Examen resuelto de Química — Extraordinaria 2026

El premi Nobel de Química de l’any 2025 va ser concedit als investigadors Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi (figura 1) pel desenvolupament de xarxes metal·orgàniques (MOF). Aquests materials són xarxes poroses formades per ions metàl·lics units per lligands orgànics, i presenten aplicacions revolucionàries en l’emmagatzematge de gasos, la catàlisi o l'alliberament controlat de fàrmacs. Un precursor orgànic molt utilitzat en la síntesi de MOF és l’àcid benzoic (figura 2).

Figura 1. Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi.
Figura 2. Estructura química de l’àcid benzoic: anell benzènic unit a $\mathrm{-C(=O)-OH}$, $\mathrm{C_6H_5-COOH}$.

a) Determina la fórmula molecular de l’àcid benzoic a partir de la seva estructura química (figura 2).

b) Les MOF poden emmagatzemar gasos dins els porus. Suposa que una determinada MOF és capaç d’omplir completament els seus porus amb CO₂ a 25 °C i 1 atm. Si el volum total de porus disponibles és de 5,0 L, calcula la massa de CO₂ (en grams) que podria quedar adsorbida en aquestes condicions.

c) Per sintetitzar una MOF al laboratori, es necessita una dissolució aquosa de Zn(NO₃)₂ 0,10 M, ja que els ions Zn²⁺ actuaran com a centres metàl·lics en l’estructura del material. Calcula la massa de Zn(NO₃)₂ sòlid necessària per preparar 250 mL d’aquesta dissolució.

d) En la síntesi de MOF s’utilitzen sovint èsters i sals metàl·liques.
i) Anomena el compost CH₃–CH₂–COO–CH₃, el qual s’utilitza en estudis relacionats amb MOF.
ii) Anomena el compost Zn(NO₃)₂, utilitzat com a precursor en la síntesi de MOF.

Constant de la taula periòdica adjunta: R = 0,082 atm L mol⁻¹ K⁻¹.

L’àcid fòrmic (HCOOH), present a les picades de formigues i en alguns productes de neteja, és un àcid feble monopròtic d’interès en química i biologia. A 25 °C, una dissolució aquosa d’àcid fòrmic de concentració 0,10 M té un pH de 2,38.

En determinats processos industrials i de laboratori, el diòxid de carboni (CO₂) es pot obtenir mitjançant reaccions d’oxidació controlada de composts orgànics. Un mètode clàssic consisteix a fer reaccionar permanganat de potassi (KMnO₄) amb àcid oxàlic (H₂C₂O₄) en medi àcid.

En aquesta reacció redox, l’ió permanganat (MnO₄⁻), de color violeta intens, actua com a agent oxidant i es redueix a Mn²⁺, mentre que l’àcid oxàlic s’oxida a diòxid de carboni (CO₂).

Aquesta reacció s’utilitza habitualment en pràctiques de laboratori per estudiar processos redox, cinètica química i tècniques de valoració.

Considera les espècies químiques següents: C₆H₁₄ (hexà), SiO₂ (sílice o diòxid de silici), Al (alumini), CaCl₂ (clorur de calci).

Per a cadascuna de les situacions descrites a continuació, selecciona una espècie química de la llista anterior, la que millor s'hi adapti, i justifica la teva elecció basant-te en el tipus d'enllaç o forces intermoleculars.

Justifica si les afirmacions següents són vertaderes o falses:

La pedra calcària, principalment formada per carbonat de calci (CaCO₃), ha estat un material fonamental en la construcció al llarg de la història. Quan s'escalfa a temperatures molt elevades experimenta una descomposició tèrmica per produir calç viva (CaO) i diòxid de carboni (CO₂), segons la reacció:

En un recipient tancat i inicialment buit de 2,0 L, s'introdueixen 20 g de CaCO₃ pur. S'escalfa a 900 °C i s'espera fins que s'assoleix l'equilibri químic. En aquestes condicions, la constant d'equilibri Kp té un valor de 0,22 atm.

a) Calcula la pressió de CO₂ en l'equilibri químic.

b) Determina la massa de CaCO₃ que haurà reaccionat.

c) Calcula el valor de Kc per a aquest equilibri a 900 °C.

d) Una vegada assolit l’equilibri químic a 900 °C, es refreda el sistema fins a 800 °C. Indica, de forma raonada, si la quantitat de CaCO₃(s) augmenta o disminueix.

Constant de la taula periòdica adjunta: R = 0,082 atm L mol⁻¹ K⁻¹.

En la indústria química i energètica, els composts orgànics tenen un paper fonamental. El metà (CH₄), per exemple, és el component principal del gas natural i constitueix un combustible essencial. D’altra banda, hidrocarburs com els alquens i cicloalcans, així com alcohols, àcids carboxílics i èsters, són matèries primeres bàsiques en la síntesi de plàstics, dissolvents, combustibles i additius alimentaris.

L'acetat de metil (CH₃COOCH₃) és un èster amb aroma de fruita, utilitzat com a additiu alimentari i com a dissolvent industrial. Es pot obtenir a partir d'àcid acètic (CH₃COOH) i metanol (CH₃OH) segons la reacció química següent:

A partir de les següents reaccions i les seves entalpies estàndard de combustió:

i) $\mathrm{CH_3COOH(l)+2O_2(g)\rightarrow2CO_2(g)+2H_2O(l)}$, ΔH°ᵢ = −847,2 kJ mol⁻¹.
ii) $\mathrm{2CH_3OH(l)+3O_2(g)\rightarrow2CO_2(g)+4H_2O(l)}$, ΔH°ᵢᵢ = −1452,2 kJ mol⁻¹.
iii) $\mathrm{2CH_3COOCH_3(l)+7O_2(g)\rightarrow6CO_2(g)+6H_2O(l)}$, ΔH°ᵢᵢᵢ = −3182,8 kJ mol⁻¹.

El fosgen (COCl₂), també conegut com a clorur de carbonil, és un gas tòxic que va ser utilitzat com a arma química durant la Primera Guerra Mundial. Actualment, s'utilitza en la síntesi industrial de poliuretans i pesticides.

Aquest compost es pot descompondre segons la reacció química següent:

a) Calcula l'entalpia estàndard de reacció (ΔH°) a 298 K per a la descomposició del fosgen.

b) Indica si la reacció anterior és endotèrmica o exotèrmica. Justifica la resposta.

c) Es pot afirmar que la variació d’entropia (ΔS°) de la reacció química anterior és negativa? Justifica la resposta.

d) A la fitxa de seguretat del compost COCl₂ apareix el pictograma següent. Indica’n el significat.
[Pictograma: calavera i tíbies encreuades dins un rombe de vora vermella.]

Dades: Entalpies estàndard de formació a 298 K:
ΔH°f (COCl₂, g) = −219,1 kJ mol⁻¹
ΔH°f (CO, g) = −110,5 kJ mol⁻¹