Supuesto 28

Cuestión 1 — Combustión del dodecano

Enunciado

En Canarias la obtención energética depende todavía mucho de los combustibles fósiles. Según el Anuario Energético de Canarias de 2023, las centrales consumieron 1.565.900 toneladas de combustibles fósiles, de las cuales 868.300 toneladas son de gasóleo (diésel). Teniendo en cuenta que el dodecano es uno de los hidrocarburos principales del diésel:

| Compuesto | Dodecano (l) | $\ce{CO2}$ (g) | $\ce{H2O}$ (g) | $\ce{O2}$ (g) | | --------------------------- | ------------ | -------------- | -------------- | ------------- | | $\Delta H^\circ_f$ (kJ/mol) | −298,0 | −393,5 | −241,8 | — | | $S^\circ$ (J/mol·K) | 404,8 | 213,7 | 188,8 | 205,0 |

a) Escriba la reacción ajustada de combustión. b) Calcule $\Delta H^\circ$ de reacción. c) Calcule $\Delta S^\circ$. d) Calcule $\Delta G^\circ$ a 1000 ºC. e) ¿Es espontánea en condiciones normales? f) ¿Cuántas toneladas de $\ce{CO2}$ se liberaron por la producción de electricidad en las islas?

Solución

a) Reacción ajustada (con agua gaseosa, coherente con los datos aportados):

$$\ce{C12H26(l) + 37/2 O2(g) -> 12 CO2(g) + 13 H2O(g)}$$

o, con coeficientes enteros, $\ce{2 C12H26 + 37 O2 -> 24 CO2 + 26 H2O}$.

b) Entalpía estándar de reacción.

$$\Delta H^\circ = 12(-393{,}5) + 13(-241{,}8) - (-298{,}0) = -4722 - 3143{,}4 + 298 = -7567{,}4\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

Fuertemente exotérmica, como corresponde a un combustible.

c) Entropía estándar de reacción.

$$\Delta S^\circ = \big[12(213{,}7) + 13(188{,}8)\big] - \big[404{,}8 + 18{,}5(205{,}0)\big] = 5018{,}8 - 4197{,}3 = +821{,}5\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$$

Positiva, porque de 18,5 mol de gas (más un líquido) se pasa a 25 mol de gas: aumenta el desorden.

d) Energía libre de Gibbs a 1000 ºC = 1273,15 K.

$$\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ = -7567{,}4 - 1273{,}15(0{,}8215) = -8613\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

e) ¿Espontánea en condiciones normales? A 298 K:

$$\Delta G^\circ = -7567{,}4 - 298{,}15(0{,}8215) = -7812\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} < 0$$

Sí, espontánea. Y además lo es a cualquier temperatura, porque $\Delta H^\circ < 0$ y $\Delta S^\circ > 0$ hacen negativos ambos términos. Conviene distinguir espontaneidad (termodinámica) de velocidad (cinética): el gasóleo no arde solo a temperatura ambiente porque la energía de activación es alta, no porque el proceso no sea espontáneo.

f) Toneladas de $\ce{CO2}$. Suponiendo que todo el gasóleo se comporta como dodecano ($M = 170{,}0\ \mathrm{g/mol}$), cada mol produce 12 mol de $\ce{CO2}$ ($M = 44{,}0\ \mathrm{g/mol}$). La relación en masa es directa:

$$m(\ce{CO2}) = 868\,300\ \mathrm{t}\times\frac{12\cdot 44{,}0}{170{,}0} = 868\,300\times 3{,}106 = 2{,}70\cdot 10^{6}\ \mathrm{t}$$

Es decir, unos 2,7 millones de toneladas de CO₂ solo por el gasóleo. (Nota sobre el enunciado: el apartado pregunta por «el 2021» mientras que el dato procede del Anuario de 2023; se resuelve con el dato aportado, haciéndolo constar.)

Cuestión 2 — La gráfica del calentamiento global

Enunciado

Observe la gráfica (anomalía de la temperatura global respecto al promedio del siglo XX, fuente NOAA) y conteste: a) ¿Cuál es el efecto causante y la consecuencia medioambiental? b) ¿Qué compuestos contribuyen a dicho efecto? Razone si los CFC contribuyen. c) Explique el proceso físico-químico que da lugar al efecto. d) Indique tres posibles soluciones para mitigarlo.

Solución

a) La gráfica muestra una anomalía térmica positiva y creciente: la temperatura media global supera cada vez más el promedio del siglo XX, con una aceleración clara en las últimas décadas. La causa es la intensificación antropogénica del efecto invernadero, y la consecuencia medioambiental es el cambio climático: subida del nivel del mar por dilatación térmica y deshielo, mayor frecuencia e intensidad de fenómenos extremos, acidificación oceánica y desplazamiento de las zonas climáticas —con impactos muy específicos en Canarias, como el riesgo para los ecosistemas de laurisilva o el aumento de las intrusiones de calima.

b) Contribuyen los gases capaces de absorber en el infrarrojo térmico, es decir, las moléculas con enlaces polares y modos de vibración que varían el momento dipolar: $\ce{CO2}$, $\ce{CH4}$, $\ce{N2O}$, vapor de agua, ozono troposférico y los gases fluorados. Los gases diatómicos homonucleares ($\ce{N2}$, $\ce{O2}$), que son el 99 % de la atmósfera, no son gases de efecto invernadero precisamente porque sus vibraciones no cambian el momento dipolar.

Sí, los CFC contribuyen, y de forma desproporcionada: son gases de efecto invernadero muy potentes (potenciales de calentamiento global de miles de veces el del $\ce{CO2}$, molécula a molécula) además de destructores de la capa de ozono. Es importante subrayar en el aula que se trata de dos problemas distintos que se confunden con frecuencia: el agujero de ozono (estratosférico, radiación UV) y el efecto invernadero (troposférico, radiación IR). Los CFC son un caso raro que participa en ambos.

c) Proceso físico-químico. La radiación solar que llega es mayoritariamente de onda corta (visible), para la cual la atmósfera es bastante transparente; el suelo la absorbe y se calienta. Al estar a unos 288 K, la superficie reemite según la ley de Wien en el infrarrojo lejano (~10 μm). Las moléculas de gases de efecto invernadero tienen modos vibracionales cuya energía coincide con esos fotones IR: los absorben (transición vibracional permitida porque varía el momento dipolar) y los reemiten en todas direcciones, devolviendo parte hacia la superficie. El resultado es que la atmósfera es asimétrica —transparente a la entrada, opaca a la salida— y la superficie debe calentarse hasta que el balance radiativo se reequilibra. Sin este efecto natural la Tierra estaría a unos −18 ºC; el problema no es el efecto, sino su intensificación.

d) Tres medidas de mitigación, con lectura canaria:

1. Descarbonizar la generación eléctrica: sustituir las centrales térmicas de gasóleo por renovables (eólica y fotovoltaica, muy favorables en las islas) con almacenamiento —el modelo de la central hidroeólica de El Hierro.
2. Eficiencia energética y electrificación del transporte, reduciendo la demanda antes que ampliando la oferta.
3. Captura y sumideros: protección y ampliación de la masa forestal, y captura de $\ce{CO2}$ para usos industriales (por ejemplo, para producir e-metanol, que es justo el tema del supuesto 3).

Cuestión 3 — Lluvia ácida y disociación del ácido sulfúrico

Enunciado

El diésel puede contener impurezas de azufre, cuya combustión libera $\ce{SO2}$, que se oxida a $\ce{SO3}$ y este reacciona con agua produciendo ácido sulfúrico: $\ce{2 SO2(g) + O2(g) <=> 2 SO3(g)}$; $\ce{SO3(g) + H2O(l) <=> H2SO4(aq)}$.

• a) El ácido sulfúrico es diprótico y se disocia en dos etapas. Escriba ambas reacciones y explique su diferencia según Brønsted-Lowry. Dato: $K_a(\ce{HSO4^-}) = 1{,}2\cdot 10^{-2}$.
• b) Si una muestra de lluvia ácida contiene inicialmente 0,01 M de $\ce{H2SO4}$, calcule la concentración de $\ce{H+}$ proveniente de la segunda disociación y el pH.

Solución

a) Las dos etapas.

$$\text{primera:}\quad \ce{H2SO4 + H2O -> HSO4^- + H3O+} \qquad (\text{completa})$$ $$\text{segunda:}\quad \ce{HSO4^- + H2O <=> SO4^2- + H3O+} \qquad K_a = 1{,}2\cdot 10^{-2}$$

Según Brønsted-Lowry, en ambas el ácido cede un protón al agua, que actúa de base. La diferencia es la fuerza: el $\ce{H2SO4}$ es un ácido fuerte y la primera cesión es prácticamente cuantitativa (se escribe con flecha simple), mientras que el $\ce{HSO4^-}$ es un ácido débil y la segunda es un equilibrio. Además, el $\ce{HSO4^-}$ es anfiprótico: es la base conjugada del $\ce{H2SO4}$ y a la vez el ácido conjugado del $\ce{SO4^2-}$. Que $K_{a2} \ll K_{a1}$ es lo normal en poliácidos: arrancar un protón de una especie ya cargada negativamente cuesta mucho más.

b) Cálculo del pH. La primera disociación aporta $0{,}0100\ \mathrm{M}$ de $\ce{H+}$ y deja $0{,}0100\ \mathrm{M}$ de $\ce{HSO4^-}$. Para la segunda, llamando $x$ a lo que se disocia, hay que tener en cuenta el efecto del ion común (los $\ce{H+}$ ya presentes):

$$K_a = \frac{(0{,}0100+x)\,x}{0{,}0100-x} = 1{,}2\cdot 10^{-2} \;\Longrightarrow\; x^2 + 0{,}0220\,x - 1{,}2\cdot 10^{-4} = 0$$ $$x = [\ce{H+}]_\text{segunda} = 4{,}52\cdot 10^{-3}\ \mathrm{M}$$ $$[\ce{H+}]_\text{total} = 0{,}0100 + 0{,}00452 = 1{,}45\cdot 10^{-2}\ \mathrm{M} \;\Longrightarrow\; \mathrm{pH} = -\log(1{,}45\cdot 10^{-2}) = \boxed{1{,}84}$$

Nótese que la segunda disociación no es despreciable: aporta casi un tercio de los protones finales. Suponer que solo actúa la primera daría pH = 2,00, un error de 0,16 unidades. (El pH real de la lluvia ácida es bastante más alto, en torno a 4-4,5, porque las concentraciones atmosféricas son mucho menores que 0,01 M; el enunciado usa un valor didáctico.)

Intervención didáctica (orientación)

Contexto: centro de la zona metropolitana de Santa Cruz de Tenerife, con capacitación digital (todo el alumnado con dispositivo) y jornadas transversales de la Red InnovAS. Se coordina el eje STEAM. Grupo de 2.º de ESO (9 alumnas y 14 alumnos) que fusiona saberes del Bloque III «El cambio» y el Bloque V «Energía», con desmotivación hacia la teoría, dos estudiantes con actitudes disruptivas en el laboratorio y tres de incorporación tardía (INTARSE) procedentes de Latinoamérica. Producto final: una jornada científica «La química y el cambio climático» con stands de «Energía en Canarias» y «Efecto Invernadero», siguiendo los principios del DUA, y contemplando una sesión online por traslado a modalidad no presencial por altas temperaturas.

Claves de una buena respuesta:

• Los dos stands dan la estructura natural de la secuencia: un itinerario sobre el mix energético canario (con datos reales del Anuario Energético, los mismos de la cuestión 1) y otro sobre el efecto invernadero (con experiencias sencillas: dos botellas, una con $\ce{CO2}$, y termómetro bajo un foco).
• DUA de verdad, no de nombre: múltiples formas de representación (texto, vídeo, infografía, maqueta), de acción y expresión (el enunciado dice explícitamente que el alumnado puede elegir instrumento de evaluación) y de implicación (elección de rol y de stand).
• La sesión online debe estar diseñada como tal, no ser una clase presencial trasladada: encaja bien la fase de búsqueda y curación de información en equipos, con documento colaborativo y seguimiento asíncrono, y hay que prever la brecha digital pese a la capacitación.
• Perfiles concretos: para las conductas disruptivas en el laboratorio, normas explícitas, rotación de roles con responsabilidad visible y prácticas cortas y muy pautadas; para el alumnado INTARSE, apoyo léxico específico del lenguaje científico (glosario visual bilingüe) y aprovechamiento de su bagaje como valor —el impacto del cambio climático en Latinoamérica es un contenido, no un obstáculo.
• Contra la desmotivación teórica: la jornada actúa como producto final auténtico con audiencia real (toda la comunidad educativa), que es el mecanismo más eficaz para dar sentido a la teoría.