Problemas Química Propuestos en las P.A.U. Termoquímica

Transcripción

1 A) Relaciones Termoquimicas ( H, U) 1.- Calcula la variación de energía interna ( Uº) para la reacción de combustión del benceno líquido, C 6 H 6 (l), si el proceso se realiza a presión de 1 atm y 25ºC. Sol: Uº = ,3 kj. Datos: H 2 O (l) = kj/mol; CO 2 (g) = kj/mol; C 6 H 6 (l) = + 49 kj/mol. 2.- En la reacción a volumen constante: N 2 (g ) + 3 H 2 ( g ) 2 NH 3 (g) Cuando, de la mezcla inicial, ha reaccionado 1 mol de nitrógeno a 25ºC, el calor generado es 41 KJ. Qué calor genera la reacción de 1 mol de N 2 (g) a presión constante de 1 atm y misma temperatura? Datos: R= 8,31 J/mol.ºK B) Relaciones termoquímicas ( G, H, S) 1.- Para una determinada reacción es H º >0 y S º <0, las cuales pueden considerarse constantes con la temperatura. Razona la espontaneidad de esa reacción con la temperatura. 2.- La reacción principal del método de contacto en la fabricación de ácido sulfúrico es la oxidación catalítica del dióxido de azufre que se lleva a cabo a una temperatura de unos 400 ºC: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g); H = - 198,2 kj a) Qué cantidad de energía se desprendería en la oxidación de 74,6 g de dióxido de azufre si la reacción se realizara a volumen constante? b) Predice justificadamente el signo de la variación de entropía de dicha reacción. c) Justifica porqué la disminución de la temperatura favorece la espontaneidad de dicho proceso. Datos: R = 8, kj mol -1 K -1. Masa molar del SO 2 = 64,0 g mol -1.

2 3.- El etano se puede sintetizar por hidrogenación del eteno según la reacción: C 2 H 4 (g) + H 2 (g) C 2 H 6 (g) A partir de los datos siguientes de entalpías de formación y entropías estándar, calcula los valores de Hº r y de Sº r para esa reacción e indica razonadamente si será espontánea a 25 ºC: C 2 H 4 (g) H 2 (g) C 2 H 6 (g) Hº f (kj/mol) 52, ,9 Sº (kj/mol) ,6 229 Sol: Hº r = -137,2 kj ; Sº r = - 0,1106 kj/k ; Gº = - 104,2 KJ 4.- En la descomposición del CaCO3, ΔHº = 178,1 KJ/mol y ΔSº = 160,5 J/mol.K. Razona cuantitativamente la posible espontaneidad de la reacción de descomposición del carbonato de calcio a óxido de calcio y dióxido de carbono: a) 25ºC b) 1000ºC. c) Qué significan los signos positivos de ΔH y ΔS? Datos: Considerar que ΔH y ΔS no varían en este intervalo de temperaturas. 5.- Sabiendo que ΔHºf (CO)= - 26,6 y ΔGºf (CO)= - 32,8Kcal/mol ΔHºf (CO2) = - 94,0 Kcal/mol, y ΔGºf (CO2) = - 93,4Kcal/mol. Calcula, en condiciones estándar: a) ΔHºreacción. Es la reacción exotérmica? Razónalo b) ΔGºreacción, En qué rango de temperaturas es espontanea? Razónalo c) ΔSºreacción. 6.- Para la siguiente reacción de sustancias gaseosas: A (g) + B (g) ) AB (g), si se conoce que su variación de entalpía es -81 KJ y su variación de entropía es igual a -180J/K a) Explica la importancia de la temperatura sobre la espontaneidad de las reacciones.

3 b) Calcula en qué intervalo de temperatura se puede trabajar para que la reacción sea espontanea. c) Qué significan los signos negativos de ΔH y ΔS? 7.- Porqué se dice que en el cero absoluto de temperatura, cualquier reacción exotérmica será espontanea? 8.- Determina si es espontanea, en condiciones normales, la reacción 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 4 NO (g) + 6 H 2 O (l) Compuesto ΔHºf ( KJ / mol) Sº ( J / mol. K-1) NH3(g) - 46, H2O(l) - 285,8 69,9 NO(g) 90,25 210,7 O2(g) 0,0 205,0 9.- Para la reacción: C 2 H 5 OH + O 2 (g) CH 3 COOH + H 2 O disponemos de los siguientes datos: ΔH = KJ ; ΔH = KJ Sustancia Sº (J/K.mol) ΔHºf (KJ/mol) C2H5OH 160,7-277,6 CH3COOH 159,8-487,0 H2O 70,0-285,8 O2(g) 205,0 - a) Indicar si la reacción es exotérmica o endotérmica y si se produce un aumento o disminución de entropía. b) Calcular ΔGº a 298 K e indicar si la reacción es espontánea. Puede influir la temperatura en la espontaneidad? Sol: ΔGº = - 454,7 KJ; espontánea; si ya que es negativa; Si pues

4 al ser ΔG = ΔH -T. ΔS; la temperatura influye en el valor de ΔG A partir del diagrama de la figura adjunta razona: a) Cuáles de los procesos, I, II y III representan, respectivamente, la combustión del propano y la reacción de formación a presión constante de sus elementos? b) Cuánto vale el calor de formación a presión constante (entalpía de formación) del propano a partir de sus elementos? Es un proceso exotérmico ó endotérmico? c) Conociendo que el calor de combustión de 1mol de hidrógeno gas para dar agua líquida desprende 68,3 Kcal/mol, cuánto vale la entalpía de formación del CO 2 (g) a partir de sus elementos? Es un proceso endotérmico ó exotérmico? d) Sabiendo que las entropías molares estándar del C 3 H 8(g), O 2(g), CO 2(g) y H 2 O (l) son, respectivamente, 172, 205, 214 y 70 J.mol -1.K -1, calcule si la reacción del proceso II será espontánea a 150ºC Industrialmente, el metanol se obtiene por hidrogenación catalítica del monóxido de carbono. Calcular ΔG de esta reacción. Es espontánea esta reacción? Datos: Valores de energías libres de formación, ΔG º, de los siguientes compuestos f en KJ/mol: CO = -137,3, Metanol (CH OH) (l) = -166,3 (g) 3

5 12.- Para la vaporización del agua, se tiene que: ΔH = 44,01KJ/mol y ΔS = 117,9J/mol.K a 298 K y 1 atm. Calcular: a) La energía libre de vaporización del agua en dichas condiciones. b) La temperatura a la cual el agua líquida estará en equilibrio con su vapor a la presión de una atmósfera. C) Entalpias de enlace 1.- Calcular la entalpía de enlace de la reacción: CH 3 -CO-CH 3 (g) + H 2 (g) > CH 3 -CHOH-CH 3 Las entalpias de enlace son: H-H= 436; C-H=414; O-H= 464; C-O=351; C=O: 736 Todos en KJ. 2.- Determina la entalpía normal de formación del metano, con los siguientes datos: ΔH 0 sublimación [C(g)] =716,7 kj/mol; E enlace [H H] = 436,4 kj/mol; E enlace [C H] = 415,3 kj/mol. 3.- Calcula la entalpía de hidrogenación del etileno para formar etano, según la reacción: CH 2 =CH 2 + H 2 CH 3 CH 3 a partir de los datos de la tabla adjunta. Energías medias de enlace (kj/mol) Enlace Energía Enlace Energía H H 436 C=C 610 C H 415 C=N 615 C C 347 C N 285 C O 352 O=O A partir de las siguientes energías de enlace: (E e ) (C-H) = 415,3 kj/mol; (Cl-Cl) = 243,8 kj/mol; (C-Cl) = 327,8 kj/mol; y (Cl-H) = 432,4 kj/mol, determinar la entalpía normal de reacción del proceso:

6 CH 4 (g) + Cl 2 (g) CH 3 Cl (g) + HCl(g). 5.- El proceso Deacon para la obtención de cloro gaseoso se basa en hacer reaccionar cloruro de hidrógeno y oxígeno gaseosos. a) Formula la ecuación ajustada, sabiendo que además de cloro se obtiene también vapor de agua; b) determina la variación de entalpía por mol de cloro formado, interpretando el resultado obtenido, a partir de los valores siguientes de las energías de enlace: Entalpía de enlace H Cl: 432 kj mol l ; O=O: 499 kj mol l ; Cl Cl: 243 kj mol l ; O H: 460 kj mol l D) Estequiometría y 1.- La gasolina realmente es una mezcla compleja de hidrocarburos, pero vamos a considerarla como si estuviera formada exclusivamente por hidrocarburos saturados de fórmula C 8 H 18. a) Escribe la reacción de combustión de la gasolina. b) Calcula la cantidad de energía, en kilojulios, que se desprenderá en la combustión de 40 kg de gasolina. Sol: -1, kj c) Calcula la masa de CO 2, en kilogramos, que se desprende a la atmósfera en esa combustión. Sol: 123,5 kg de CO 2 Datos: Masas atómicas: C = 12; O = 16. H 2 O (g) = kj/mol; CO 2 (g) = kj/mol; C 8 H 18 (l) = kj/mol 2.- El benceno líquido, C 6 H 6, puede obtenerse, a la presión de 15 atm y 25ºC, a partir de etino o acetileno gas, C 2 H 2, mediante la reacción no ajustada: C 2 H 2 (g) C 6 H 6 (l) La variación de entalpía que se produce en este proceso es de 631 kj/mol. Calcula: a) La entalpía molar de la reacción de combustión del C 6 H 6 (l) si la entalpía molar de combustión del C 2 H 2 (g) es 1302,1 kj/mol. Sol: ,3 kj b) El volumen de etino, medido a 25ºC y 0,5 atm, necesario para obtener 0,25 l de benceno. Sol: V = 445,71 l de C 2 H 2 Datos: R = 0,082 atm l /mol K; densidad del benceno = 0,95 kg/l. Masas atómicas: C = 12; O = 16; H = 1

7 3.- Sabiendo que la combustión de 1 g de TNT libera 4600 kj y considerando los valores de entalpías de formación que se proporcionan, calcula: a) La entalpía estándar de combustión del CH 4. Sol: kj b) El volumen de CH 4, medido a 25ºC y 1 atm de presión, que es necesario quemar para producir la misma energía que 1 g de TNT. Sol: 140 l Datos: H 2 O (g) = kj/mol; CO 2 (g) = kj/mol; CH 4 (g) = - 75 kj/mol 4.- Las entalpías de formación estándar del CO 2, H 2 O y C 3 H 8 son respectivamente, - 393,5; - 285,8 y 103,852 kj mol -1. a) Escribe la reacción de combustión del propano. b) Calcula la entalpía estándar de combustión del propano. Sol: kj c) Determina la masa de este gas necesaria para obtener 1000 kg de óxido de calcio por descomposición térmica de carbonato cálcico si: CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) Hº = 178,1 kj Datos: Masas Atómicas: Ca = 40 ; C = 12 ; O = 16. Sol: 63,2 kg 5.- En un horno de obtención de cal, CaO, se utiliza propano como combustible. a) Escribe la reacción de combustión del propano y calcula el calor de combustión del mismo. Sol: Hº c = kj b) En el horno se produce la reacción: CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) ; H = 179 kj Si el rendimiento del proceso es del 40%, calcula la cantidad de propano que hay que quemar para descomponer 100 kg de carbonato de calcio. Datos: Masas Atómicas: C = 12; O = 16 ; H = 1; Ca = 40. Hº f (H 2 O) (g) = - 285,8 kj/mol; Hº f (CO 2 ) (g) = - 393,8 kj/mol; Hº f (C 3 H 8 ) (g) = - 103,6 kj/mol. Sol: 201,7 moles <> 8875 g de C 3 H 8

8 6.- El Trinitrotolueno (TNT), C 7 H 5 (NO 2 ) 3, es un explosivo muy potente que presenta como ventaja frente a la nitroglicerina su mayor estabilidad en caso de impacto. La descomposición explosiva del TNT se puede representar mediante la siguiente ecuación: 2 C 7 H 5 (NO 2 ) 3 (s) 7 C (s) + 7 CO (g) + 3 N 2 (g) + 5 H 2 O (g) a) Calcula el calor producido al explotar 2,27 kg de TNT. Sol: 6260 kj b) Calcula el volumen total (en litros) ocupado por los gases liberados en dicha explosión a 500ºC y 740 mm Hg. Sol: 651 litros Datos: Masas Atómicas: H = 1; C =12; O =16; N =14. R = 0,082 atm l/mol K; 1 atm = 760 mm Hg. Hº f [(H 2 O)] (g) = - 241,6 kj/mol; Hº f [(CO)] (g) = - 110,3 kj/mol; Hº f [TNT] (s) (g) = - 364,1 kj/mol. E) Ley de Hess 1.- La combustión del acetileno, C 2 H 2 (g), produce dióxido de carbono y agua. a) Escribe la ecuación química correspondiente al proceso. b) Calcula el calor molar de combustión del acetileno y el calor producido al quemar 1,00 kg de acetileno. Sol:- 4, kj Datos: H 2 O (g) = - 241,8 kj/mol; CO 2 (g) = - 393,5 kj/mol; C 2 H 2 (g) = + 223,75 kj/mol. 2.- Determina la variación de entalpía y entropía para la combustión del etanol. C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O (l) Datos: C 2 H 5 OH (l) H 2 O (l) CO 2 (g) O 2 (g) Hº f (kj/mol) - 277,7-285,8-393,5 - Sº (J mol -1 K -1 ) 160,7 69,9 213,6 205 Sol: Hº r = ,7 kj ; Sº r = - 138,8 J K -1

9 3.- Las entalpías estándar de formación de propano (g), de dióxido de carbono(g) y de agua (l) son 103,75 kj/mol, - 393,7 kj/mol y 285,9 kj/mol, respectivamente. a) Escribe las reacciones químicas ajustadas correspondientes a los procesos de formación de dichas sustancias para los valores de entalpías dados. b) Calcula el calor correspondiente a la combustión de 26 gramos de propano e indica el volumen de dióxido de carbono formado en dicha combustión así como la masa de oxígeno consumida, medidos en condiciones normales. Justifica si se desprende o se absorbe calor en el proceso. Datos: Masas atómicas relativas: C = 12; O = 16; H =1. Sol: Hº r = kj ; V = 39,6 l ; m = 283,2 g 4.- Calcular la entalpía de formación del metano, CH4 (g), a partir de las entalpías de formación del CO2 y H2O (l) y del valor de la entalpía de combustión del metano. Datos: ΔH (CO 2) (g) = -390 KJ/mol; ΔH H2O ( l ) = -280 KJ/mol ΔH Combustión CH4 ( g ) = - 890KJ/mol 5.- Calcula el calor de formación del ZnO (s) a partir de los datos siguientes: H 2 SO 4 (l) + Zn(s) ZnSO 4 (s) + H 2 (g) ΔH = - 334,8 KJ O 2 (g) + 2H 2 (g) 2H 2 O (l) ΔH = KJ 1 H 2 SO 4 (l) + ZnO (s) ZnSO 4 (s) + 2H 2 O (l) ΔH = - 211,2 KJ 6.- Calcula la entalpía estándar de la reacción de síntesis (ΔHº f ) del CS 2 (l), a partir de sus elementos C y azufre, S, conociendo estos (grafito) (s) datos: 1) C (grafito) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔHº 1 = - 393,5 KJ 2) S (s) + O 2 (g) SO 2 (g) ΔHº 2 = - 296,1 KJ 3) CS 2 (l) + 3 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 SO 2 (g) ΔHº 3 = KJ 7.- En algunos países, se utiliza el etanol, C 2 H 5 OH (l), como sustituto de la gasolina en los motores de los automóviles. Suponiendo que la gasolina está compuesta únicamente por octano, C 8 H 18 (l). a) Calcula la variación de entalpía (en KJ/mol) para la combustión completa del etanol y del octano (en ambos casos solo se produce el gas dióxido de carbono y agua líquida).

10 b) En cuál de las dos combustiones se produce más calor por kilogramo de etanol quemado? Datos: Masas atómicas de los elementos (g/mol): C = 12; O =16; H =1 Sustancias H 2 O (l) CO 2 (g) C 2 H 5 OH (l) C 8 H 18 (l) Entalpías (KJ/mol) -285,8-393,5-277,7-249,9 8.- Las plantas verdes sintetizan glucosa mediante la siguiente reacción de fotosíntesis: 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) ΔHº = 2813 KJ/mol a) Calcular la energía necesaria para obtener 1 g de glucosa. b) Calcular la entalpía de formación de la glucosa y justifica su signo. Datos: ΔHºf (CO 2 (g) ) = - 393,5 KJ/mol ΔHºf (H 2 O(l) ) = - 285,5 KJ/mol 9.- Calcular la entalpía de la reacción de fermentación de la glucosa: C 6 H 12 O 6(s) 2 CH 3 CH 2 OH (l) + 2 CO 2(g) ΔH =? Sabiendo que su entalpía normal de formación es ΔH º = KJ/mol f Datos: Valores de entalpías de formación de los siguientes compuestos en KJ/mol: ΔH f (CH 3 CH 2 OH (l) ) = - 277,6; ΔH f (CO 2(g) ) = - 393,5.