → sobre agua».
¿De qué color es el ensayo a la llama del sodio Na?
El Na da un amarillo intenso, por lo que desde hace tiempo se usa para iluminar los túneles de carretera. El rojo corresponde al Li o al Sr, el verde azulado al Cu y el violeta rojizo al K, y es fácil confundirlos. Aprenda todo el conjunto a la vez (Li rojo, Na amarillo, K violeta rojizo, Cu verde azulado, Ca rojo anaranjado, Sr rojo, Ba verde amarillento).
¿Qué gas es amarillo verdoso, tiene un olor irritante y muestra acción blanqueadora y desinfectante?
El Cl₂ es amarillo verdoso, con olor irritante, y se usa para desinfectar el agua del grifo. El NH₃ y el H₂S son incoloros (con olor irritante y olor a huevo podrido, respectivamente), y el NO₂ es pardo rojizo, así que se pueden distinguir por el color. Es una gran ventaja recordar que «los únicos gases con color son, a grandes rasgos, el Cl₂ (amarillo verdoso), el NO₂ (pardo rojizo) y el O₃ (azul pálido)».
Cuando se hace pasar sulfuro de hidrógeno H₂S por una disolución acuosa, ¿qué ion da un precipitado negro incluso en condiciones ácidas?
El Cu²⁺ es el ion representativo que forma un precipitado negro de CuS incluso en medio ácido. El Zn²⁺ precipita ZnS (blanco) solo en condiciones de neutras a básicas, y esta diferencia de condiciones es una trampa frecuente. Organícelo como «precipita incluso en medio ácido ＝ metales con poca tendencia a la ionización (Cu, Ag, Pb, etc.)».
¿Qué opción ordena los halógenos de mayor a menor poder oxidante?
El poder oxidante (la capacidad de quitar electrones) es mayor cuanto más arriba en la tabla periódica, así que el F₂ es el más fuerte. Por eso, al hacer pasar Cl₂ por una disolución acuosa de KBr se libera Br₂ (lo contrario no ocurre). Apréndalo junto con el experimento: «un halógeno situado más arriba desplaza al ion haluro de uno situado más abajo».
¿Qué gas se desprende al calentar una mezcla de cloruro de amonio NH₄Cl e hidróxido de calcio Ca(OH)₂?
Una sal de una base débil reacciona con una base fuerte, y el NH₃, la base débil, es desplazado y se desprende (la obtención habitual en el laboratorio). Elegir cloro o HCl solo porque el nombre contiene «cloruro» es la trampa. «El débil es desplazado por el fuerte» es el principio detrás de estas obtenciones de gases.
Cuando se añade ácido clorhídrico diluido a una disolución acuosa, ¿qué ion da un precipitado blanco que se oscurece al exponerse a la luz?
El Ag⁺ forma con el Cl⁻ un precipitado blanco de AgCl, y como es fotosensible se descompone con la luz y se oscurece (el principio de la fotografía). El Cu²⁺ y el Fe³⁺ no precipitan con ácido clorhídrico. Memorícelo como conjunto: «los iones que precipitan con Cl⁻ son Ag⁺ y Pb²⁺».
¿Qué metal forma en su superficie una película densa de óxido incluso al sumergirlo en ácido nítrico concentrado, de modo que no se disuelve más (se pasiva)?
El Fe, el Ni y el Al se pasivan en ácido nítrico concentrado y la reacción se detiene. Pensar «el ácido nítrico es un oxidante fuerte, así que el hierro también debería disolverse» es la trampa; el cobre y la plata, en cambio, sí se disuelven en ácido nítrico concentrado. Aprenda los tres metales que se pasivan como un solo conjunto: Fe, Ni, Al.
¿Qué agente desecante puede usarse para secar amoníaco NH₃?
Para el NH₃, un gas básico, use cal sodada, un agente desecante básico. El ácido sulfúrico concentrado y el decaóxido de tetrafósforo son ácidos y reaccionarían con el NH₃, e incluso el cloruro de calcio, que es neutro, no puede usarse porque, como excepción, forma un compuesto de adición con el NH₃. Recuerde: «el agente desecante y el gas deben ser una combinación que no choque como ácido y base, y CaCl₂ × NH₃ es la excepción».
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* Este contenido sirve para repasar lo estudiado en la preparatoria. Si la notación o el tratamiento difieren de su libro de texto o de lo que se enseña en su escuela, siga su libro de texto y las explicaciones de su profesor.
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