Química 2º Bach. Recuperación 1ª Evaluación 13/01/05
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- Esperanza Rodríguez Maestre
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1 Química º Bach. Recuperación 1ª Evaluación 13/1/5 DEPARTAMENT DE FÍSIA E QUÍMIA Nombre: 1. alcula a partir de qué temperatura será espontánea la reacción de descomposición del tetraóxido de dinitrógeno (g) en dióxido de nitrógeno (g). [3 PUNTS] DATS: tetraóxido de dinitrógeno (g): f = 9, kj mol -1 ; S = 34, J mol -1 K -1 dióxido de nitrógeno (g): f = 33,8 kj mol -1 ; S = 4, J mol -1 K -1 La reacción ajustada es: N 4 (g) N (g) Una reacción es espontánea si ΔG = Δ T ΔS <. La entalpía,, la entropía, S, y la energía libre G, son funciones de estado, por tanto, Ley de ess: Δ r = Δ f (N ) Δ f (N 4 ) = 33,8 9, = 58,4 kj/mol ΔS r = ΔS f (N ) ΔS f (N 4 ) = 4, 34, = 175,8 J mol -1 K -1 ΔG = Δ T ΔS = 58,4 [kj/mol] 98 [K] 175,8 [J mol -1 K -1 ] [kj J -1 ] = 6, kj/mol La reacción no es espontánea en condiciones estándar, pero su espontaneidad varía con la temperatura. La reacción se encontrará en equilibrio cuando ΔG =. Suponiendo despreciable del cambio de la variación de entalpía y la variación de entropía con la temperatura, = Δ T eq ΔS T eq = Δ / ΔS = 58,4 [kj/mol] / (175,8 [J mol -1 K -1 ] [kj J -1 ] ) = 33 K Si T > T eq = 33 K entonces ΔG <, y la reacción será espontánea.. uando se queman,81 g de ácido crotónico, se producen 5,75 g de dióxido de carbono y 1,76 g de agua. La molalidad de una disolución al 3,6 % en masa de este compuesto es,434 mol kg -1. Sabiendo que tiene isomería geométrica, determina su fórmula molecular y dibuja y nombra los isómeros geométricos. [4 PUNTS] Todo el carbono del ya estaba en el ácido. 1, g m = 5,75 g = 1,57 g de en,81 g de ácido crotónico. 44, g Todo el hidrógeno del ya estaba en el ácido. m = 1,76 g, g =, g de en,81 g de ácido crotónico. 18, g El resto, hasta,81 g es oxígeno: m =,81 (1,57 +,) = 1,4 g de en,81 g de ácido crotónico. De los datos de la disolución se calcula la masa molar del ácido crotónico. omo la concentración de una disolución no depende de la masa, volumen o cantidad de disolución, se puede tomar cualquier valor de una de ellas como base de cálculo. Tomando como base de cálculo 1, kg de agua, en la masa de disolución que contenga 1, kg de agua habrá,434 mol de ácido crotónico. Por otro lado, usando el dato de la concentración en masa, que significa que hay 3,6 g de soluto (ácido crotónico) por cada 1 g de disolución D y que hay 1, - 3,6 = 96,4 g de agua por cada 1 g de disolución D, la masa m A de ácido crotónico que hay por cada 1, kg de agua es: m A =1, g Disolución 3,6 g ácido g =37,3 g ácido crotónico/kg agua 1, 3,6 g 1 g Disolución De donde la masa molar del ácido crotónico será:
2 M ML = 37,3 g ácido crotónico /,434 mol de ácido crotónico = 86, g/mol En cada mol de ácido crotónico habrá: n = 1,57 g 86, g ácido,81 g ácido 1 mol ácido 1 mol 1, g = 4 mol /mol de ácido crotónico. n = =, g 86, g ácido,81 g ácido 1 mol ácido 1 mol 1,1 g 6 mol /mol de ácido crotónico. n = 1,4 g 86, g ácido,81 g ácido 1 mol ácido 1 mol 16, g = mol /mol de ácido crotónico. Su fórmula molecular es 4 6. Si es un ácido tendrá un grupo carboxilo ( ). El compuesto tiene 4 hidrógenos menos que un compuesto saturado ( n n+ > 4 1 ). omo un doble enlace es del grupo = del ácido, debe haber otro doble enlace en la cadena. Por tanto será un ácido de cuatro carbonos con un doble enlace. De las dos posibilidades: = ácido 3-butenoico 3 = ácido -butenoico sólo el último tiene isomería geométrica, pues cada uno de los carbonos del doble enlace está unido a dos grupos distintos. Los isómeros geométricos serían: 3 3 ácido Z--butenoico ácido E--butenoico 3. Para la reacción exotérmica: ½ (g) + ½ I (g) I (g), el valor de K c a 11 K es 5,. alcula: [3 PUNTS] a) El valor de la constante K p, para el equilibrio de descomposición del yoduro de hidrógeno a 1 1 K. I (g) (g) + I (g) b) Justifica cómo afectarían a la descomposición del yoduro de hidrógeno y a la constante de equilibrio de descomposición: b.1) Un aumento de presión. b.) Una extracción de gas hidrógeno del recipiente de reacción. I (g) (g) + I (g) K = [ ] e [ I ] e [ I ] e ½ (g) + ½ I (g) I (g) [I ] K 1 = e [ ] 1/ 1 / e [I ] e K = (K 1 ) - = (1 / 5,) =,4 n RT K P = P n I RT P I V V = P I = [ ][ I ] =K n I RT [I ] V =,4 b.1) Un aumento de presión no afecta a la constante de equilibrio (nunca) ni al estado de equilibrio (en este caso) ya que la presión total no aparece en la expresión de la constante de equilibrio K p. b.) La extracción de gas hidrógeno no afecta a la constante de equilibrio (nunca) y desplaza el equilibrio hacia la formación de más gas hidrógeno (favorece la descomposición) porque, al disminuir el numerador [ ] de la constante de equilibrio, debe disminuir también el denominador [I] para mantener constante el valor de K c.
3 Química º Bach. Recuperación 1ª Evaluación 14/1/5 DEPARTAMENT DE FÍSIA E QUÍMIA Nombre: Se introducen,1 g de propano gas en un recipiente de 1, dm 3, que contiene aire (1% en volumen de oxígeno y el resto nitrógeno) a 5 y 96, kpa. Se produce la combustión del propano y se deja enfriar hasta que la temperatura final sea igual a la inicial y el agua quede en estado líquido. Averigua cuál es el reactivo limitante y calcula: a) El calor que hubiese desprendido la reacción si hubiese ocurrido a presión constante. [½ PUNTS] b) La presión final en el interior del recipiente cerrado. [ PUNTS] DATS: R =,84 atm L mol -1 K -1 = 8,314 J mol -1 K -1 ; 1 atm = 76, mmg = Pa; Entalpías estándar de formación (kj/mol): propano (g): -13,8; dióxido de carbono: -393,5; agua (l): -85,8 La reacción de combustión ajustada es: Las cantidades de reactivos iniciales son: 3 8 (g) + 5 (g) 3 (g) + 4 (l) n ( 3 8 ) =,1 g mol / 44,1 =,7 1-3 mol 3 8 V ( ) = 1, dm 3 aire 1 dm 3 / 1 dm 3 aire =,1 dm 3 =,1 1-4 m 3 Suponiendo comportamiento ideal para todos los gases: P V = n R T n ( ) = 96, 1 3 [Pa],1 1-4 [m 3 ] / (8,314 [J mol -1 K -1 ] (73 + 5) [K] ) = 8, mol Se supone, en principio que el propano es el reactivo limitante. Necesitaría de oxígeno: n n ( ) =,7 1-3 mol mol / mol 3 8 = 11,4 1-3 mol que es más que lo que hay de. Por tanto el reactivo limitante es el oxígeno y las cantidad de propano que reacciona es: n n ( 3 8 ) = 8, mol 1 mol 3 8 / 5 mol = 1, mol 3 8 La entalpía de la combustión se puede calcular por la ley de ess. Δ = Δ productos Δ reactivos = 3 Δ ( ) + 4 Δ ( (l) ) [ Δ ( 3 8 ) + 5 Δ ( ) ] = = 3 (-393,5) + 4 (-85,8)) [ (-13,8) + 5 ] = - kj/mol 3 8 La variación de entalpía equivale al calor a presión constante. omo la cantidad de propano que reaccionó fue 1, mol 3 8, el calor desprendido hubiese sido: Se hubiesen desprendido 3,61 kj. Q = 1, mol 3 8 (- kj/mol 3 8 ) = -3,61 kj b) La reacción de combustión ajustada es: 3 8 (g) + 5 (g) 3 (g) + 4 (l) Las cantidades de reactivos iniciales son: n ( 3 8 ) =,1 g mol / 44,1 =,7 1-3 mol 3 8 V ( ) = 1, dm 3 aire 1 dm 3 / 1 dm 3 aire =,1 dm 3 =,1 1-4 m 3 Suponiendo comportamiento ideal para todos los gases: P V = n R T n ( ) = 96, 1 3 [Pa],1 1-4 [m 3 ] / (8,314 [J mol -1 K -1 ] (73 + 5) [K] ) = 8, mol Se supone, en principio que el propano es el reactivo limitante. Necesitaría de oxígeno: n n ( ) =,7 1-3 mol mol / mol 3 8 = 11,4 1-3 mol que es más que lo que hay de. Por tanto el reactivo limitante es el oxígeno y las cantidades estequiométricas serán:
4 antidad ( 1-3 mol) Inicial,7 8,14 Reacciona 1,63 8,14 4,88 6,51 Final,65 4,88 6,51 Al final habrá en fase gas 4, mol de, 6,5 1-4 mol de 3 8 (sobrante) y el nitrógeno que había inicialmente, que era: V (N ) = 1, dm 3 aire,1 dm 3 =,79 dm 3 = 7,9 1-4 m 3 N n (N ) = 96, 1 3 [Pa] 7,9 1-4 [m 3 ] / (8,314 [J mol -1 K -1 ] (73 + 5) [K] ) = 3,6 1 - mol N n T (g) = 4, mol + 6,5 1-4 mol ,6 1 - mol N =,361 mol gas La presión final vendrá dada por la ecuación de los gases ideales. P T = n T R T / V =,361 [mol] 8,314 [J mol -1 K -1 ] (73 + 5) [K] / 1, 1-3 [m 3 ] = 8, Pa = 89,5 kpa =,88 atm. El tetraóxido de dinitrógeno se descompone de acuerdo con la siguiente ecuación: N 4 (g) N (g) Δ > a) Si K es la constante de equilibrio para la reacción de descomposición del tetraóxido de dinitrógeno, escribe K para la reacción N (g) ½ N 4 (g), en función de K. [½ PUNT] b) Se colocó 1, mol de N 4 en un recipiente vacío de, dm 3 de capacidad a una temperatura de 5. El recipiente se cerró y se dejó hasta alcanzar el equilibrio a la temperatura mencionada. La concentración de N 4 en el equilibrio era de,4 mol dm -3. b.1) uántos moles había de N cuando el sistema alcanzó el equilibrio? [¼ PUNT] b.) alla el valor de K para la reacción de descomposición del N 4. [¼ PUNT] b.3) alcula la presión parcial del N 4 en el equilibrio. [¼ PUNT] b.4) alla el valor de K P. [¼ PUNT] b.5) Si se extrae todo el N y se espera a que alcance un nuevo equilibrio, cuál será la nueva presión total? [1 PUNT] c) Indica si el rendimiento de N aumentará, disminuirá o se mantendrá constante cuando se restablezca el equilibrio después de cada uno de los siguientes cambios de forma independiente. Explica brevemente cada caso. c.1) Se añade más N 4 a la mezcla en equilibrio dentro del recipiente. [½ PUNT] c.) Se eleva la presión del sistema. [½ PUNT] d) Indica y explica qué efecto produce sobre el valor de K c un aumento de temperatura. [½ PUNT] a) omo la constante del equilibrio: es y la del equilibrio: queda que: N 4 (g) N (g) N (g) K = [ N ] e [ N 4 ] e ½ N 4 (g) K = [ N ] 1 / 4 e = [ N 4 ] e [ N ] e [ N ] e K = K 1/ = 1 K b.1) Si llamo x a la cantidad de N 4 que reaccionó
5 moles N 4 N iniciales 1, reaccionan x x equilibrio 1, x x Si [N 4 ] e =,4 mol dm -3, y el volumen del recipiente es de, dm 3, [N 4 ] e = n(n 4 ) e / V n =,4 [mol dm -3 ] [, dm 3 ] =,84 mol N 4 en el equilibrio,84 = 1, x x = 1,,84 =,16 mol N 4 que reaccionaron n' (N ) e = x =,16 =,3 mol de N en el equilibrio. b.) Las concentraciones en el equilibrio son. concentración (mol/l) N 4 N equilibrio,84, =,4,3, =,16 K =,16 /,4 =,61 b.3) Suponiendo comportamiento ideal, PV = nrt P = (n/v)rt P(N 4 ) e = [N 4 ] e RT =,4 [mol dm -3 ],8 [atm dm 3 mol -1 K -1 ] 98 [K] = 1 atm P(N ) e = [N ] e RT =,16 [mol dm -3 ],8 [atm dm 3 mol -1 K -1 ] 98 [K] = 3,9 atm b.4) K P = P N =1,5 P N 4 b.5) Si se elimina el N, y se llama z a la nueva concentración de N 4 que se descompone, concentración (mol/l) N 4 N inicial,4 reacciona z z equilibrio,4 z z De la expresión de la constante de equilibrio: La concentración total de gas en el equilibrio será: z K =,61=,4 z z =,73 mol dm -3 de N 4 que se disocian. [gas] =,4 z + z =,4 + z =,4 +,73 =,49 mol dm -3 y la presión total, suponiendo comportamiento ideal, será: P =,49 [mol dm -3 ],8 [atm dm 3 mol -1 K -1 ] 98 [K] = 1 atm.
6 c.1) Aumentará. El equilibrio se desplazará en el sentido de neutralizar los cambios. (Ley de Le hatelier). Si se añade N 4 el sistema se desplaza hacia la derecha para consumir el exceso de N 4. omo K c permance constante, si se aumenta el denominador deberá aumentar el numerador. c.) Disminuirá. El equilibrio se desplaza hacia donde hay menos moles de gas. Si se escribe la constante de equilibrio K P en función de la presión total: P T K P = P N = x N = x N P P N 4 x N 4 P T x T N 4 Si se aumenta la presión total, y K P permanece constante, deberá aumentar el denominador, los moles de N 4. c.3). Un catalizador no afecta a la composición del equilibrio, sólo aumenta la velocidad de las reacciones. d) Un aumento de temperatura provocará un aumento de K c porque es una reacción endotérmica. Según la ecuación de Van't off Si T > T 1 ln K K 1 = R 1 T 1 T 1 1 / T < 1 / T 1 omo > Si ln K / K 1 > (1 / T 1 / T 1 ) < / R (1 / T 1 / T 1 ) > K / K 1 > 1 K > K 1 a) Formula o nombra, según corresponda, los siguientes compuestos orgánicos a 1 ) 3 propilfenol; a ) metilpropanal; a 3 ) 3 N 3 ; a 4 ) ; a 5 ) 3 N. [1 PUNT] b) Alguno de ellos presenta isomería óptica? Razona la respuesta. [½ PUNT] a 1 ) 3 a ) 3 3 a 3 ) etilmetilamina; a 4 ) ácido -propinoico; a 5 )-hidroxipropanoamida b) El a 5 -hidroxipropanoamida tiene el carbono unido a 4 grupos distintos (quiral)
7 (está unido a un grupo amida, un hidroxi, un metil y hidrógeno) Los isómeros son enantiómeros (imágenes especulares) 3 N N 3 N 3
8 Química º Bach. Recuperación 1ª Evaluación 14/1/5 DEPARTAMENT DE FÍSIA E QUÍMIA Nombre: 1. alcula la energía del enlace = en el eteno. [ PUNTS] Entalpía normal de la reacción: eteno (g) con hidrógeno (g) para dar etano (g), Δ r = -137 kj/mol. Energías de enlace: Δ ( ): 346 kj/mol, Δ ( ): 391 kj/mol y Δ ( ): 413 kj/mol. La reacción es: Desarrollando las fórmulas, queda: = La entalpía de la reacción será la energía de los enlaces que se rompen menos la energía de los que se forman. Δ r = (Δ (=) + 4 Δ ( ) + Δ ( ) ) (Δ ( ) + 6 Δ ( ) ) -137 = (Δ (=) ) ( ) Δ (=) = 644 kj/mol. El reacciona rápidamente con el S, a altas temperaturas, según la reacción siguiente: (g) + S (g) S (g) + (g) Δ < En una experiencia se colocaron 4,4 g de en una vasija de,5 litros, a 337, y una cantidad suficiente de S para que la presión total inicial fuese de 1, atm. En la mezcla que se obtiene una vez alcanzado el equilibrio existían,1 moles de agua. alcula: a) El número de moles de cada una de las especies en el equilibrio. b) El valor de K y de K P. c) Razona qué efecto producirá sobre el equilibrio y sobre la constante cada uno de los siguientes cambios: c.1) Una disminución del volumen del reactor a temperatura constante. c.) Un incremento de la temperatura a presión constante. [5 PUNTS] a) La cantidad inicial de dióxido de carbono es: La cantidad de gases en el equilibrio es n( ) = 4,4 g / 44, g/mol =,1 mol n T = PV / RT = 1,,5 / (,8 61) =,5 mol de gas total inicial. omo al alcanzar el equilibrio la presión no varía (ya que hay la misma cantidad de gas de reactivos que de productos), la cantidad de S inicial es: n( S) =,5,1 =,4 mol S Si en en equilibrio hay,1 mol de, se han formado,1 mol de, por lo que las cantidades de de otras sustancias que han reaccionado o se han formado son: cantidad (mol) S S inicial,1,4
9 cantidad (mol) S S reaccionan/producen,1,1,1,1 equilibrio,9,39,1,1 b) La constante de concentraciones de equilibrio es: K,1 = [S][ ] [ ][ S] =,5,9,5,39,5 =,85 1 Y la constante de presiones de equilibrio es: K P = P S P P P S =[S] RT [ ] RT [ ] RT [ S] RT =K =, c.1) Si la temperatura no varía, la constante de equilibrio tampoco, ya depende exclusivamente de la temperatura. ΔG = - RT ln K P Por la ley de Le hatelier, cuando se disminuye el volumen del recipiente, el equilibrio se desplaza en en el sentido en el que disminuya la cantidad de gas. omo es la misma en ambos miembros, la disminución del volumen del recipiente no afecta a la composición del equilibrio. K = [S][ ] [ ][ S] = n S n V V n n S V V = n S n n n S El volumen no afecta a las cantidades de productos o reactivos en el euilibrio. c.) La variación de la constante de equilibrio con la temperatura viene dada por la ecuación de Van't off En una reacción exotérmica, ( < ) la constante de equilibrio disminuye al aumentar la temperatura, Si T > T 1 ln K = K 1 R 1 / T < 1 / T 1 1 T 1 T 1 omo < Si ln K / K 1 < (1 / T 1 / T 1 ) < > / R (1 / T 1 / T 1 ) < K / K 1 < 1 K < K 1 De la expresión de la constante de equilibrio K = [S][ ] [ ][ S]
10 se deduce que al disminuir la constante de equilibrio, la nueva situación de equilibrio tendrá mayor[ ] y [ S] y menor [S] y [ ]. 3. a) Formula o nombra, según corresponda, los siguientes compuestos orgánicos a 1 ) 3 propilfenol; a ) metilpropanal; a 3 ) 3 N 3 ; a 4 ) ; a 5 ) 3 N. [ PUNTS] b) Alguno de ellos presenta isomería óptica? Razona la respuesta. [1 PUNT] a 1 ) 3 a ) 3 3 a 3 ) etilmetilamina; a 4 ) ácido -propinoico; a 5 )-hidroxipropanoamida b) El a 5 -hidroxipropanoamida tiene el carbono unido a 4 grupos distintos (quiral) (está unido a un grupo amida, un hidroxi, un metil y hidrógeno) 3 Los isómeros son enantiómeros (imágenes especulares) N N 3 N 3
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