Problemas de Química General Curso de C. Químicas Grupo 911 Hoja 6

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1 Problemas de Química General Curso de C. Químicas Grupo 911 Hoja 6 1. A partir de los datos sobre las reacciones que se dan seguidamente, determinar la entalpía de reacción estándar para el proceso cuya ecuación sin ajustar completamente es: a CO(g) + b H 2 (g) c CH 4 (g) + d CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) C(grafito) + 1 O 2 2(g) CO(g) H = kj CO(g) + 1 O 2 2(g) CO 2 (g) H = kj H 2 (g) + 1 O 2 2(g) H 2 O(l) H = kj C(grafito) + 2 H 2 (g) CH 4 (g) H = kj CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) H = kj Sol. 4 CO(g) + 8 H 2 (g) 3 CH 4 (g) + CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) H = kj mol 1. Nota: En este ejercicio y los siguientes similares a éste, el mol 1 se refiere a mol de grado de avance de la reacción. Se puede omitir en las unidades de H. 2. Determinar la entalpía de reacción para el proceso: a N 2 H 4 (l) + b H 2 O 2 (l) c N 2 (g) + 4 H 2 O(l) a partir de los datos siguientes: N 2 H 4 (l) + O 2 (g) N 2 (g) + 2 H 2 O(l) H = kj H 2 (g) + 1 O 2 2(g) H 2 O(l) H = kj H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O 2 (l) H = kj Sol. N 2 H 4 (l) + 2 H 2 O 2 (l) N 2 (g) + 4 H 2 O(l) H = kj mol El tetracloruro de carbono es un disolvente comercial importante que se prepara por reacción de cloro gaseoso con el sulfuro de carbono. Determinar H para la reacción: a CS 2 (l) + b Cl 2 (g) c CCl 4 (l) + S 2 Cl 2 (l) usando los datos apropiados de la siguiente tabla: CS 2 (l) + 3 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 SO 2 (g) H = kj 2 S(s) + Cl 2 (g) S 2 Cl 2 (l) H = 58.2 kj C(s) + 2 Cl 2 (g) CCl 4 (l) H = kj S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) H = kj SO 2 (g) + Cl 2 (g) SO 2 Cl 2 (l) H = kj C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) H = kj CCl 4 (l) + O 2 (g) COCl 2 (g) + Cl 2 O(g) H = 5.2 kj Sol. CS 2 (l) + 3 Cl 2 (g) CCl 4 (l) + S 2 Cl 2 (l) H = kj mol 1 4. Una importante fuente de hidrógeno comercial es la reacción: a CH 4 (g) +b O 2 (g) c CO(g) + 2 H 2 (g) Determinar la entalpía para esa reacción a partir de los siguientes datos: CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) CH 4 (g) + CO 2 (g) 2 CO(g) + 2 H 2 (g) CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g) + 3 H 2 (g) Sol. CH 4 (g) + 1 O 2 2(g) CO(g) + 2 H 2 (g) H = kj mol 1 H = 802 kj H = +247 kj H = +206 kj

2 5. Los calores de combustión ( H) por mol de 1,3-butadieno [C 4 H 6 (g)], butano [C 4 H 10 (g)] y H 2 son , y kj respectivamente. Calcular la entalpía de hidrogenación del 1,3-butadieno a butano: Sol. C 4 H 6 (g) + 2 H 2 (g) C 4 H 10 (g) a C 4 H 6 (g) + b H 2 (g) C 4 H 10 (g) H = kj mol 1 6. El metabolismo de la glucosa, C 6 H 12 O 6, da CO 2 (g) y H 2 O(l) como productos. El calor liberado en el proceso se convierte en trabajo útil con una eficiencia de aproximadamente el 70%. Calcular la masa de glucosa metabolizada por una persona de 58.0 kg al escalar a una montaña con una ganancia en altura de 1450 m. Suponer que el trabajo realizado para escalar es alrededor de cuatro veces el necesario para simplemente elevar 1450 m una masa de 58.0 kg. H 0 f de C 6H 12 O 6 es kj mol 1, y los calores de combustión del C(grafito) y del H 2 (g) son, respectivamente: kj y kj por mol de reactivo quemado. Sol. C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(g); H = kj mol 1 ; m glucosa = 302.5g 7. La entalpía estandar de combustión del gas propano líquido a 298 K es kj mol 1 y la entalpía estándar de vaporización del propano líquido a esa temperatura es 15 kj mol 1. Cuál es la entalpía estándar de combustión del propano gas a esa temperatura? Cuál es la energí interna de reacción? Sol. C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O(l) H = 2235 kj mol 1 ; U = 2228 kjmol 1 8. Calcular la entalpía estándar de reacción a 298 K para: 2 Ag + (ac) + Cu(s) Cu 2+ (ac) + 2 Ag(s) teniendo en cuenta que las entalpías estándar de formación de los iones Ag + y Cu 2+ son, respectivamente: kj mol 1 y kj mol 1. Sol. H = kj mol 1 9. A 298 K, la entalpía estándar de formación del AgCl(s) es kj mol 1. Si las entalpías estándar de formación de los iones Ag + y Cl son, respectivamente, kj mol 1 y kj mol 1, calcular la entalpía de disolución del AgCl(s). Sol. AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) H = kj mol La entalpía molar estándar de formación del agua a 298 K es kj mol 1. Si la capacidad calorífica C p del agua líquida es J K 1 mol 1, determinar el calor que se absorbe o desprende cuando se forma un mol de agua líquida a 99 C partiendo de oxígeno e hidrógeno gaseosos a 298 K, suponiendo que la presión permanece constante durante el proceso. Repetir el cálculo para agua formada a 1 C. Sol. H 99 C = kj mol 1, H 1 C = kj mol A partir de las siguientes entalpías de reacción: 4HCl(g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) + 2Cl 2 (g), H = kj mol 1 1 H 2 2(g) + 1F 2 2(g) HF(l), H = kj mol 1 encuentre la entalpía de la H 2 (g) + 1O 2 2(g) H 2 O(l), H = kj mol 1 reacción: 2HCl(g) + F 2 (g) 2HF(l) + Cl 2 (g). Sol. H = kj mol 1

3 12. La combustión de un mol de benceno líquido a 25 o C y 1 bar, para producir CO 2 (g) y H 2 O(l), libera 3267 kj de calor cuando los productos de encuentran a 25 C y 1 bar. Cuál es la entalpía estándar de formación del benceno líquido? Nota: busque las entalpías de formación del CO 2 y del H 2 O en unas tablas. Sol. H f = 49 kj mol Determinar la variación de entalpía y la variación de energía interna a 25 C de la reacción (no ajustada): N 2 H 4 (l) + H 2 O 2 (l) N 2 (g) + H 2 O(l) a partir de los siguientes datos: N 2 H 4 (l)+o 2 (g) N 2 (g)+2h 2 O(l), H = kj mol 1 y los calores de formación del agua y del agua oxigenada sacados de unas tablas. Sol. H = kj mol Buscar en una tabla las entalpías de formación (y, cuando proceda, de mbio de fase) de las sustancias que intervienen en las siguientes reacciones. A partir de ellos, hallar las entalpías normales de reacción a 298K y a 370K de las siguientes reacciones: (a) 2H 2 S(g) + 3O 2 (g) 2H 2 O(l) + 2SO 2 (g) C p = 73.8 J mol 1 (b) 2H 2 S(g) + 3O 2 (g) 2H 2 O(g) + 2SO 2 (g) C p = 9.63 J mol 1 (c) 2HN 3 (g) + 2NO(g) H 2 O 2 (l) + 4N 2 (g) C p = J mol 1 Ignorar la variación de las capacidades caloríficas con la temperatura. Nota: La entalpía de formación del HN 3 (g) es 300 kj mol 1. Sol. (a) H 298K = 1124 kj mol 1 ; H 370K = 1119 kj mol 1 ; (b) H 298K = 1036 kjmol 1 ; H 370K = 1037 kj mol 1 ; (c) H 298K = 968 kj mol 1 ; H 370K = 964 kj mol Un cubo de hielo de 54 cm 3 a -25 C se introduce en un recipiente aislado térmicamente con 400 mililitros de H 2 O(l) a 32 C. Cuál será la temperatura final del sistema cuando se alcance el equilibrio? En qué fase o fases estará el sistema? Calores específicos: H 2 O(s) = 2.01 J g 1 C 1 ; H 2 O(l) = 4.18 J g 1 C 1. Densidades: H 2 O(s) = g cm 3 ; H 2 O(l) = g cm 3. H fus = kj g 1. Sol. T f = 18.3 C 16. Cuántos litros de CH 4 (g), medidos a 25 C y 768 torr, deben quemarse para proporcionar el calor necesario para vaporizar 3.78 litros de agua a 100 C? H combustion CH4 = kj mol 1. Para el H 2 O(l) a 100 C: ρ = g cm 3 y H vap = 40.7 kj mol 1. Sol. V = 220L 17. El calor molar de vaporización del Ar en el punto normal de ebullición (87.3K) es 1.56 kcal/mol. a) Calcular S cuando se vaporiza 1.00 mol de Ar a 87.3K y 1 atm. b) Calcular S cuando se condensan 5.00 g de Ar gaseoso a líquido a 87.3K y 1 atm. Sol. (a) S vap = 17.9 calk 1 = 74.8 J K 1 ; (b) S cond = 2.23 cal K 1 = 9.36 J K El calor específico del agua es prácticamente constante a 1.00 cal/(g C) en el intervalo de 25 C a 75 C a 1 atm. Calcular S para el calentamiento reversible de 100 g de agua desde 25 C a 50 C y desde 50 C a 75 C. Sol. (a) 33.7J K 1 ; (b) 31.2J K El punto de ebullición del CO 2 es 227 K a la presión de 8.00 bar. Calcular el cambio de entropía cuando 20.0 g de CO 2 se calientan de forma reversible a la presión constante de 8.00 bar desde 222 K hasta 232 K. Datos: H ebull,227 = 14.6 kj mol 1, C P,m (l) = 87.0 J mol 1 K 1, C P,m (g) = 42.7 J mol 1 K 1. Sol. 30.5J K 1

4 20. Consulte las tablas de datos termodinámicos y calcule el cambio de entropía estándar para las siguientes reacciones a 25 C y 1 bar: a) S(s) + O 2 (g) SO 2 (g) b) MgCO 3 (s) MgO(s) + CO 2 (g) c) H 2 (g) + CuO(s) Cu(s) + H 2 O(g) d) 2Al(s) + 3 SnO(s) Al 2 O 3 (s) + 3Sn(s) e) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) Sol. (a) J K 1 ; (b) 175 J K 1 ; (c) 48.5 J K 1 ; (d) 21 J K 1 ; (e) J K Sin consultar las tablas prediga el signo del cambio de entropía para las siguientes reacciones: a) PCl 3 (l) + Cl 2 (g) PCl 5 (s) b) 2HgO(s) 2Hg(l) + O 2 (g) c) H 2 (g) 2H(g) d) U(s) + 3 F 2 (g) UF 6 (s) Sol. (a) S < 0; (b) S > 0; (c) S > 0; (d) S < Halle S a 370 K para la reacción 2 H 2 S(g) + 3 O 2 (g) 2 H 2 O(g) + 2 SO 2 (g). Ignore la variación de las capacidades caloríficas con la temperatura. Datos: S 298 = J K 1 ; C P reaccion = J K 1 ; Sol. S 370 = J K El punto de ebullición normal de la acetona es 56.2 C y su entalpía de vaporización es H vap = 25.5 kj mol 1. A qué temperatura tiene una presión de vapor de 375 torr? Sol. 306 K 24. El punto de ebullición normal del etanol es 78.3 C, y a esa temperatura H vap = 38.9 kj mol 1. Hasta qué valor es necesario reducir la presión si se quiere que el etanol hierva a 25.0 C en una destilación a presión reducida? Sol P (69.5 torr si P = 1 bar) 25. Algunos valores de la presión de vapor del Hg(l) son t/ C P/torr (a)determinar la entalpía de vaporización en ese intervalo de temperatura; (b) determinar la presión de vapor a 160 C; (c) estimar el punto de ebullición normal del Hg. Sol. H vap = 61.3 kj mol 1; P 433K = 4.21torr; T fus ) = 623K 26. Dadas las siguientes capacidades caloríficas molares a presión constante: C p,m (propano líquido) = 39.0 J K 1 mol 1 ; C p,m (H 2 O líquida) = 75.5 J K 1 mol 1 ; C p,m (O 2 gas) = 29.3 J K 1 mol 1 ; C p,m (CO 2 gas) = 37.1 J K 1 mol 1, y teniendo en cuenta el resultado del problema 7, calcular la variación de entalpía para la combustión del propano líquido a 308 K. Sol. H 308K = 2218 kj mol Las capacidades caloríficas de los gases pueden ajustarse con bastante precisión a una expresión de la forma: C p,m = a + b T + c/t 2 A partir de la siguiente tabla, determinar la diferencia entre la entalpía de combustión del C(grafito) a 298 K y a 315 K. a/j K 1 mol 1 b/j K 2 mol 1 c/j K mol 1 C(grafito) O 2 (g) CO 2 (g)

5 Sol. H 315K H 298K = 0.88 kj mol 1