Problemes i Qüestions PAU: Termoquímica 1

Transcripción

1 Problemes i Qüestions PAU: Termoquímica 1 P-1 Les mescles de termita s utilitzen en algunes soldadures a causa del caràcter fortament exotèrmic de la reacció següent (no ajustada) Fe 2 O 3 (s) + Al (s) Al 2 O 3 (s) + Fe (s) a) Ajusta la reacció anterior i calcula la quantitat d energia, en forma de calor, que s allibera en reaccionar 2 grams de Fe 2 O 3 amb la quantitat adequada de Al. b) Quina quantitat de Al, en grams, caldrà que reaccione amb la quantitat adequada de Fe 2 O 3 perquè s alliberen 10 6 J d energia en forma de calor? Dades: Entalpies de formació (kj mol -1 ) ΔHº f : Fe 2 O 3 (s) = 824 ; ΔHº f : Al 2 O 3 (s) = 1676 (Setembre 2010) (R: a) Fe 2O 3 (s) + 2 Al(s) Al 2O 3 (s) + 2 Fe (s) ; 10,7 kj; b) 63,4 g Al) Q-2 Considera la següent reacció ajustada de descomposició del carbonat càlcic: CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) ΔH > 0 Explica, justificant la resposta, si són certes o falses aquestes afirmacions: a) La reacció és espontània a qualsevol temperatura. b) La reacció només és espontània a baixes temperatures. c) La variació d entropia s oposa a l espontaneïtat de la reacció. d) La reacció serà espontània a altes temperatures. (Setembre 2010) (R: a) i b) F; c) F; d) V) P-3 La reacció de la hidrazina, N 2 H 4, amb el peròxid d hidrogen, H 2 O 2, s usa en la propulsió de coets. La reacció ajustada que té lloc és aquesta: N 2 H 4 (l) + 2 H 2 O 2 (l) N 2 (g) + 4 H 2 O (g) ΔH= - 642,2 kj a) Calcula l entalpia de formació estàndard de la hidrazina. b) Calcula el volum total, en litres, dels gasos formats quan reaccionen 320 g d hidrazina amb la quantitat adequada de peròxid d hidrogen a 600ºC i 650 mmhg. Dades: ΔHº f (kj mol -1 ): ΔHº f : H 2 O 2 (l) = 187,8 ; ΔHº f : H 2 O (g) = 241,8 (Juny 2010) (R: a) 50,6 kj/mol; b) 4185 L) P-4 La gasolina és una mescla complexa d hidrocarburs que a efectes pràctics considerem que està constituïda únicament per octà, C 8 H 18 (l). La combustió d un hidrocarbur produeix aigua i diòxid de carboni. Es cremen completament 60 L d octà. Calcula: a) El volum d aire, en m 3, que es necessitarà, mesurat a 765 mm Hg i 25 ºC, per a dur a terme aquesta combustió. b) La massa d aigua, en kg, produïda en aquesta combustió. c) La calor que es desprèn. Dades: L aire conté un 21 % en volum d oxigen. Densitat de l octà = 0,8 g/ml. Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : CO 2 (g) = 393,5 kj mol -1 ; H 2 O(l) = 285,8 kj mol -1 ; C 8 H 18 (l) = 249,8 kj mol -1. (Setembre 2009) (R: a) 608,4 m 3 ; b) 68,2 kg H 2O; c) kj) P-5 En 1947 un vaixell carregat de fertilitzant a base de nitrat amònic, NH 4 NO 3, va esclatar a Texas City (Texas, EUA) en provocar-se un incendi. La reacció de descomposició explosiva del nitrat amònic es pot escriure de la següent manera: 2 NH 4 NO 3 (s) 2 N 2 (g) + O 2 (g) + 4 H 2 O (g) Calcula: a) El volum total en litres dels gasos formats per la descomposició de 1000 kg de nitrat amònic, a la temperatura de 819 ºC i 740 mm Hg. b) La quantitat d energia en forma de calor que es desprèn en la descomposició de 1000 kg de nitrat amònic.

2 Problemes i Qüestions PAU: Termoquímica 2 Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : NH 4 NO 3 (s) = 366,0 kj mol -1 ; H 2 O(g) = 241,82 kj mol -1. (Juny 2009) (R: a) L; b) kj) P-6 En la combustió de 9,2 g d etanol, C 2 H 6 O (l), a 25 ºC es desprenen 274,1 kj, mentre que en la combustió de 8,8 g d etanal, C 2 H 4 O (l), a 25 ºC es desprenen 234,5 kj. En aquests processos de combustió es formen CO 2 (g) i H 2 O (l) com a productes. a) Escriu les equacions ajustades corresponents a la combustió de l etanol i a la de l etanal. b) Calcula la calor alliberada en la combustió d 1 mol de l etanol així com en la combustió d 1 mol d etanal. c) Mitjançant reacció amb oxigen (g) l etanol (l) es transforma en etanal (l) i aigua (l). Calcula la ΔHº per a la transformació d 1 mol d etanol (l) en etanal (l). (Setembre 2008) (R: b) 1370,5 kj/mol C 2H 6O; 1172,5 kj/mol C 2H 4O; c) 198 kj/mol C 2H 6O) P-7 L etanol, CH 3 CH 2 OH (l), està sent considerat com un possible substitut dels combustibles fòssils tals com l octà, C 8 H 18 (l), component majoritari de la gasolina. Tenint en compte que la combustió, tant de l etanol com de l octà, dona lloc a CO 2 (g) i H 2 O (l), calcula: a) L entalpia corresponent a la combustió d 1 mol d etanol i la corresponent a la combustió d 1 mol d octà. b) La quantitat d energia en forma de calor que desprendrà en cremar-se 1 gram d etanol i comparar-la amb la que desprèn la combustió d 1 gram d octà. c) La quantitat d energia en forma de calor que es desprèn en cada una de les reaccions de combustió (d etanol i d octà) per cada mol de CO 2 que es produeix. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : CH 3 CH 2 OH(l) = 277,7 kj mol -1 ; C 8 H 18 (l) = 250,1 kj mol -1 ; CO 2 (g) = 393,5 kj mol -1 ; H 2 O(l) = 285,8 kj mol -1. (Juny 2008) (R: a) 1366,7 kj/mol C 2H 6O; 5470,1 kj/mol C 8H 18; b) 29,71 kj/gc 2H 6O; 47,98 kj/g C 8H 18; c) 683,35 kj; 683,76 kj) P-8 L octà C 8 H 18 (l), és un hidrocarbur líquid de densitat 0,79 kg L -1 i és el component majoritari de la gasolina. Tenint en compte les entalpies de formació estàndard que es donen al final de l enunciat, calcula a) L entalpia molar de combustió de l octà, C 8 H 18 (l), en condicions estàndard. b) Si 1 L d octà costa 0,97, quin serà el cost de combustible (octà) necessari per a produir 106 J d energia en forma de calor? c) Quin serà el volum d octà que ha de cremar-se per a fondre 1 kg de gel si l entalpia de fusió del gel és +6,01kJ mol -1? Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : CO 2 (g) = 393,5 kj mol -1 ; H 2 O(l) = 285,8 kj mol -1 ; C 8 H 18 (l) = 249,8 kj mol -1. (Setembre 2007) (R: a) 5470,4 kj/molc 8H 18; b) 2, ; c) 8,8 ml) P-9 El propà, C 3 H 8 (g), és un hidrocarbur que s utilitza habitualment com combustible gasós. En un reactor de 25 L de volum mantingut a una temperatura constant de 150 ºC s introdueixen 17,6 g de propà, C 3 H 8 (g), i 72 g d oxigen, O 2 (g). La reacció de combustió s inicia mitjançant una espurna elèctrica. Calcula: a) La quantitat (en grams) de vapor d aigua, H 2 O (g), obtinguda després de finalitzar la reacció de combustió del propà. b) La quantitat d energia en forma de calor que s allibera com a conseqüència de la reacció de combustió anterior. c) La pressió total en l interior del reactor després que ha finalitzat la reacció. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : CO 2 (g) = 393,5 kj mol -1 ; H 2 O(g) = 241,8 kj mol -1 ; C 3 H 8 (g) = 103,8 kj mol -1. (Juny 2007)

3 Problemes i Qüestions PAU: Termoquímica 3 (R: a) 28,8 g H 2O; b) 817,56 kj; c) 4,23 atm) P-10 La mescla constituïda per hidrazina, N 2 H 4, i tetraòxid de dinitrogen, N 2 O 4, s utilitza en la propulsió de coets espacials, ja que l extraordinari volum gasós generat en la reacció genera l impuls en expel lir els gasos des de la cambra del coet. La reacció ajustada és la següent: 3 N 2 H 4 (l) + N 2 O 4 (g) 4 N 2 (g) + 2 H 2 (g) + 4 H 2 O (g) a) Calcula la variació d entalpia estàndard ΔHº reacció per a la reacció anterior, i indica si la reacció absorbeix o cedeix energia en forma de calor. b) Quina quantitat d energia en forma de calor s absorbirà o cedirà quan reaccionen 4500 g d hidrazina amb la quantitat adequada de N 2 O 4? c) Si la reacció de l apartat b) es porta a terme a 800 ºC i 740 mm Hg, quin serà el volum que ocuparien els gasos producte de la reacció? Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : N 2 H 4 (l) = 50,63 kj mol -1 ; N 2 O 4 (g) = 9,16 kj mol -1 ; H 2 O(g) = 241,8 kj mol -1. (Setembre 2006) (R: a) 1128,25 kj; b) 52886,7 kj; c) L) Q-11 El procés de vaporització d un cert compost A pot expressar-se mitjançant la reacció química: A (l) A (g). Tenint en compte que per a la reacció anterior ΔHº = +38,0 kj/mol i ΔSº = +112,9 J/(K mol) a) Indica si la reacció de vaporització del compost A és espontània a 25 ºC. b) Calcula la temperatura a la qual el A (l) es troba en equilibri amb el A (g). (Setembre 2006) (R: a) no espontània; b) 336,6 K) P-12 El trinitrotoluè (TNT) C 7 H 5 (NO 2 ) 3 és un explosiu molt potent que presenta com a avantatge enfront de la nitroglicerina la seua major estabilitat en cas d impacte. La descomposició explosiva del TNT es pot representar mitjançant la següent equació: 2 C 7 H 5 (NO 2 ) 3 (s) 7 C (s) + 7 CO (g) + 3 N 2 (g) + 5 H 2 O(g) a) Calcula la calor produïda en explotar 2,27 quilograms de TNT. b) Calcula el volum total (en litres) ocupats pels gasos alliberats en la dita explosió a 500 ºC i 740 mm Hg. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : TNT (s) = 364,1 kj mol -1 ; CO (g) = 110,3 kj mol -1 ; H 2 O(g) = 241,6 kj mol -1. (Juny 2006) (R: a) 6259,5 kj; b) 4882,4 L) P-13 Sota certes condicions el clorur amònic, NH 4 Cl (s), es dissocia completament en amoníac, NH 3 (g) i clorur d hidrogen, HCl (g). Calcula: a) La variació d entalpia de la reacció de descomposició del clorur amònic en condicions estàndard i indica si la reacció absorbeix o cedeix energia en forma de calor. b) Quina quantitat d energia en forma de calor absorbirà o cedirà la descomposició d una mostra de 87 g de NH 4 Cl(s) d una puresa del 79 %? c) Si la reacció de l apartat anterior es porta a terme a 1000 K en un forn elèctric de 25 litres de volum, quina serà la pressió en el seu interior en finalitzar la reacció? Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : NH 3 (g) = 46,3 kj mol -1 ; NH 4 Cl (s) = 315,4 kj mol -1 ; HCl(g) = 92,3 kj mol -1. (Setembre 2005) (R: a) 176,8 kj; b) 227,13 kj; c) 8,43 atm) P-14 Donades les reaccions: Na (s) + ½ Cl 2 (g) Na (g) + Cl (g) Na (g) + Cl (g) Na + (g) + Cl (g) ΔH = +230 kj ΔH = +147 kj

4 Problemes i Qüestions PAU: Termoquímica 4 Na (s) + ½ Cl 2 (g) NaCl (s) ΔH = 411 kj a) Calcula la variació d entalpia per a la reacció Na + (g) + Cl (g) NaCl (s). b) Calcula la quantitat d energia intercanviada en forma de calor en formar-se 100 g de NaCl (s) segons la reacció de l apartat a). c) Calcula l entalpia de formació de NaCl i expressa-la en kj/mol o J/g. (Juny 2005) (R: a) 788 kj; b) 1347 kj; c) 411 kj/mol; 7025,6 J/g) Q-15 La variació d entalpia de la reacció: Ag 2 O (s) 2 Ag (s) + ½ O 2 (g) és ΔHº = 30,60 kj. Sabent que la variació d entropia d aquesta reacció ve donada per ΔSº = 66,04 J K -1, i suposant que ΔHº i ΔSº romanen constants amb la temperatura, calcula: a) La variació d energia lliure de Gibbs a 25 ºC, indicant si la reacció serà o no espontània. b) La temperatura a partir de la qual la reacció és espontània. (Juny 2005) (R: a) 10920,08 J; no espontània ; b) T> 463 K) Q-16 En la taula següent s indiquen els signes de ΔH i de ΔS per a quatre processos diferents: Procés (I) (II) (III) (IV) Signe ΔH + + Signe ΔS + + Raona en cada cas si el procés serà espontani o no. (Setembre 2004) P-17 Donades les següents equacions termoquímiques: C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) (R: (I) espontani; b) (II) no espontani) ΔHº = 393,5 kj H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O (l) ΔHº = 285,8 kj CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) ΔHº = 890,0 kj a) Calcula la variació d entalpia en la reacció de formació del metà. b) Calcula els litres de diòxid de carboni mesurats a 25 ºC i 1 atm de pressió, que es produeixen en cremar 100 g de metà. Quina quantitat de calor s intercanvia en aquesta reacció? (Juny 2004) (R: a) 75,1 kj; b) 152,725 L) P-18 Considera la reacció de descomposició del triòxid de sofre (SO 3 ), en diòxid de sofre (SO 2 ), i oxigen molecular: a) Calcula la variació d entalpia de la reacció i indica si aquesta absorbeix o cedeix calor. b) Si la variació d entropia de la reacció (per mol de SO 3 descompost) val 94,8 J K 1 mol 1, prediu si la reacció és espontània a 25 ºC i 1 atm de pressió. c) Calcula la temperatura a la qual ΔGº = = 0. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : SO 3 (g) = 395,18 kj mol -1 ; SO 2 (g) = 296,06 kj mol -1. (Juny 2004) (R: a) 99,12kJ; b) no espontània; c) 1046 K) Q-19 L òxid de calci, CaO, es transforma en hidròxid de calci, Ca(OH) 2, després de reaccionar amb aigua. Calcula: a) El canvi d entalpia molar, en condicions estàndard, de la reacció anterior. Indica si es tracta d una reacció exotèrmica o endotèrmica. b) La quantitat d energia en forma de calor que és absorbida o cedida quan 0,25 g d òxid de calci es dissolen en aigua. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : CaO(s) = 634,3 kj mol -1 ; Ca(OH) 2 (s) = 986,2 kj mol -1 ; H 2 O(l) = 285,8 kj mol -1. (Setembre 2003)

5 Problemes i Qüestions PAU: Termoquímica 5 (R: a) 66,1 kj; exotèrmica; b) 295 J) P-20 El butà (C 4 H 10 ) és un compost gasós que pot experimentar una reacció de combustió. a) Formula la reacció i ajusta-la estequiomètricament b) Calcula la calor (en kcal) que pot subministrar una bombona que conté 4 kg de butà. c) Calcula el volum d oxigen, mesurat en condicions normals, que serà necessari per a la combustió de tot el butà contingut en la bombona. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : C 4 H 10 (g) = 1125 kj mol -1 ; CO 2 (g) = 394 kj mol -1 ; H 2 O(l) = 286 kj mol -1. (Juny 2003) (R: b) 31034,5 kcal; c) L) P-21 Les entalpies de combustió en condicions estàndard, ΔHº, de l etè, C 2 H 4 (g) i de l etanol, C 2 H 5 OH (l) valen 1411 kj/mol i 764 kj/mol, respectivament. Calcula: a) L entalpia en condicions estàndard de la reacció: C 2 H 4 (g) + H 2 O (l) CH 3 CH 2 OH (l) b) Indica si la reacció és exotèrmica o endotèrmica. c) La quantitat d energia que és absorbida o cedida en sintetitzar 75 g d etanol a partir de l etè i aigua. (Setembre 2002) (R: a) 647 kj; b) exotèrmica; c) 1055 KJ) P-22 L àcid acètic (CH 3 COOH) s obté industrialment per reacció del metanol (CH 3 OH) amb monòxid de carboni. a) Raona si la reacció és exotèrmica o endotèrmica. b) Calcula la quantitat d energia intercanviada si fem reaccionar 50 kg de metanol amb 30 kg de monòxid de carboni si el rendiment de la reacció és del 80 %. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : CH 3 OH(l) = 238 kj mol -1 ; CH 3 COOH(l) = 485 kj mol -1 ; CO(g) = 110 kj mol -1. (Juny 2002) (R: a) exotèrmica; b) ,6 kj) P-23 El metanol s obté industrialment a partir de monòxid de carboni i hidrogen segons la reacció: CO (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH (g) Tenint en compte les següents equacions termoquímiques: (1) CO (g) + ½ O 2 (g) CO 2 (g) ΔHº = 283,0 kj (2) CH 3 OH(g) + 3/2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) ΔHº = 764,4 kj (3) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O (l) ΔHº = 285,8 kj a) El canvi d entalpia per a la reacció d obtenció de metanol a partir de CO (g) i H 2 (g), indicant si la reacció absorbeix o cedeix calor. b) Quina quantitat d energia en forma de calor absorbirà o cedirà la síntesi de 1 kg de metanol? (Setembre 2001) P-24 L età pot obtenir-se per hidrogenació de l etè a partir de la reacció: CH 2 =CH 2 (g) + H 2 (g) CH 3 CH 3 (g) ΔHº = 137 kj (R: a) 90,2 kj; b) 2818,75 kj) a) Calcula l energia de l enllaç C=C tenint en compte que les energies dels enllaços C C, H H i C H són respectivament 346, 391 i 413 kj/mol. b) Raona quines seran les condiciones de pressió i temperatura més adequades per a obtenir un elevat rendiment en la producció d età. (Juny 2001) (R: a) 48 kj; b) temperatura baixa i pressió alta)

6 Problemes i Qüestions PAU: Termoquímica 6 P-25 Si sabem que la calor de combustió del propà, C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O(l), a pressió constant i temperatura de 25 ºC és 2218,8 kj/mol. Calcula: a) La variació d energia interna en kj/mol. b) L entalpia de formació estàndard de l aigua líquida. Dades: Entalpies de formació estàndard, ΔHº f : C 3 H 8 (g) = 103,8 kj mol -1 ; CO 2 (g) = 393,5 kj mol -1 ; R = 8,31J/mol K. (Setembre 2000) (R: a) 2213,847 kj/mol; b) 285,525 kj/mol) Q-26 Calcula l entalpia de formació estàndard del monòxid de nitrogen a pressió constant i expressa-la en kj/mol, a partir de les equacions termoquímiques següents: N 2 (g) + 2 O 2 (g) 2 NO 2 (g) ΔH 1 º = 67,78 kj 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) ΔH 2 º = 112,92 kj (Juny 2000) (R: 90,35 kj) P-27 Escriu la reacció ajustada d hidrogenació de l etí (acetilè) per a obtenir etè i la reacció d hidrogenació de l etè per a obtenir età, ambdues a 25 ºC. a) L entalpia d hidrogenació de l etí a etè és de 174,5 kj/mol, i l entalpia d hidrogenació de l etè a età és 137,3 kj/mol. Calcula l entalpia de deshidrogenació de l età per a obtenir etí a 25 ºC. b) Calcula l entalpia corresponent a la reacció de deshidrogenació d 1,0 grams d età per a obtenir etè a 25 ºC. (Juny 2000) (R: a) 311,8 kj; b) 4,58 kj) P-28 Les entalpies de combustió dels compostos líquids C 2 H 6 O i C 2 H 4 O són, respectivament 327,6 i 279,0 kcal/mol. a) Aplicant-hi la llei de Hess, calcula la variació d entalpia per a la reacció d oxidació: 2 C 2 H 6 O (l) + O 2 (g) 2 C 2 H 4 O (l) + 2 H 2 O (l) b) Escriu la fórmula desplegada i el nom sistemàtic, almenys, d un compost que corresponga a cadascuna de les fórmules empíriques C 2 H 6 O i C 2 H 4 O i indica el nom de la funció orgànica present en cada compost. (Setembre 1999) (R: a) 97,2 kcal) Q-29 Analitza justificadament la veracitat o la falsedat de les proposicions següents: a) En algunes reaccions, el calor de reacció a pressió constant és igual a la variació d energia interna. b) La condensació és un procés endotèrmic. c) Les entalpies de formació poden ser positives i negatives. (Juny 1999) (R: a) V; b) F; c) V) P-30 La vaporització d 1 mol de mercuri a 350 ºC i pressió constant d 1 atmosfera, absorbeix 270 J/g de Hg vaporitzat. Calcula: a) El treball d expansió en kj/mol a pressió constant. b) La variació d energia interna experimentada, en kj/mol. c) La variació d entalpia experimentada, en kj/mol. Dades: densitat del Hg líquid = 13,6 g/ml; R = 8,31 J/mol K. (Juny 1999) (R: a) 5175,0 J)