Química 2º Bach. Equilibrio químico y solubilidad 09/03/05

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1 Química º Bach. Equilibrio químico y solubilidad 09/03/05 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Problemas Nombre: [3 PUNTOS /UNO] 1. Calcula: a) La solubilidad del hidróxido de magnesio en g/l. b) El ph de una disolución saturada de hidróxido de magnesio. c) El ph necesario para precipitar hidróxido de magnesio en una disolución 5, M del catión. DATOS: K s (hidróxido de magnesio) = 9, a) El hidróxido de magnesio es poco soluble y en una disolución saturada, el sólido se encuentra en equilibrio con sus iones. Llamando s a la solubilidad del hidróxido de magnesio, en el equilibrio habrá: Mg(OH) (s) Mg + (aq) + OH (aq) s s La constante de equilibrio o producto de solubilidad es: K s = [Mg + ] [OH ] = s (s) = 4 s 3 Despejando la solubilidad s: s= 3 9, =1, M 4 En g/l será: s' = 1, mol Mg(OH) / L (58,3 g / mol) = 7, g Mg(OH) / L D b) La concentración del ión hidróxido es: [OH ] = s =, M de donde poh = - log [OH ] = 3,58 ph = 14,00 poh = 10,4 c) La condición para que precipite hidróxido de magnesio en una disolución que contenga iones magnesio e iones hidróxido es que: Q s = [Mg + ] [OH ] K s K [OH s ] [Mg + ] = 9, =1, M 5,00 poh = - log [OH ] = 4,87 ph = 14,00 poh = 9,13. En un balón de reacción de 5,00 dm 3 se introducen 5, mol de hidrógeno y 1, mol de yodo. Se calienta hasta C y se permite que alcance el equilibrio, en el que la concentración de yoduro de hidrógeno es 1, M. Calcula: a) El valor de K P. b) Si en otro recipiente de 5,00 dm 3 se introducen 8,00 g de yoduro de hidrógeno y se eleva la temperatura hasta C y se espera a que se alcance el equilibrio, cuál será el grado de disociación del yoduro de hidrógeno? a) Escribiendo la reacción de equilibrio H (g) + I (g) HI (g) La cantidad de yoduro de hidrógeno en el equilibrio es: n(hi) eq = 1, mol HI dm -3 5,00 dm 3 = 9, mol HI

2 que se tuvo que formar en la reacción. Por tanto tuvo que reaccionar de hidrógeno (y yodo) n(h ) reacc = 9, mol HI (1 mol H / mol HI) = 4, mol H Cantidad H I HI Inicial (mol) 5, , Reacciona (mol) 4, , , Equilibrio (mol) 0, , , K P = P HI PH PI = nhi RT nh RT ni RT = n HI nh ni = 9, =9 3 0, ,5 10 b) Si la temperatura no cambia, la constante de equilibrio es la misma. Si preferimos escribir la reacción en sentido contrario, la constante de equilibrio para: HI (g) H (g) + I (g) K C = [H ] e [I ] e = 1 RT n = = 1 = 1 [HI] e K C K P K P 9 =3,4 10 La cantidad inicial de yodo es: n(i ) 0 = 8,00 g I / 18 g/mol = 6, mol I Se llama x a la cantidad de yoduro de hidrógeno que se descompone hasta alcanzar el equilibrio. Cantidad HI H I Inicial (mol) 6, Reacciona (mol) x x/ x/ Equilibrio (mol) 6, x x/ x/ x/ x/ 3,4 10 5,00 5,00 = 6,5 10 x 5,00 3,4 10 x/ = = x/ 6,5 10 x 6,5 10 x x = 1, mol de yoduro de hidrógeno que se descompone. El grado de disociación: α = x / n 0 = 1, / 6, = 0,7 = 7 % Teoría [1 PUNTO /UNO] 1. Suponiendo que la reacción: N (g) + 3 H (g) NH 3 (g), ΔH 0 = -9,3 kj estuviese en equilibrio, explica tres procedimientos para aumentar el rendimiento en la obtención de amoníaco. N (g) + 3 H (g) NH 3 (g), ΔH 0 = -9,3 kj K C = [ NH 3] eq 3 [ N ] eq [H ] eq a) Disminuyendo la temperatura. Un aumento de temperatura favorecería el sentido endotérmico. Como la reacción es exotérmica (ΔH < 0), al disminuir la temperatura la constante de equilibrio aumentaría y la concentración de amoníaco debería aumentar. b) Extrayendo amoníaco del recipiente de reacción. (El amoníaco es muy soluble en agua, mientras que ni el hidrógeno ni el nitrógeno lo son). Al disminuir la cantidad de amoníaco en el recipiente, el equilibrio se desplaza en el sentido de formar más amoníaco, para que se vuelva a alcanzar un nuevo equilibrioen el que se cumpla la ecuación anterior. La constante no varía con este cambio, ya que sólo depende de la temperatura.

3 c) Aumentando la presión total (disminuyendo el volumen del recipiente de reacción). K P = P NH 3 nnh3 RT PN P 3 H = [ N ] RT [H 3 ] RT = n NH 3 nn n 3 H RT Al disminuir el volumen, la cantidad de amoníaco deberá aumentar para que el valor de K P permanezca constante. El equilibrio se desplazará en el sentido de producir más amoníaco.. Se dispone de una disolución saturada de cloruro de plata en equilibrio con una cierta cantidad de cloruro de plata (s). Razona qué sucedería si a esta disolución: a) Se le agregan g de cloruro de sodio. b) Se le agregan 10 cm 3 de agua. c) Se evaporan 100 cm 3 de agua de la disolución. a) Se formaría mayor cantidad de precipitado por el efecto del ión común. El cloruro de sodio es una sal soluble que en agua produce los iones: NaCl (s) Na + (aq) + Cl (aq) El ión cloruro desplaza el equilibrio de solubilidad del cloruro de plata, que es una sal poco soluble, AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq) en el sentido de producir más cloruro de plata sólido, ya que el aumento de la concentración de ión cloruro hace que el cociente de solubilidad: Q s = [Cl ] [Ag + ] sea Q s > K s por lo que, para alcanzar el nuevo equilibrio, deberá disminuir las concentraciones de iones cloruro y plata. b) Si se añade agua, en principio la disolución queda diluida. Pero como hay sólido en equilibrio, y Q s < K s el equilibrio se desplaza para producir más iones en disolución hasta alcanzar la saturación. Es decir, se disuelve algo más de cloruro de plata sólido. c) Es lo opuesto al apartado anterior. Precipita una cantidad de cloruro de plata. Laboratorio [ PUNTOS] 1. Qué precipitado se forma al mezclar una disolución de cloruro de calcio a 50 0 C con una disolución de trioxocarbonato(i) de sodio (carbonato de sodio) muy concentrada y en exceso? Escribe la reacción que tiene lugar. Describe el procedimiento para aislar en el laboratorio el precipitado de su disolución de origen. Dibuja y nombra el material utilizado. Cómo se podría disolver el precipitado? Carbonato de calcio La reacción es: CaCl (aq) + Na CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + Na + (aq) + Cl (aq) Filtración a vacío. Se vierte el líquido con el precipitado sobre un embudo Büchner, con papel de filtro, acoplado a un matraz kitasato conectado a una trompa de vacío por el vástago lateral. Embudo Büchner Matraz kitasato

4 El precipitado de carbonato de calcio se puede disolver con un ácido, por ejemplo, ácido clorhídrico, puesto que el carbonato es la sal de un ácido débil, y la adición de un ácido desplazaría los equilibrios hacia la derecha. CaCO 3 (s) CO 3 (aq) +Ca + (aq) CO 3 (aq) + H + (aq) HCO 3 (aq) HCO 3 (aq) + H + (aq) H CO 3 (aq) H CO 3 (aq) CO (g) + H O (l) haciendo que el precipitado de carbonato de calcio se disuelva.

5 Química º Bach. Equilibrio y solubilidad 15/03/05 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Problemas Nombre: 1. a) El ph de una disolución saturada de hidróxido de plomo(ii) es 9,90 a 5 0 C. Calcula el producto de solubilidad del hidróxido de plomo(ii) a la misma temperatura. [1 PUNTO ] Datos Cifras significativas: ph (Pb(OH) (aq) ) ph = 9,90 temperatura Incógnitas solubilidad del Pb(OH) producto de solubilidad del Pb(OH) Ecuaciones producto de solubilidad del equilibrio: B ba a (s) b B a+ (aq) + a A b- (aq) T = 5 0 C = 98 K s K s K s = [A b- ] a [B a+ ] b ph ph = -log[h + ] Producto iónico del agua: ph + poh = 14,0 a) El equilibrio de solubilidad es Pb(OH) (s) Pb + (aq) + (OH) (aq) Si llamamos s a la concentración en moles/l de Pb(OH) que se disuelve, podemos escribir: Pb(OH) Pb + (OH) [ ] eq mol/l s s Sabiendo que poh = -log[oh ] y que ph + poh = pk w = 14,00, (a 5 0 C) queda poh = 14,00 9,90 = 4,10; [OH ] = 10-4,10 = 7, M s = [OH ] / = 4, M (Al dar el ph = 9,90 con dos decimales, la concentración de iones hidróxido tiene dos cifras significativas) b) La constante de equilibrio K s es: K s = [Pb + ] [OH ] = s (s) = 4 s 3 =, Se tiene una disolución acuosa de tetraoxocromato(i) de potasio [cromato de potasio] y de cloruro de sodio, a unas concentraciones de 0,1 mol/l y 0,05 mol/l, respectivamente. Se adiciona una disolución de trioxonitrato() de plata [nitrato de plata]. a) Suponiendo que el volumen no varía, determina, mediante los cálculos pertinentes, cuál de las dos sales de plata precipitará en primer lugar. [1 PUNTO ] b) Calcula la concentración del anión de la sal más insoluble al comenzar a precipitar la sal que precipita en segundo lugar. [1 PUNTO ] Datos: Constantes del producto de solubilidad a 5 0 C del cromato de plata y del cloruro de plata, respectivamente:, y 1, Datos Cifras significativas: producto de solubilidad del AgCl K s (AgCl) = 1,

6 Datos Cifras significativas: producto de solubilidad del Ag CrO 4 K s (Ag CrO 4) =, concentración del K CrO 4 concentración del NaCl Incógnitas cuál de las dos sales de plata precipitará en primer lugar concentración del anión de la sal más insoluble al comenzar a precipitar la sal que precipita en segundo lugar Ecuaciones producto de solubilidad del equilibrio: B ba a (s) b B a+ (aq) + a A b- (aq) a) El equilibrio de solubilidad del cloruro de plata es AgCl (s) Ag + (aq) + Cl (aq) Se formará precipitado de AgCl cuando: Q 1 = [Ag + ][Cl ] > K s(agcl) El cloruro de sodio es una sal soluble que se disocia totalmente en agua: NaCl (aq) Na + (aq) + Cl (aq) [Cl ] = [NaCl] = 0,050 M [Ag + ] 1 K sagcl [Cl - ] = 1, =3, M 0,050 El equilibrio de solubilidad del cromato de plata es Ag CrO 4 (s) Ag + (aq) + CrO 4 (aq) Se formará precipitado de Ag CrO 4 cuando: Q = [Ag + ] [CrO 4 - ] > K s(ag CrO 4) El cromato de potasio es una sal soluble que se disocia totalmente en agua: K CrO 4 (s) K + (aq) + CrO 4 (aq) [CrO 4 ] = [K CrO 4] = 0,010 M [Ag + ] K sag CrO 4 [CrO - 4 ] Como [Ag + ] 1 < [Ag + ], precipitará primero el cloruro de plata. =, =4, M 0,10 [K CrO 4 ] 0 = 0,10 M [NaCl] 0 = 0,050 M K s = [A b- ] a [B a+ ] b b) Cuando comienza a precipitar la sal que precipita en segundo lugar (el cromato de plata), la concentración del anión (Cl ) de la sal má insoluble(agcl) es: [Cl ] = K s(agcl) / [Ag + ] = 1, / 4, = 3, M 3. La constante del equilibrio: pentacloruro de fósforo tricloruro de fósforo + cloro, todos gases a 50 0 C es K P = 1,89. Calcula: a) La constante de concentraciones K C del equilibrio de formación del pentacloruro de fósforo. [1 PUNTO ] En un matraz de 5,00 litros se introducen 4,17 g de pentacloruro de fósforo sólido y se calienta a 50 0 C, con lo que el pentacloruro de fósforo sólido pasa a gas y se descompone. b) Halla el grado de disociación del pentacloruro de fósforo, una vez alcanzado el equilibrio. [1 PUNTO ] c) Cuál debería ser la presión total en el matraz para que el grado de disociación fuese del 75%? [1 PTO.] a) La constante de equilibrio es PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g)

7 Para esta reacción: Para un gas ideal, por lo que Para el equilibrio K P = PPCl 3 PCl 3 =1,89 PPCl 5 K C = [PCl 3][Cl ] [PCl 5 ] P = n R T P= nrt = n RT K P = PPCl 3 PCl 3 = [PCl 3] RT [Cl ] RT = [PCl 3][Cl ] RT =K PPCl 5 [PCl 5 ] RT [PCl 5 ] C RT K C = K P / RT = 1,89 / (0,080 53) = 0,0441 PCl 3 (g) + Cl (g) PCl 5 (g) K Cf = [PCl 5] [PCl 3 ][Cl ] = 1 K C = 1 0,0441 =,7 b) n 0 (PCl 5) = 4,17 g PCl 5 / 08 g/mol = 0,000 mol PCl 5 iniciales Llamando x a la cantidad de PCl 5 disociada hasa alcanzar el equilibrio PCl 5 PCl 3 Cl npcl 3 0,0441= iniciales mol 0, reaccionan mol x x x equilibrio mol 0,000 x x x npcl 5 ncl x 5,00 = 0,000 x 5,00 x = 5,00 0,000 x El grado de disociación es: x = 0,0185 mol PCl 5 disociados α = x / 0,000 = 0,0185 / 0,000 = 9,3% c) Si α = 75% = 0,75, la cantidad de PCl 5 disociada será: n(pcl 5 dis.) = α 0,000 = 0,75 0,000 = 0,015 mol PCl 5 disociados PCl 5 PCl 3 Cl iniciales mol 0, reaccionan mol 0,015 0,015 0,015 equilibrio mol 0,005 0,015 0,015 La cantidad total de gas en el equilibrio será: n T (gas) = 0, , ,015 = 0,035 mol gas P T = n T RT = 0,035 mol total 0,080 atm L mol 1 K 1 53 K =0,30 atm 5,00 L

8 Teoría [1 PUNTO /UNO] 1. Escribe la expresión de la constante K s del producto de solubilidad para cada uno de los siguientes compuestos, y escribe su relación con la solubilidad s. a) hidróxido de cromo(iii) b) arseniato de hierro(ii) a) Cr(OH) 3 (s) Cr 3+ (aq) + 3 OH (aq) Cr(OH) 3 Cr 3+ 3 OH s 3 s K S = [Cr 3+ ] [OH ] 3 = s (3 s) 3 = 7 s 4 b) Fe 3(AsO 4) (s) 3 Fe + (aq) + AsO 4 3 (aq) Fe 3(AsO 4) 3 Fe + AsO s s K S = [Fe + ] 3 [AsO 4 3 ] = (3 s) 3 ( s) = 108 s 5. Para el sistema: Xe (g) + F (g) XeF 4 (g), H = -18 kj. Indica razonadamente qué efecto tendrá sobre el porcentaje de conversión de Xe (g) en XeF 4 (g): a) Aumentar el volumen del recipiente. b) Añadir flúor (g). a) La constante de equilibrio sólo depende de la temperatura. No varía al aumentar el volumen. K C = [XeF 4] [Xe][F ] = n XeF4 n Xe n F = n XeF 4 n Xe n F Si el volumen aumenta, para que K C permanezca constante, o bien el numerador n XeF4 disminuye, o bien el denominador n Xe n F aumenta. El equilibrio se desplazará (hacia la izquierda) hasta alcanzar una nuevo estado de equilibrio en el que habrá más Xe y F y menos XeF 4, por lo que el porcentaje de conversión de Xe y F en XeF 4 disminuirá. b) De la expresión anterior, si se aumenta el denominador, n F, sin variar el volumen, para que K C permanezca constante, ha de aumentar el numerador n XeF4. El equilibrio se desplazará (hacia la derecha) hasta alcanzar una nuevo estado de equilibrio en el que habrá más XeF 4 y menos Xe, por lo que el porcentaje de conversión de Xe y F en XeF 4 aumentará.

9 Laboratorio [ PUNTOS] Describe una reacción de precipitación que hayas realizado en el laboratorio. Haz un esquema del material y explica el modo de utilizarlo. Escribe la reacción que tiene lugar. Cómo calcularías el rendimiento de la misma? Precipitación de carbonato de calcio a partir de disoluciones muy concentradas de cloruro de calcio y carbonato de sodio. Se pesa una masa de cloruro de calcio, p.ej. 5,0 g, en una balanza sobre un vidrio de reloj que se tara previamente. Se disuelve en la cantidad mínima de agua en un vaso de precipitados, revolviendo con una varilla de vidrio. Se calcula la masa necesaria de carbonato de sodio. Se pesa un 10% más de la necesaria y se disuelve en otro vaso de precipitados también con la cantidad mínima de agua. Se calienta la disolución de cloruro de calcio con un mechero sobre un rejilla sostenida por un aro. Se mezclan ambas disoluciones. Se revuelve y se deja reposar. Se coloca un papel de filtro en un embudo büchner, se encaja en un matraz kitasato y se conecta a una trompa de vacío. Se abre el grifo. Se vierte el contenido del vaso de precipitados sobre el papel de filto. Se separa el papel de filtro y se pone a secar en una estufa. Cuando esté seco, se pesa. Material: vidrio de reloj vaso de precipitados embudo büchner matraz kitasato La reacción es Na CO 3 (aq) + CaCl (aq) CaCO 3 (s) + Na + (aq) + Cl (aq) La cantidad esperada de carbonato de calcio es: 1 mol CaCl ncaco 3 =5,0 g CaCl 1 mol CaCO g CaO 111 g CaCl 1 mol CaCl 3 1 mol CaCO 3 =4,5 g CaCO 3 Si al pesar se obtienen, p. ej. 4,0 g de carbonato de calcio, el rendimiento será: rendimiento = 4,0 g obtenidos / 4,5 g esperados = 89 % Si la masa obtenida fuese superior a la esperada, probablemente será porque el precipitada aún contenía agua y habrá que dejarlo más tiempo a secar.