CINÉTICA Y EQUILIBRIO

Transcripción

1 CINÉTICA Y EQUILIBRIO 1. Explica razonadamente cuáles son las condiciones óptimas de presión, temperatura y concentración que son más favorables y producen el máximo rendimiento en el proceso industrial de obtención de amoníaco según la reacción de equilibrio: N 2 (g) + 3H 2 (g) < > 2NH 3 (g) Hº < A la temperatura de 400ºC se mezclan moles de H 2 (g) y moles de I 2 (g). Al establecerse el equilibrio se forman moles de HI(g). a) Calcular K c. b) Sabiendo que la reacción es exotérmica, deducir hacia dónde se desplazará el equilibrio si: i) La Tª aumenta; ii) La presión disminuye; iii) Aumentamos la concentración de I 2 (g). 3. Indicar todos los factores que pueden alterar un equilibrio químico y el modo en que lo hacen. b) Decir si son correctas, o no, las siguientes afirmaciones, razonando las respuestas: i. Una reacción espontánea siempre alcanza rápidamente el equilibrio ; ii. Una reacción lenta nunca es espontánea. 4. En un matraz de 1.5 l en el que se ha hecho el vacío, se introducen 0.08 moles de N 2 O 4 y se calienta a 35º. Parte del N 2 O 4 se disocia en N O 2 según: N 2 O 4 (g) <------> 2 NO 2 (g). Cuando se alcanza el equilibrio, la presión total es de 2.27 atm. Calcular: a) el grado de disociación; b) el valor de K c ; c) la presión parcial del N O 2 en el equilibrio. 5. Justificar si son correctas, o no, las siguientes afirmaciones: a) En una reacción química G puede ser positiva o negativa, pero nunca puede ser cero; b) G es independiente de la temperatura. c) Cuando G es negativo y muy grande, la reacción es muy rápida. D) Cuando G es negativo, la reacción es espontánea. 6. A cierta temperatura se ha estudiado el equilibrio: 2 NOCl (g) > 2NO (g) + Cl 2 (g) En un recipiente de 2 l de capacidad se introducen dos moles de cada una de las tres sustancias. Una vez alcanzado el equilibrio se analiza el contenido encontrándose que la concentración de NOCl es de 0.8 moles/l. a) Calcular el grado de disociación; b) Calcular K c. 7. Dado el equilibrio: NH 3 (g) < > ½ N 2 (g) + 3/2 H 2 (g), cuyo H 92.4 kj, justificar si son verdaderas, o falsas, las siguientes afirmaciones: a) Al aumentar la temperatura se favorece la formación de NH 3. b) Un aumento de la presión favorece la formación de H 2. c) Esta reacción será espontánea a cualquier temperatura. a) Si disminuimos la cantidad de N2, el equilibrio se desplaza hacia la derecha. 8. A 200 K, una vasija de reacción de un litro de capacidad contenía, una vez alcanzado el siguiente equilibrio: CO (g) + Cl 2 (g) <------> COCl 2 (g) 0.6 atm de COCl 2, 0.30 atm de CO y 0.10 atm de Cl 2. Si se añade a la vasija 0.40 atm de Cl 2, manteniendo la temperatura y el volumen constantes calcular: a) Número de moles de COCl2, cuando se alcance de nuevo el equilibrio. b) El valor de Kc. 9. En un recipiente de 10 litros, se introducen 1.0 mol de un compuesto A y 3.0 moles de un compuesto B y se calienta hasta 620ºC. Una vez formado C y alcanzado el siguiente equilibrio:

2 A(g) + 3B(g) > 2C (g) se obtiene una mezcla que ejerce una presión total de 22 atm. Calcular: a) El número de moles de C en el equilibrio; b) El valor de Kc R atm. l. mol -1. K El proceso de descomposición del NH 4 Cl(s) para dar NH 3 (g) y HCl (g) tiene una H 123,6 kcal/mol, a cierta temperatura. Una vez alcanzado el equilibrio en este proceso: a) Razonar cómo afectaría a la concentración de NH 3 : i) una disminución de la temperatura; ii) un aumento de la presión; b) Explicar cómo afectaría a Kc un aumento de la temperatura, c) Cómo afectaría a Kc un aumento de la concentración de HCl(g)? 11. Se mezclan 46,0 g de I 2 y 1,00 g de H 2 en un recipiente de 2,00 litros para formar HI (g). Se calienta esta mezcla hasta alcanzar el equilibrio a 450ºC y en ese instante se observa que hay 1,90 g de I 2 a) Calcular Kc para el equilibrio I 2 (g) + H 2 (g) 2HI (g) b) Cuál es el valor de la presión en el equilibrio? 12. A 1327ºC, K C vale 600, para el equilibrio: NiO(s) + CO(g) <> Ni(s) + CO 2 (g) a) Calcular los moles/l que se obtendrán de CO 2 (g), si la presión parcial de CO en el equilibrio es 150 mmhg; b) si la concentración inicial de CO es 3,5 mol/l, cuál será la presión parcial de CO 2 cuando se alcance el equilibrio? 13. Disponemos de un recipiente con un volumen constante para llevar a cabo la siguiente reacción: SO 2 (g) + 1/2 0 2 (g) S0 3 (g) AH -98,13 kj a) Explique de, forma razonada, tres formas de incrementar la cantidad de producto. b) Qué relación existirá entre Kc y Kp en este equilibrio? 14. Para el equilibrio I 2 (g) + H 2 (g) 2 Hl (g) la constante Kc, a 4000ºC, vale 64. a) Calcule los gramos de Hl que se formarán cuando en un recipiente cerrado, se mezclen dos moles de I 2 con dos moles de H 2 y se deje alcanzar el equilibrio a esa temperatura. b) Suponiendo que AH para esa reacción fuese < 0, cómo esperaría que fuese el valor de Kc a 6000ºC, mayor o menor que a 4000ºC? Datos: M.a.: H 1; I a) En una ecuación de velocidad como v k [Al m [Bl n qué representa cada uno de los términos y letras que aparecen en la misma? b) Qué efecto tiene un catalizador sobre la velocidad de reacción? Cómo actúa? Dibuje un diagrama para explicarlo. c) Explique cómo influye la temperatura en la velocidad de reacción. 16. A 473 K y 2 atmósferas de presión, el PCI 5 se disocia en un 50% en PCl 3 y Cl 2 a) Calcular las presiones parciales de cada gas en el equilibrio. b) Calcule el valor de Kc y Kp. Dato: R 0,082 atm.l/ K. mol 17. A 473º K y 2 atm de presión, el PCl 5 se disocia en un 50%. PCl 5 (g) Ö PCl 3 (g) +Cl 2 (g) a) Cuánto valdrán K c y K p? (0,8 puntos) b) Calcule las presiones parciales de cada gas en el equilibrio (0,9 puntos)

3 c) Justifique cómo influiría en el grado de disociación un aumento de la presión(0,3 puntos) Dato: R 0,082 atm L K -1 mol A partir de la reacción 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 4NO (g) + 6 H 2 O (g) a) Razona cómo influiría en el equilibrio un aumento de la presión. (0,5 puntos) b) En qué sentido se desplazaría el equilibrio si se aumentase la concentración de oxígeno? Se modificaría entonces la constante de equilibrio? Justifique la respuesta. (1 punto) c) Suponiendo que H 0, cómo influye un aumento de T en el equilibrio? (0,5 puntos) 19. Se introducen 0,60 moles de tetraóxido de dinitrógeno (N 2 O 4 ) en un recipiente de 10 litros a 348,2 ºK. En el equilibrio: N 2 O 4 (g) Ö 2 NO 2 (g) Si la presión (en el equilibrio) es de 2 atm. Calcule a) El grado de disociación. ( 1punto) b) El número de moles de cada sustancia en el equilibrio. (0,5 puntos) c) El valor de Kp a esa temperatura. (0,5 puntos) -1 Datos: R0,082 atm L. mol-1 K 20. Dado el equilibrio 2 SO 3 (g) Ö 2 SO 2 (g) + O 2 (g) H 196,26 KJ Justifique si es cierto o no: a) Al aumentar la temperatura se favorece la formación de SO 2 b) Un aumento de la presión favorece la formación de O 2 c) Un catalizador favorece la reacción de descomposición. d) Si se disminuye la cantidad de O 2 el equilibrio se desplaza a la derecha. 21. Dado el equilibrio: NH3 (g) ½ N2 (g) + 3/2 H2 (g); H 92,4 KJ. Justificar si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) Al aumentar la temperatura se favorece la formación de NH3. b) Un aumento de la presión favorece la formación de H2. c) Esta reacción será espontánea a cualquier temperatura. d) Si disminuimos la cantidad de N2, el equilibrio se desplaza hacia la derecha. Teniendo en cuenta el Principio de Le Chatelier tendríamos que: a) Es falsa. Al ser H > 0, se trata de una reacción endotérmica, en consecuencia la aumentar la temperatura la reacción se desplazará en el sentido de consumir el exceso de calor y en consecuencia se desplazará hacia la derecha disminuyendo la concentración de NH 3. b) Es falsa. Un aumento de la presión desplazará el equilibrio hacia donde sea menor el número de moles gaseosos En nuestro caso tenemos por un lado 1 mol de amoniaco y en el lado de los productos de reacción tenemos ½ mol de nitrógeno y 3/2 moles de hidrógeno, es decir un total de 2 moles de productos, por lo tanto la reacción se desplazará hacia la izquierda consumiendo hidrógeno. c) Es falsa. Para poder predecir si una reacción es espontánea tenemos que conocer el valor de G, y será espontánea cuando G < 0. A su vez el valor de G viene determinado por la expresión G H - TS, en consecuencia para poder predecir la espontaneidad de la reacción necesitaríamos conocer el valor de la entropía.

4 d) Es verdadera. Cuando hacemos disminuir la cantidad de unos de los productos de la reacción, el equilibrio se desplazará en el sentido de compensar esa disminución en consecuencia tenderá a producir mas nitrógeno y el equilibrio se desplazará hacia la derecha. 22. Una mezcla gaseosa constituida inicialmente por 7,94 moles de hidrógeno y 5,30 moles de yodo se calienta a 445ºC, con lo que se forman en el equilibrio 9,52 moles de HI, según la ecuación: I2 (g) + H2 (g) 2 HI (g) a) Calcule el valor de la constante de equilibrio. b) Cuántos moles de ioduro de hidrógeno se generarán si partimos de 4 moles de hidrógeno y 2 moles de de yodo?. a) Como conocemos el número de moles iniciales y el número de moles que se obtienen en el equilibrio podremos calcular la constante de equilibrio K c. I 2 (g) + H 2 (g) 2 HI (g) Moles iniciales: 5,30 7,94 0 Moles que reaccionan: x Moles equilibrio: 5,30 x 7,94 x 2x En número de moles de HI en el equilibrio sabemos que es 9,52, en consecuencia tenemos que: 2x 9,52, de donde x 4,76 y por tanto nos que da que: moles HI 9,52; moles H 2 0,54 y moles I 2 3,18. Luego sustituyendo en la Ley de Acción de Masas: [HI]2 (9,52)2 Kc 52,69 [I2] [H2] (0,54) (3,18) b) Planteamos de nuevo el equilibrio con los nuevos datos: I 2 (g) + H 2 (g) 2 HI (g) Moles iniciales: Moles que reaccionan: x x 2x Moles equilibrio: 2 x 4 x 2x Como en el apartado anterior hemos obtenido el valor de K c, volvemos a plantear la Ley de Acción de Masas: [HI]2 (2x)2 Kc 52,69 [I2] [H2] (2 - x) (4 - x) Resolviendo la ecuación de segundo grado resultante se obtiene el siguiente valor para x 1,80, por lo tanto los moles de yoduro hidrógeno serán: moles HI 2x 3,60 moles. 23. Describa, justificando la respuesta, todas las condiciones que estime oportunas para obtener un óptimo rendimiento en la formación de óxido nítrico (NO), por oxidación del amoniaco (NH 3 ): 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) 4 NO (g) + 6 H2O (g) H0 < 0 De acuerdo con el Principio de Le Chatelier las mejores condiciones para favorecer un mejor rendimiento en NO sería: a) De acuerdo con el valor de la entalpía se trata de una reacción exotérmica, es decir, la reacción tiene lugar desprendiéndose calor, por lo tanto si dismin uimos la temperatura la reacción se desplazará en el sentido de producir más calor para compensar esa disminución, es decir, se desplazará hacia la derecha favoreciendo la formación del NO. b) Si observamos vemos que en el primer miembro de la ecuación hay 9 moles gaseosos de reactivos, mientras que en el segundo miembro de la ecuación hay 10 moles de productos

5 gaseosos. La reacción se desplazará hacia la derecha si dismin uimos la presión o lo que es equivalente aumentando el volumen. c) Si disminuimos la concentración de uno de los productos la reacción se desplazará en el sentido de compensar esa disminución, es decir, se desplazará hacia la derecha. Por lo tanto, si durante el transcurso de la reacción vamos eliminando el agua, disminuyendo la concentración de agua, el equilibrio se desplazará hacia la derecha. d) También se puede hacer uso de un catalizador adecuado que favorezca el transcurso de la reacción hacia la formación de los productos. 24. a) Calcule la concentración de una disolución de HCN cuya constante K a tiene un valor de 5 x y su grado de disociación es 0,02. b) Qué ph tendría una disolución de dicho ácido con una concentración 10-3 M?. a) El valor de K a nos indica que el ácido cianhídrico (cianuro de hidrógeno) HCN es un ácido débil y por lo tanto la reacción de hidrólisis sería: HCN + H 2 O CN - + H 3 O + Moles iniciales: C Moles que reaccionan: C 0 α C 0 α C 0 α Moles equilibrio: C 0 - C 0 α C 0 α C 0 α Sustituyendo en la correspondiente ecuación tendremos: Ka [CN-] [H3O+] [HCN] (C0α)2 C0(1 - α) C0α2 1 - α C0(2.10-2) 1-0,02 Operando tendremos: C 0 1, M. b) HCN + H 2 O CN - + H 3 O + Moles iniciales: Moles que reaccionan: C 0 C 0 Moles equilibrio: C 0 C 0 C 0 De donde: Ka C0α α Como el valor de K a es muy pequeño podemos hacer la aproximación de que 1 sea igual a 1. Entonces quedaría: α Ka , por lo tanto: [H 3 O + ] C , , M ; y en consecuencia el valor del ph sería: ph log [H 3 O + ] log (7, ) 6, La constante de equilibrio de la reacción: CO2(g) + H2 (g) CO (g) + H2O (g)

6 Vale 0,10 a 690ºK. Cuál es la presión de equilibrio de cada sustancia si se introducen 0,50 moles de CO2 y 0,50 moles de H2 en un matraz de 3,0 litros y se calienta la mezcla a 690ºK?. Dato: R 0,082 atm.l.mol-1.ºk-1. En las condiciones que se nos plantea el problema hay que tener en cuenta que a 690ºK, el número de moles gaseosos de productos es igual al número de moles de reactivos y por lo tanto K p K c ; ya que K p K c (RT) n y como n 0, se produce una igualdad entre las dos constantes de equilibrio. Procedemos a plantear el equilibrio: CO 2 (g) + H 2 (g) CO (g) + H 2 O (g) Moles iniciales: 0,50 0, Moles que reaccionan: x x Moles equilibrio: 0,50 x 0,50 x x x El número total de moles será: nº total moles 0,5 x +0,5 x + x +x 1 Sustituyendo en la expresión de la constante de equilibrio: [CO] [H 2 O] x2 Kc 0,10 de donde x 0,122 [CO 2 ] [H 2 ] (0,5 - x)2 Luego las concentraciones de las especies presentes en el equilibrio serían: Moles CO 2 moles H 2 0,50-0,122 0,378 Moles CO moles H 2 O 0,122 Procedemos a calcular la presión total para seguidamente obtener las correspondientes presiones parciales: P.V n.r.t, de donde P n.r.t./v 1.0, /3 18,86 atm. P(CO 2 ) P(H 2 ) ni ntotal x Ptotal 0,378 1 x 18,86 7,13 atm P(CO) P(H 2 O) ni ntotal x Ptotal 0,122 1 x 18,86 2,30 atm

7