Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 1 EQUILIBRIO QUÍMICO

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1 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 1 EQUILIBRIO QUÍMICO El equilibrio químico se puede dividir en: Homogéneos : si todas las sustancias se encuentran en el mismo estado físico. Heterogéneos : si las sustancias no se encuentran en el mismo estado. Todos estos equilibrios incluyen al agua como reactivo indispensable. De aquí que se hace necesario destacar los efectos que los iones del agua tienen sobre las propiedades de las soluciones acuosas. Los equilibrios más importantes son aquellos en los que intervienen los ácidos y las bases; generalmente el estado de equilibrio se alcanza en forma instantánea, por lo cual se puede usar la ley del equilibrio para calcular las concentraciones y cantidades de las diferentes sustancias en solución, lo que permite entender numerosas aplicaciones prácticas. TEORÍA ÁCIDO BASE A partir de las investigaciones de Levoisier, siglo XVIII, los químicos se habían ocupado de interpretar las propiedades de los ácidos y bases en términos de la composición elemental y la estructura molecular. 1.- Teoría de Arrhenius. La teoría de la disociación de Arrhenius intentó explicar las propiedades que presentaban algunas sustancias en solución acuosa, en particular, las sustancias ácidas y básicas. Acido es cualquier sustancia que aumenta la concentración de iones hidrógeno en solución acuosa y base, la que aumenta la concentración de iones hidroxilo. La teoría no puede explicar el comportamiento de algunas sustancias que no tienen el grupo hidroxilo y son capaces de actuar como bases. Por ejemplo: - Amoniaco en solución acuosa. NH 3 + H 2 O NH OH Teoría de Brönsted- Lowry (H + ) Definió al ácido como un donante de protones y a la base como aquella que acepta protones.

2 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 2 Ácido base conjugada HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - base ácido conjugado 3. Teoría de Lewis (e). Define ácido como toda sustancia capaz de captar un par de electrones y base como aquella que puede ceder un par de electrones. ACIDO Cl x Cl x ٠ B٠x Cl = BCl 3 BASE H x x x N x H = NH 3 x H IONIZACIÓN DEL AGUA El agua es una sustancia anfiprótica, es decir, puede actuar como ácido o como base. Teoría de Arrhenius (disociación): H 2 O H + + OH - Teoría de Brönsted Lowry (H + ): H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - K eq = [H 3 O + ] [OH - ] [H 2 O] 2 K eq * [H 2 O] 2 = [H 3 O + ] [OH - ] 2 K eq * [H 2 O] 2 = K w = 1 * = [H + ] [OH - ]

3 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 3 Constante del producto iónico del agua a la temperatura de 25ºC, K w para el agua pura, tiene el valor de 1 * K w no se aplica solamente al agua pura, sino también a cualquier solución acuosa a 25ºC. Sörensen introdujo el concepto de ph para expresar de manera cuantitativa la acidez y alcalinidad de las sustancias acuosas. ph = - log [H 3 O + ] poh = - log [OH - ] La escala va del 1 al 14, considerando al valor 7 como neutro, los valores entre 1 y los menores que 7 ácidos y los mayores que 7 alcalinos. Nótese que por cada unidad de ph que aumenta o disminuye, la concentración de H + aumenta o disminuye 10 veces, ya que es una escala logarítmica. Mediciones de ph - Papeles indicadores de ph papel tornasol rojo - Papel universal ( 1 a 14) papel tornasol azul - phmetro. - Colorimetría, mediante el uso de indicadores que están en forma de soluciones. - Cálculo teórico matemático, conociendo las concentraciones de los protones y de los iones hidroxilos se puede aplicar la definición de Sörensen. - Potenciometría, toma como base el calculo de diferencia de potencial. Medición del ph por colorimetría Se utilizan ciertos compuestos orgánicos (ácidos o bases débiles) que generalmente son coloreadas y tienen la propiedad de cambiar de color en presencia de

4 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 4 un ácido o una base, dentro de ciertos límites. A este cambio de color se le denomina viraje. A estas sustancias se les llama Indicadores de ph. HIn + H- O H H 3 O + + In - Color A ColorB K In = [ H 3 O + ] [In - ] [HIn] Esta expresión se puede reordenar de la siguiente manera: [H 3 O + ] = [HIn] = Color A K in [In - ] Color B Potenciometría Para la medición del ph por potenciometría se utilizan dos electrodos, uno denominado electrodo de referencia, que consiste en un electrodo de calomel saturado, y otro indicador, de vidrio. Este sistema necesita de una fuente de poder para funcionar. Es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones cuando se trabaja con este instrumento: - El electrodo de vidrio siempre debe estar sumergido en agua, de modo que la membrana de vidrio esté hidratada y pueda estar permeable y actuar selectivamente a los iones hidrógeno. - Antes de utilizar el instrumento debe efectuarse una calibración con una solución amortiguadora de ph conocido. EJERCICIOS 1. Escriba la expresión de K para cada una de las siguientes reacciones: a) 2NO 2 (g) 2NO(g) + O 2 (g) b) CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) c) 2H 2 S(g) + 3O 2 (g) 2H 2 O(g) + 2SO 2 (g) d) PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g)

5 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 5 e) MgCO 3 (g) MgO(g) + CO 2 (g) f) P 4 (g) + 3O 2 (g) P 4 O 6 (g) g) H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) 2. El pentacloruro de antimonio se descompone en fase gaseosa a 448 ºC según: SbCI 5 (g) SbCI 3 (g) + Cl 2 (g) Una mezcla de equilibrio en un matraz de 5 L Contiene 3,84 g de SbCI 5, 9,14 g de SbCI 3 y 2,34 g de C1 2. Calcule Kc a 448 ºC R.: 2,5 x Sea H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) Se mezclan 1 g de H 2 y 128 g de I 2 en un matraz de 10 L a 448 ºC, parte de la reacción vale 50.(K C ) a) Cuál es la Kp en 448 ºC? b) Cuál es la presión total en el matraz en equilibrio? e) Cuántos moles y gas de I 2 quedan sin reaccionar en el equilibrio? d) Cuál es la presión parcial de cada sustancia en la mezcla de equilibrios R: a) Kp = 50 b) 5,9 atm e) 0,11 moles I 2 d) P I2 = P H2 = 0,66 atm. P HI = 4,6 atm 4. Cuál será el efecto de disminuir la temperatura en cada uno de los siguientes equilibrios? a) H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) + 2,26 Kcal b) PCl 5 (g) + 92,5 Kcal PCl 3 (g) + Cl 2 c) 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) H = - 47,3 Kcal d) 2NOCI (g) 2NO(g) + Cl 2 (g) H = + 75 Kcal e) C(g) + H 2 O(g) Kcal CO(g) + H 2 (g) 5. Cuál será el efecto del aumento de un volumen sobre cada uno de los equilibrios? a) 2CO(g) + O 2 (g) 2CO 2 (g) b) 2NO(g) N 2 (g) + O 2 (g)

6 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 6 c) N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) d) Ni(g) + 4CO(g) Ni (CO) 4 (g) e) N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 6. Cuál sería el efecto sobre el equilibrio que produciría el cambio en cada caso? a) CO(g) + Cl 2 (g) COCI (g) añadir Cl 2 (g) b) CO(g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g) hacer presión c) PCl 3 (9) + Cl 2 (g) PCI(g) eliminar PCl 3 (g) d) 2PbS (g) + 3O 2 (g) 2PbO(g) + 2SO 2 (g) añadir O 2 e) 2PbS (g) + 3O 2 (g) 2PbO(g) + 2SO 2 (g) eliminar PbS (g) 7. Dado N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) H = -92 Kcal Cómo afectarán al equilibrio cada uno de los siguientes estímulos? a) Aumento de la temperatura b) Aumento de la presión c) Aumento de la concentración del NH 3 d) Aumento de la concentración del N 2 e) Adición de un catalizador EQUILIBRIO IONICO 1. Calcule la concentración de los iones constituyentes de las soluciones siguientes (las sales son cónicas solubles): a) HBr 0,10 M b) Sr(OH) 2 0,010 M c) 4 g de NaOH en 2 L de disolución d) 2,64 g de (NH 4 ) 2 SO 4 en 100 ml de disolución e) 43,8 g de CaCI 2 x 2H 2 Oen 4 L de disolución 2. Complete la siguiente tabla: R.: a)[h]= [Br]= 0,10 M b) Sr +2 = 0.010; [2 OH - ] = 0, 020 c) [Na + ] = [ OH - ] = 0,05 M d) 2[NH 4 + ] = 0,4 M ; [S0 4-2 ] = 0,2 M Disolución [H 3 O + ] [OH - ] ph poh HNO 3 0,015 M Ca(OH) 2 0,020 M R.: a) [H 3 O + ]= 0,015 M; [OH - ] = 6,67 x M; ph=1,82 poh =12,18 b) [H 3 O + ]= 2,5 x 10-3 M; [OH - ] = 0,040 M ; ph = 12,6 poh =1,4

7 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A Dado uno de los siguientes valores, calcule los otros tres: Disolución [H 3 O + ] [OH - ] ph poh A 7,4 x 10-6 B 12,34 C 1,24 R.: a) [H 3 O + ] = 1,35 x 10-9 ph =8,87 poh = 5,13 b) [H 3 O + ] = 4,57 x [OH - ]=2,18 x 10-2 poh = 1,65 c) [H 3 O + ]= 1,74 x [OH - ]=0,0575 ph = 12,76 4. Cuántos moles de ácido perclórico HCIO 4 debe utilizarse para presentar 1L de una disolución de ph de 2,6? R.: 2,51 x 10-3 moles. 5. Se disuelven 4 g de NaOH en 800 ml de disolución, a la cual se le añaden 200 ml de NaOH 0,25 M. Cuál es el ph de la nueva disolución? R = ph= 13,2 6 En una disolución de un ácido débil HA + H 2 O <=> H 3 O + A - se han encontrado los siguientes valores en el equilibrio: [H ]= 0,0020 M y [HA] = 0,093 M. Calcule la constante de ionización (K a ) para el ácido débil HA. R.: 4,1 x Calcular las concentraciones de las especies de una disolución de 0,10 M de un ácido débil HA cuya K a es 3,5 x 10-8 R.: [H 3 O + ] = [A - ]= 5,9 x 10-5 ; [HA] = 0,10 M. 8. Calcular H 3 O + ; OH -, ph, poh de una disolución 0,050 M de un ácido cianhídrico (HCN) cuya K a = 4,0 x R: H 3 O + = 4,5 x 10-6, OH - = 2,2 x 10-9, ph = 5,35, poh = 8,65 9. Calcular H 3 O +, OH -, ph de una disolución 0,050 M de un ácido acético CH 3 COOH cuya K a = 1,8 x 10-5 R.: [H 3 O + ] =9,5 x 10-4, [OH - ] = 1,1 x 10-11,pH = 3,02,pOH = 10, Calcular [H 3 O + ], [OH - ], ph, poh de una disolución de amoniaco 0,050 M. Kb = 1,8 x 10-5 R: [H 3 O + ] = 1,1 x [OH - ] = 9,5 x 10-4 ph = 10,98 poh = 3, El ph de un ácido débil HY 0,10 M es 3,22. Calcular el valor de su constante de acidez. R: 3,6 x 10 6

8 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A El ph de una disolución 0,10 M de una base débil NR es 11,07. Calcule la K de basicidad de esta base, siendo la ecuación: NR +H 2 O HNH + OH En una solución 0,25 M de una solución de bencilamina C 7 H 7 NH 2 la concentración de OH es 2,4 x Calcular la constante de ionización para esa base débil. R: 2,3 x La morfina es una base débil y la ionización acuosa puede indicarse como: M (ac) + H 2 O <=> MH (ac) + OH - (ac) En una solución 0,0050 de morfina, la proporción de iones OH - (ác. a moléculas de morfina es 1/83. Cuál es el valor de la K ionización acuosa de la morfina? AMORTIGUADORES (BUFFERS) 15. Calcular el ph de las siguientes soluciones reguladores: R.: 7,3 x 10-7 a) 1,0 x 10-2 M en ácido nitroso HNO 2 y 1,0 x 10-2 M en nitrito de potasio KNO 2 K a = 4,5 x 10-4 b) 1,0 x10-2 M en ácido fórmico HCOOH y 2,0 x 10-2 M en formato de sodio HCOONa R.: a) 3,34 b) 4, Determinar la diferencia de ph que ocurre al agregar 5 x 10-3 moles de NaOH a: a) 1 litro de agua. b) 1 litro de un tampón 0,25 M en NH 3 y 0,20 M en NH 4 CI. Kb = 1,8 X 10-5 R.: a) 7-11,7 b) 9,36-9, Se prepara una solución reguladora disolviendo 2,62 g de cloruro de amonio NH 4 CI en 250 ml de amoniaco H 3 0,1 M. Calcular el ph de la solución. R: 8,9 18. Se preparó una solución de 0,060 moles de un ácido débil HX diluido hasta 250 ml con un ph de 2,89. Cuál es el ph de la solución después de agregar 0,030 moles de NaX sólido? Considere que ha habido variación de volumen significativo. R.: 4, La constante de disociación del ácido benzoico C 6 H 5 COOH es 6,2 x Cuál es el ph de una disolución que contiene 5,58g de benzoato de sodio C 6 H 5 COONa en un litro de disolución? R.: 8,4 20. Deduzca las expresiones que le permitirían calcular el ph de disoluciones 1 M de:

9 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A. 9 a) acetato de amonio CH 3 COONH 4 b) cloruro de amonio, NH 4 CI y c) acetato de sodio, CH 3 COONa. Compare los ph R.: a) 7 b) 4,63 c) 9, Encontrar las concentraciones de todas las especies presentes y el ph de las soluciones siguientes: a) Cianuro de sodio, NaCN 0,25 M K HCN = 4,8 x b) Cloruro de amonio, NH 4 CI 0,2 M K NH3 = 1,8 X 10-5 R.: a) [OH - ] = 2,28 x 10-3 [ HCN] = 2,8 x 10-3 [CN - ] = 0,23 [Na + ] = 0,25 [H 3 O + ] = 4,39 x ph = 11,36 b) [H 3 O + ] =1,05 x 10-5 [NH 3 ] = 1,05 x 10-5 [NH + 4 ] = 0,2 [OH - ] = 9,43 x ph = 4, Una solución de benzoato de sodio (NaC 7 H 5 O 2 ) tiene un ph de 9,0 Cuál es la concentración molar del benzoato de sodio? K a del ácido benzoico = 6,0 x Complete el siguiente cuadro: R.: 0,6 M Compuestos A B C D E CH 3 COOH 0,1M 10 ml ml CH 3 COONa 0,1M ml 10 ml Na OH 0,1M ml --- HCl 0, ml [CH 3 COOH] final [CH 3 COONa] final ph (resultados) 2,87 8,87 4, Ka CH 3 COOH = 1,8 x 10-5 M

10 Ejercicios de Equilibrio Químico Josefina Canales A Se mezclan 3 gr. de Acetato de Sodio (CH 3 COONa) de 95 % p/p pureza con 0,8 ml de Acido Acético (CH 3 COOH, d= 1,1 gr/ml, 100 % p/p pureza) con suficiente agua obteniéndose 1500 ml de solución. Calcular a) M de CH 3 COOH y M de CH 3 COONa b) ph solución buffers c) calcular el ph del buffer anterior al agregar HCl 1 x 10-3 M d) calcular el ph del buffer anterior al agregar NaOH 1 x 10-3 M R: a) 9,7 x 10-3 M del CH 3 COOH 0,02 M del CH 3 COONa b) 5,12 c) 4,99 d) 5,2 2008