Problemas resueltos = =

Transcripción

1 Química General. Curso º Problemas resueltos. Sabiendo que la constante de equilibrio para la reacción entre el ácido acético y el etanol es 4, calcular las composiciones del equilibrio cuando se parte de: a) moles de alcohol y mol de ácido; b) moles de éster, 0 moles de alcohol y mol de agua. Resp. a),55 M acético, 0,55 M etanol, 0,845 M éster y agua. a) El equilibrio correspondiente a la reacción indicada es: H 3 C COOH + C H 5 OH H 3 C COO C H 5 + H O Moles iniciales: 0 0 Moles reaccionan: - x - x + x + x Moles equilibrio x x x x Aplicando la expresión de la constante de equilibrio a dicha reacción tendremos: [H 3 C - COO - C H 5 ] [H O] x x Kc [H 3 C - COOH] [C H 5 OH] ( - x) ( - x) 4 x - 3x + Resolviendo la ecuación de º grado que se obtiene, resulta x 0,845 moles Como no nos indica el volumen, para poder calcular las composiciones de cada una de las especies presentes en el equilibrio suponemos que V L., con lo que tendremos que: [H 3 C COOH] x 0,845 0,55 moles / L 0,55 M [C H 5 OH] x 0,845,55 moles/ L,55 M. [H 3 C COO C H 5 ] [H O] x 0,845 moles/ L 0,845 M b) Si ahora partimos de moles de éster, 0 moles de alcohol y mol de agua, es planteamiento ha de tener en cuenta que ahora el agua y el éster reaccionan para dar alcohol y ácido, es decir, la reacción se desplazaría hacia la izquierda. H 3 C COOH + C H 5 OH H 3 C COO C H 5 + H O Moles iniciales: 0 0 Moles reaccionan: + x + x - x - x Moles equilibrio x 0 + x x x Volvemos a aplicar la expresión de la constante de equilibrio: [H 3 C - COO - C H 5 ] [H O] ( - x) ( - x) x - 3x + Kc 4 [H 3 C - COOH] [C H 5 OH] x (0 + x) 0 x + x De donde resulta que: x 0,046 moles (suponemos V L) y tendremos que: [H 3 C COOH] x 0,046 0,046 moles / L 0,046 M [C H 5 OH] 0 + x 0 + 0,046 0,045 moles/ L 0,046 M. [H 3 C COO C H 5 ] x,954 moles/ L,954 M [H O] x 0,046 0,954 moles/ L 0,954 M.. A 7ºC y atmósfera, el N O 4 está disociado un 0% en NO. Determinar: a) el valor de K p ; b) El porcentaje de disociación de una muestra de 69 g de N O 4 confinado en una vasija de 0 litros, a 7ºC. Resp. a) 0,67 atm; b) %. a) En el equilíbrio correspondiente a la disociación hemos de tener en cuenta que se disocia en un 0%, por lo cual debemos expresar las concentraciones en función de grado de disociación ( ): El equilibrio de disociación es pues:

2 Sustituyendo valores nos queda: 4.(0,) Kp - (0,) x 0,67 Facultad de Ciencias del Mar Química General. Curso º N O 4 (g) NO (g) Moles iniciales; n 0 0 Moles reaccionan: - n 0 n o Moles equilíbrio: n o n o n o ( ) n o Como vamos a proceder al cálculo de K p, haremos uso de la expresión de las presiones parciales que a su vez vienen dadas en función de las fracciones molares, por lo cual se recomienda calcular el número todal de moles. Nº total de moles n T n o ( ) + n o n o ( + ) Las presiones parciales de cada uno de los componentes de la mezcla viene dada por: PN O 4 N O 4. n 0( - ) ( - ). n 0 ( + ). ( + ) PNO NO. Sustituyendo en la expresión de K p : ( + ) Kp (P NO ) PN O 4 ( - ( + ) n 0 n 0 ( + ).... ( + ) 4 ( - )( + ) 4 ( - ). b) En este caso partimos de 69 g de N O 4 que ocupan un volumen de 0 L a 7 ºC. Como conocemos la cantidad inicial, el número de moles es: n 0 69 g 9 g/mol 0,75 moles El equilibrio de disociación es: N O 4 (g) NO (g) Moles iniciales; n 0 0 Moles reaccionan: - n 0 n o Moles equilíbrio: n o n o n o ( ) n o n total n o ( + ) Necesitamos obtener cual será la presión total en las nuevas condiciones: P total x V n total x R x T Sustituyendo valores nos queda: P total x 0 n o ( + ) x 0,08 x 300 Despejando nos queda que: P total 0,95 ( + ) atm. Al igual que en el apartado a) sustituimos las expresiones de las presiones parciales en la expresión de K p y nos queda: 4 Kp. 4 ( - ) ( + ) ( - ) ( + ) 0,95 ( + ) Resultado: Kp 3,69 0,67 ( - ) Ya que como las condiciones de temperatura son las mismas el valor de K p no varía. Despejando nos queda entonces que: 0,93, es decir se ha disociado un 9,3 %.

3 Química General. Curso º 3. A 690 K, la K p del equilibrio CO + H O CO + H vale 0, y el calor de reacción (ΔHº) es -4,68 KJ/mol. Determinar la presión de cada uno de los gases en el estado de equilibrio, si se parte de 0,4 moles de CO y 0, moles de H O en un reactor de 5 litros que opera a 500 K. Resp.,6 atm de CO y de H,,649 atm de CO, 9,5 0-3 atm de H O. Como nos piden presión de los gases en el equilibrio a 500 K habrá que calcular el valor de K p a esa temperatura, para lo cual hacemos uso de la ecuación de Vant hoff. Resultando que: Kp Ho Kp R De donde resulta que: K p 69, Una vez conocida la constante de equilibrio procedemos al plantear el equilibrio: CO (g) + H O (g) CO (g) + H (g) Moles iniciales: 0,4 0, 0 0 Moles reaccionan: - x - x + x + x Moles equilbrio: 0,4 x 0, x x x Como trabajamos con presiones parciales es necesario el número total de moles que es: N total 0,4 + 0, moles La presión total será: P total x V n total x R x T, sustituyendo: P total x 5 (L) x 0,08 x 500 De donde resulta que: P total 4,9 atm. Las presiones parciales de cada una de las especies presentes son: Sustituyendo en la expresión de K p : Kp De donde resulta: x 0,988 moles. Por lo tanto las presiones parciales serán: PCO 0,4 - x,6498 atm 0, - x PH O 9, atm x PCO PH,63 atm T T - 46,8 8,3.0-3 Kp,88 de donde K p Kp 5,3 PCO 0,4 - x 0, - x PH O x PCO PH 0, - x x 0,4 - x x x - x + 0,08 69,

4 Química General. Curso º 4. La presión de disociación del NH 4 Cl, según la reacción NH 4 Cl (s) HCl (g) + NH 3 (g), es de 40 mm de Hg a 45ºC y 400 mm de Hg a 37ºC. a) Calcular el calor de reacción correspondiente a dicho proceso; b) Si se introduce un exceso de NH 4 Cl en un recipiente que contiene atmósfera de NH 3 a 45ºC, calcular las presiones parciales de HCl y NH 3 a esa temperatura. Resp. a) Cal; b) 6,9 0-4 atm de HCl y,00069 atm de NH 3. Solución a) Nos piden el calor de reacción del proceso de disociación del cloruro de amonio. La expresión que nos relaciona el calor de reacción (entalpía de reacción) con las constantes de equilibrio es la Ecuación de Van t Hoff. Como nos dan la presión de disociación del NH 4 Cl a distintas temperatura, P disociación (NH 4 Cl) 40 mm de Hg (a 45 ºC 58 K) P disociación (NH 4 Cl) 400 mm de Hg (a 37 ºC 580 ºK). El equilibrio es: NH 4 Cl (s) NH 3 (g) + HCl (g) Moles iniciales: exceso 0 0 Moles reaccionan: - x + x + x Moles equilibrio: exceso x x Teniendo en cuenta que por cada mol de NH 4 Cl disociado se forman igual cantidad de reactivos, podemos considerar que en el equilibrio: P HCl P NH3 y por lo tanto tendremos que: P disociación P total P HCl + P NH3 y como ambas presiones son iguales, P disociación P HCl P NH3, es decir: P HCl P NH3 P disociación / Hecha esta aproximación procedemos a calcular las constante K p a las diferentes temperaturas: T 58 K, tendremos: P (HCl) P (NH3) P disociación / 40/ 0 mm de Hg Luego entonces: K p P HCl x P NH3 (0) 400 T 590 K, tendremos: P (HCl) P (NH3) P disociación / 400/ 00 mm de Hg De igual forma: K p P (HCl) P (NH3) (00) Sustituyendo en la Ecuación de Vant Hoff: Kp Kp Ho R T T Sustituyendo valores: (-,987). Ho de donde: Ho b) Si tenemos atm de NH 3 y se le añade un exceso de NH 4 Cl el equilibrio de disociación es: : NH 4 Cl (s) NH 3 (g) + HCl (g) Moles iniciales: exceso 0 Moles reaccionan: - x + x + x Moles equilibrio: exceso x + x Como ahora conocemos Kp a 58 K, cuyo valor vamos a calcular en atm, teniendo en cuenta que las presiones serían P HCl P NH3 0 mm Hg 0,0636 atm, y por tanto el valor de la constante es: K p P HCl x P NH3 (0,0636) 6, Si ahora lo aplicamos al caso que estamos tratando tenemos que: K p P HCl x P NH3 x ( + x) x + x 6, Resolviendo la ecuación de º grado nos da: x 6,9.0-4 atm. Luego las presiones son: P(HCl) x 6,9.0-4 atm P(NH 3 ) + x,00069 atm. R. T cal/mol 39, kcal/mol Kp Kp T

5 Química General. Curso º 5. El cloro puede obtenerse en la industria mediante el proceso Deacon, en el que se quema en un recipiente una mezcla gaseosa de ácido clorhídrico y oxígeno, originando como producto adicional vapor de agua. a) Si en un recipiente a 390 C y atmósfera se mezclan 0,08 moles de HCl y 0,00 moles de O, y se forman 0,033 moles de cloro, calcular el valor de K p y K c ; b) Cuál es el rendimiento del proceso?. Resp. a) K p 69,58 atm -, K c,798 M - ; b) 83%. a) El proceso Deacon consiste en el siguiente equilibrio: 4 HCl + O Cl + H O Moles iniciales 0,08 0, Moles reaccionan: - 4x - x + x + x Moles equiilibrio: 0,08 4x 0,00 x x x El número total de moles presentes en el equilibrio es: n total 0,08 4x + 0,00 x + x + x 0,8 x Si tenemos en cuenta que según el enunciado se forman 0,033 moles de cloro tendremos que: x 0,033, de donde x 0,033/ 0,066 moles Por lo tanto el número de moles de cada compuesto presente en el equilibrio es: n (HCl) 0,08 4x 0,08 4 (0,066) 0,036 moles n (O ) 0,00 x 0,0834 moles n(h O) n (Cl ) x (0,066) 0,033 moles n total 0,8 x 0,8 0,066 0,634 moles Conocidos los moles de cada compuesto hemos de conocer el volumen que ocupan para poder calcular las concentraciones. Para ello tenemos que: P x V n x R x T, sustituyendo valores: x V 0,634 x 0,08 x 663 Resultado que el volumen es: V 8,8834 litros Conocido el volumen total las concentraciones de cada una de las especies es: [Cl ] [H O] 0,033/8,8834 3, M [HCl] 0,036/8,8834, M [O ] 0,0834/8,8834 9, M Conocidas las concentraciones aplicamos la expresión de K c y tendremos que: [Cl ] [H O] Kc (3,74.0-3) (3,74.0-3) 380,4 [HCl]4 [O ] (,53.0-3)4 (9,39.0-3) Conocido K c podemos calcular K p haciendo uso de la expresión que relaciona las dos constantes: K p K c (RT) n suponiendo todas las especies en estado gaseoso: n Luego nos queda que: K p 380,4 (0,08.663) - 69,94. También se podría haber resuelto este apartado calculando las presiones parciales de cada compuesto presente en el equilibrio y calcular primero K p y después procediendo de igual forma obtener K c. En ese caso sería: PCl PH O 0,033 0,634 P total 0,036 PHCl 0,634 0,0834 PO 0,634 Sustituyendo en la expresión de K p tendremos que: Kp P Cl. P H O P4 HCl. PO 0,033 0,634 P total 0,036 0,634 0,033 0,634 4, ,0834, ,6 0,634

6 Química General. Curso º Conocido K p podemos calcular K c haciendo uso de la expresión que relaciona las dos constantes: K p K c (RT) n suponiendo todas las especies en estado gaseoso: n Luego nos queda que: 70,6 K c (0,08.663) -, de donde resulta que: K c 384,3 b) Para calcular el rendimiento del proceso, en primer lugar tenemos que proceder al cálculo del rendimiento teórico. Como partimos de cantidades conocidas de los dos reactivo, tendremos que calcular el reactivo limitante. Según la estequiometría por cada mol de O se requieren 4 moles de HCl, si partimos de 0, moles de O nos harán falta entonces 0,4 moles de HCl, pero solo disponemos de 0,08 moles de HCl, por lo tanto el reactivo limitante es el HCl. Por lo tanto tomaremos la cantidad de HCl como referencia para calcular la cantidad de Cl teórica.entonces tendremos que: n (Cl ) n (HCl) x moles de Cl 0,08 x 0,04 moles de Cl 4 moles de HCl 4 Se obtienen 0,04 moles de Cl por cada 0,08 moles de HCl que reaccionan, pasando esta cantidad a masa tendremos que la rendimiento teórico de Cl es: m (Cl ) n T x M 0,04 x 7,84 g de Cl Pero según los cálculos del equilibrio que hemos hecho, en realidad se obtiene 0,033 moles de Cl, cuya cantidad en gramos sería el rendimiento real: m (Cl ) n x M 0,033 x 7,3573 g de Cl Por lo tanto el rendimiento del proceso es: Rendimiento Rendimiento real Rendimiento teórico x 00,357,84 x %