Programa de Acceso Inclusivo, Equidad y Permanencia PAIEP U. de Santiago. Química

Transcripción

1 Guía Termoquímica 1. Calcular la variación de energía para un proceso endotérmico en el cual el sistema absorbe 65 de calor y también recibe de su ambiente 12 de trabajo. E = q + W = = El nitrato de amonio se puede descomponer explosivamente de acuerdo a la siguiente reacción: NH 4 NO 3 (s) N 2 O (g) + 2H 2 O (g) ΔH= -37,0 Calcule la cantidad de calor producido cuando se descompone 2,50 g de nitrato de amonio a presión constante. NH 4 NO 3 = 80 g/mol Para determinar el número de moles: 2,50 g n = g 80 mol 1 mol 37,0 0,031 mol X x = 1,15 (negativo, por ser calor producido. La reacción es exotermica) RECUERDEN QUE: un ΔH negativo, indica que la reacción es exotérmica. 3. Calcule la variación de entalpia para la reacción: 2C (s) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) Dada las ecuaciones siguientes y sus respectivos cambios de entalpía: C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) 2CO 2 (g) + H 2 O (l) C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔH= -1299,6 ΔH = -393,5 ΔH= -285,9

2 RECUERDEN QUE: según la ley de Hess, las ecuaciones termoquímicas se pueden manejar como las algebraicas. Es decir, si necesitas invertir la ecuación, el signo de ΔH se cambia, por otra parte si amplificas la reacción, ΔH también será amplificado por la misma cantidad. Para obtener la ecuación principal: 2C (s) + 2 O 2 (g) 2CO 2 (g) 2CO 2 (g) + H 2 O (l) C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔH = -393,5 2= -787 ΔH = 1299,6 ΔH= -285,9 Simplificando, se obtiene: 2C (s) + H 2 (g) C 2 H 2 (g) ΔH= 226,7 4. Calcule la variación de entalpía para la siguiente reacción: NO (g) + O (g) NO 2 (g) Con la siguiente información: NO (g) + O 3 (g) NO 2 (g) + O 2 (g) ΔH = -198,0 O 3 (g) 3/2 O 2 (g) ΔH= -142,3 O 2 (g) 2O (g) ΔH= 495,0 Solución: NO (g) + O 3 (g) NO 2 (g) + O 2 (g) ΔH = -198,0 3/2 O 2 (g) O 3 (g) ΔH= 142,3 (cambio de signo, por ser la ecuación inversa) O (g) 1/2 O 2 (g) ΔH= 495/2 = 247,5 (la ecuación inversa fue dividida por 2) Finalmente: NO (g) + O (g) NO 2 (g) ΔH= 191,8

3 5. Calcular el cambio de entalpía de la combustión de 1 mol de etanol. Buscar datos termodinámicos en tabla. C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2 (g) 2CO 2 (g) + 3H 2 O (l) RECUERDEN QUE: ΔH f para elementos y gases moleculares es cero. H = H f n (productos) H f n (reactivos) ΔH 0 = [(3-285,8) + (2-393,5) ] - [(1-277,7)+(3 ΔH O 2 ) ] ΔH 0 = -857,4 787, ,7 = -1366,7 /mol 6. Calcular el calor estándar de formación del CuO. CuO (s) + H 2 (g) Cu (s) + H 2 O (l) ΔH= -130,6 /mol H = 285, ,6 = 155,2 mol 7. El calor especifico del Fe 2 O 3 es 0,75 /g C a) Cuál es la capacidad calorífica de un bloque de 2,00 Kg de Fe 2 O 3? q = C T RECUERDEN QUE: la capacidad calorifica es la energia requerida para elevar e 1 C la temperatura de un cuerpo. Sus unidades son / C. q = (gramos de sustancia calor específico) T Reemplazando: C = 2000 g 0,75 = 1500 g C C

4 b) Qué cantidad de calor se requiere para aumentar la temperatura de 1,75 g de Fe 2 O 3 de 25 C a 380 C.? q = (1,75 g 0,75 ) ( ) C = 465,94 g C 8. Cuánto calor en, se requiere para aumentar la temperatura de 150 g de agua de 25 C a 42 C. El calor especifico del agua es 4,18 / g- C. q = (150 g 4,18 ) ( 42 25) C = = 10,66 g C 9. Cuando 50,0 ml de AgNO 3 a una concentración de 0,100M se mezclan con 50,0 ml de HCl a una concentración de 0,100M, en un calorímetro de 22,30 C a 23,11 C. El aumento de la temperatura lo causa la siguiente reacción: AgNO 3 + HCl AgCl + HNO 3 Calcular ΔH para esta reacción, considerando que la solución combinada tiene una masa de 100,0 g y un calor especifico de 4,18 / g- C. RECUERDEN QUE: La reacción es de tipo exotérmica, ya que hay liberación de calor. Como el sistema se encuentra a presión constante, el calor es igual a la variación de la entalpia. Q P = H = 100,0 g 4,18 g C 0,81 C = 338,58 (El calor positivo se debe a que es calor ganado). 50 ml 0,1mol/L= 5 mmoles = moles -338,58 / moles= -67,7 /mol (-338,58, este es el calor desprendido).

5 10. Se quema una muestra de 0,5865 g de ácido láctico HC 3 H 5 O 3 en un calorímetro cuya capacidad calorífica es de 4,812 / C. La temperatura aumenta de 23,10 C a 24,95 C. Calcule el calor de combustión del ácido láctico por gramo y después por mol. Cálculo de la cantidad de calor desprendido: ( 4,812 C 1,85 C) = 8,90 Cálculo del calor por gramo: 8,90 0,5865 g = 15,18 gramo Con la masa molar, determinas en número de moles: HC 3 H 5 O 3 =90 g/mol número de moles = Cálculo del calor por cada mol: 0,5865 g 90 g/mol = 6, moles 8,90 6, mol = 1364,03 mol 11. Determine la variación de entalpía, entropía, y energía libre para la combustión de etanol. Datos: H 0 f(/mol):etanol -277,7; dióxido de carbono -393,5; agua -285,8 S 0 (/molk): etanol 160,7; dióxido de carbono 213,6; agua 69,9; oxígeno 205. Solución: Primero hay que escribir y equilibrar la ecuación de combustión para el etanol. CH 3 -CH 2 -OH + 3 O 2 2CO 2 + 3H 2 O

6 H = [(2 393, ,8) + 277,7] = 1366,7 S = [(3 69, ,6) ( ,7)] mol S = 138,8 mol = 0,14 molk Como: ΔG= ΔH- TΔS, y reemplazando se obtiene el valor de ΔG G = 1366,7 (298 K 0,14 mol mol K ) = 1408,42 mol 12. Una muestra de 400 ml de HNO 3 0,600 M se mezclan con 400 ml de Ba (OH) 2 0,300 M en un calorímetro a presión constante, que tiene una capacidad calorífica de 0,387 / C. La temperatura inicial de ambas disoluciones es la misma, 18,88 C. Cuál será la temperatura final de la disolución?. Tome en cuenta que el calor de neutralización es de -56,2. Como: RECUERDEN QUE: para calcular el q del sitema, debes considerar el q de la disolución, Q de la reacción y el Q del calorímetro. q sistema = q disolución + q reacción + q calorímetro Como no hay fuga de calor q sistema=0, por lo tanto: q reacción = (q disolución + q calorímetro)

7 q disolución = 800g (4,184 La reacción involucrada es: g C ) (T f 18,88 C) = 3,34 (T f 18,88 C) q calorimetro = 0,387 C (T f 18,88 C) 2HNO 3 + Ba (OH) 2 Ba (NO 3 ) 2 + 2H 2 O Cálculo de moles para HNO 3 = 0,40 L 0,60 M = 0,24 moles Cálculo de moles para Ba (OH) 2 = 0,40 L 0,30 M = 0,12 moles Para neutralizar 0,24 moles: 56,2 = Calor de reacción 0,24 moles Calor de reacción = 13,49 (Este signo negativo se cancela con el de la ecuación *) Reemplazando en la ecuación (*) Despejando se tiene: T f = 22,49 C 13,49 = (3,34 + 0,387 )(T f 18,88) C 13. Una muestra de 200 ml de HCl 0,862 M se mezclan con 200 ml de Ba (OH) 2 0,431 M en un calorímetro a presión constante, que tiene una capacidad calorífica de 0,453 /ºC. La temperatura inicial de ambas disoluciones es la misma, 20,48 C. Para el proceso: H + (ac) + OH - (ac) H 2 O (l) El calor de neutralización es de -56,2. Cuál es la temperatura final de la disolución mezclada? Para resolver este ejercicio ocupas el mismo razonamiento del ejercicio anterior.

8 q disolución = 400 g (4,184 g C ) (T f 20,48 C) = 1,67 (T f 20,48 C) q calorímetro = 0,453 C (T f 20,48 C) La reacción involucrada es: 2 HCl + Ba (OH) 2 Ba Cl 2 + H 2 O Cálculo de moles para HCl = 0,20 L 0,862 M = 0,172 moles Cálculo de moles para Ba (OH) 2 = 0,20 L 0,431 M = 0,086 moles Para neutralizar la cantidad de moles de 0,172: 56,2 = Calor de reacción 0,172 moles Calor de reacción = 9,66 (Este signo negativo se cancela con el de la ecuación *) Reemplazando en la ecuación (*) Despejando se tiene: T f = 25,01 C 9,66 = (1, ,453 ) (T f 20,48 ) C

9 14. Calcular el cambio de entalpía para convertir 1 mol de hielo a -25 C en vapor de agua a 125 C bajo una presión constante de 1 atm. Datos: C esp.hielo = 2,03 /g K; C esp.agua = 4,18 /g K; C esp.vapor = 1,84 /g K. Para el agua: ΔH fusión= 6,01 /mol ; ΔH vaporización= 40,67 /mol Cuando se calienta un cubo de hielo que inicialmente está a -25 C y a 1 atm. La adición de calor ocasiona que la temperatura del hielo aumente. Mientras la temperatura permanezca por debajo de los 0 C, el cubo de hielo permanece congelado. Cuando la temperatura alcanza los 0 C, el hielo comienza a fundirse. Debido a que la fusión es un proceso endotérmico, el calor que añadimos a los 0 C se utiliza para convertir al hielo en agua; la temperatura permanece constante hasta que todo el hielo se há fundido. Una vez que alcanza este punto, la adición de más calor ocasiona que la temperatura del agua líquida aumente. En la figura siguiente se muestra todos cambios que ocurren para llegar a la fase de vapor. Para determinar ΔH, debes calcular el calor involucrado en cada etapa. Entonces para que el hielo a -25 C llegue a vapor a una temperatura de 125 C, se tiene:

10 Hielo -25 C hielo 0 C líquido 0 C líquido 100 C vapor 100 C vapor 125 C a) Calor de hielo -25 C hielo 0 C Q 1 = 18 g 2,03 b) Calor de hielo 0 C líquido 0 C gk Q 2 = 1mol 6,01 ( )K = 913,5. mol = 6,01k = 6, c) Calor líquido 0 C líquido 100 C Q 3 = 18 g 4,18 gk d) Calor líquido 0 C vapor 100 C Q 4 = 1mol 40,67 ( )K = 7524 mol = 40,67k = 40, e) Calor vapor 100 C vapor 125 C Q 5 = 18 g 1,84 gk ( )K = 828 Q T = ΔH= 913,5 + 6, , = 55945,5 =56

11 15. En condiciones de volumen constante, el calor de combustión de la glucosa (C 6 H 12 O 6 ) es de 15,576 /g. Una muestra de 2,500 g de glucosa se quemó en una bomba calorimétrica. La temperatura del calorímetro se incrementó de 20,55 a 23,25 C. Cuál es la capacidad calorífica total del calorímetro?. Datos: Calor de combustión: 15,576 /g. Masa de glucosa: 2,500 g. Temperaturas del calorímetro: 20,55 a 23, 25 C 15,57 g Q = c T = c (23,25 20,55) C 15,57 2,7 g 1 C = 5,77 g C 5,77 g C 2,500 g = 14,43 C La capacidad calorífica total del calorímetro es 14,43 / C 16. El calor especifico del hierro metálico es igual a 0,450 /g C. Cuántos de calor se necesitan para elevar la temperatura de un bloque de hierro de 1,05 Kg de 25,0 C a 88,5 C? Datos: Calor especifico hierro=0,450 /g C. Masa de hierro: 1,05 Kg. Temperaturas: 25,0 a 88,5 C Para el cálculo del calor se usa la siguiente formula: Reemplazando: Q = 1050 g 0,450 Q = m s T (361,5 298)K gk Q = 30003,8 = 30,00

12 El calor necesario son 30 k. Responsables académicos Corregida por comité Editorial PAIEP. Si encuentra algún error favor comunicarse a coordinaciontutores.paiep@usach.cl Referencias y fuentes utilizadas Chang, R.; College, W. (2002).. (7a. ed). México: Mc Graw-Hill Interamericana Editores S.A. Brown, T., Le May, H., Bursten, B., Murphy, C. la ciencia central. (11 a.ed). México: Editorail Pearson S.A.