Nombre: [2 PUNTOS / UNO] 1. En un reactor de 2,50 L se introducen 72,0 g de trióxido de azufre. Cuando se alcanza el equilibrio

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1 Química 2º Bach. Examen de setiembre de 2005 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Problemas Nombre: [2 PUNTOS / UNO] 1. En un reactor de 2,50 L se introducen 72,0 g de trióxido de azufre. Cuando se alcanza el equilibrio SO 3 (g) SO 2 (g) + 1/2 O 2 (g) a C, se observa que la presión total en el interior del recipiente es de 18,0 atmósferas. Calcula K c y K p para el equilibrio anterior a C. Datos: masa de SO 3 : m = 72,0 g volumen del recipiente: V = 2,50 L temperatura: T = C = 473 K presión total: P = 18,0 atm. = 1, Pa cte. de los gase ideales: R = 8,31 J mol -1 K-1-1 = 0,0820 atm L mol-1 K Incógnitas: constante de equilibrio de concentraciones: constante de equilibrio de presiones: K c K p Ecuaciones: de reacción SO 3 (g) SO 2 (g) + 1/2 O 2 (g) Ley de estado de los gases ideales: P V = n R T Constante de equilibrio de concentraciones: K c = [SO 2][O 2 ] 1/2 [SO 3 ] Constante de equilibrio de presiones: K p = P SO 2 P O 2 1/2 = [SO 2] RT [O 2 ] RT 1/2 =K P SO 3 [SO 3 ] RT c RT 1/2 Cálculos: Cantidad de SO 3 inicial: n(so 3 ) = 72,0 g SO 3 (1 mol SO 3 ) / (80,1 g SO 3 ) = 0,899 mol SO 3 iniciales Llamando x a la cantidad de SO 3 que se disocia: Cantidad SO 3 SO 2 ½ O 2 Inicial (mol) 0, Reacciona (mol) x x x / 2 Equilibrio (mol) 0,899 x x x / 2 La cantidad de gas que habrá en el equilibrio será: n T = 0,899 x + x + x / 2 = 0,899 + x / 2 Suponiendo comportamiento ideal, la cantidad de gas que ejerce una presión de 18,0 atm en un recipiente de 2,50 L a C es: n= PV RT = 18,0 atm 2,50 L 0,0820 atm L mol 1 K 1 =1,16 mol gas 473 K Por tanto 0,899 + x / 2 = 1,16 x = 0,52 mol de SO 3 que se han disociado Las cantidades y concentraciones de los gases en el equilibrio son: n(so 3 ) e = 0,899 0,52 = 0,38 mol SO 3 [SO 3 ] = 0,38 mol SO 3 / 2,50 L = 0,15 M n(so 2 ) e = 0,52 mol SO 2 [SO 2 ] = 0,52 mol SO 3 / 2,50 L = 0,21 M n(o 2 ) e = 0,52 / 2 = 0,26 mol O 2 [O 2 ] = 0,26 mol SO 3 / 2,50 L = 0,10 M Las constante de equilibrio serán:

2 K c = [SO 2][O 2 ] 1/2 = 0,21 0,10 =0,45 [SO 3 ] 0,14 K p =K c RT=0,45 0, =2,8(estando las presiones en atmósferas) 2. Se puede obtener gas cloro por reacción entre el óxido de manganeso(iv) con una disolución de ácido clorhírdico, produciendo cloruro de manganeso(ii) como subproducto. a) Ajusta la reacción por el método ion-electrón. b) Calcula el volumen de cloro medido a 111 kpa y 45 0 C que se obtiene de la reacción de 200 kg de mineral pirolusita que contiene un 67% de óxido de manganeso(iv) con L de disolución de ácido clorhídrico 5,00 M. Datos: Presión para el gas cloro: P = 111 kpa = 1, Pa Temperatura para el gas cloro: T = 45 0 C = 318 K masa de pirolusita: m(pirolusita) = 200 kg = 2, g pirolusita (prls.) riqueza en MnO 2 : r = 67% Volumen de disolución de Cl: V D = L D Concentración de la disolución de Cl: [Cl] = 5,00 M Incógnitas: Volumen de gas cloro: Ecuaciones: de reacción: V MnO 2 (s) + Cl (aq) MnCl 2 (aq) + Cl 2 (g) Cálculos: Las sustancias o iones que se oxidan o reducen son: Oxidación: Cl Cl 2 Reducción: MnO 2 Mn 2+ Se ajustan primero los elementos (Cl y Mn): 2 Cl Cl 2 Luego los oxígenos como agua: MnO 2 Mn O A continuación los hidrógenos como protones: MnO Mn O Y finalmente las cargas como electrones: 2 Cl Cl e MnO e Mn O Se comprueba que se ganan tantos electrones como se pierden y se suman para obtener la reacción iónica MnO Cl Cl 2 + Mn O Para la reacción molecular, hay que sumar a cada lado 2 Cl 2 Cl y obtener: MnO 2 (s) + 4 Cl (aq) MnCl 2 (aq) + Cl 2 (g) O (l) Determinación del reactivo limitante: n(mno 2 ) hay = 2, g prls. 67 g MnO 2 / 100 g prls. 1 mol MnO 2 / 86, 9 g MnO 2 = 1, mol MnO 2 n(cl) hay = L D Cl 5,00 mol Cl / (L D) = 5, mol Cl Se necesitan n(cl) necesarios = 1, mol MnO 2 4 mol Cl / mol MnO 2 = 6, mol Cl que se necesitarían Como sólo hay 5, mol Cl, éste es el reactivo limitante. De la estequiometría de la reacción, se obtendrán n(cl 2 ) = 5, mol Cl 1 mol Cl 2 / 4 mol Cl = 1, mol Cl 2 que, suponiendo comportamiento ideal ocuparán V Cl 2 = n Cl 2 RT P = 1, mol Cl 2 8,31 J mol 1 K K =29,8 m 3 Cl 1, Pa

3 Cuestiones [1 PUNTO / UNO] 1. Nombra los siguientes compuestos e indica razonadamente cuál es ópticamente activo. C 3 C 2 CCl C 2 C 3 C 3 CBr CCl COO C 3 C 2 CCl C 2 C 3 : 3-cloropentano C 3 CBr CCl COO : ácido 2-cloro-3-bromobutanoico Este último tiene al menos un carbono asimétrico. En realidad tiene dos carbonos quirales: el 2 y el 3, por lo que tendrá 4 isómeros ópticos. 2. Razona hacia donde se desplazará el equilibrio: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) > 0 si disminuye la temperatura. La constante de equilibrio varía con la temperatura. En una reacción endotérmica, ( > 0) la constante de equilibrio aumenta al aumentar la temperatura, como se deduce de la ecuación de Van't off. ln K 2 = K 1 R 1 T 2 1 T 1 Si T 2 > T 1 1 / T 2 < 1 / T 1 (1 / T 2 1 / T 1 ) < 0 Como > 0 < 0 / R (1 / T 2 1 / T 1 ) > 0 Si ln K 2 / K 1 > 0 K 2 / K 1 > 1 K 2 > K 1. De la expresión de la constante de equilibrio K c = [PCl 3] e [Cl 2 ] e [PCl 5 ] e se deduce que al aumentar la constante de equilibrio, la nueva situación de equilibrio tendrá mayor[pcl 3 ] y [Cl 2 ] y menor [PCl 5 ], es decir, el equilibrio se habrá desplazado hacia la descomposición del PCl 5 (derecha) 3. az una estimación de cual sería el p resultante al mezclar volúmenes iguales de disoluciones de ácido acético y de hidróxido de sodio de la misma concentración. pk a (ácido acético) = 4,7 La reacción ajustada es: C 3 COO + NaO Na(C 3 COO) + 2 O Si los volúmenes y concentraciones de ambos son iguales, también lo serán las cantidades. Como reaccionan mol a mol, ambos reactivos se consumen y sólo queda en disolución acetato de sodio, que es una sal que procede de un ácido débil (el ácido acético) y de una base fuerte (el hidróxido de sodio). Como el ácido acético es un ácido débil porque su constante de acidez K a ((ácido acético) = 10 pk = 10 4,7 = es pequeña, su base conjugada (el ión acetato) reacciona con el agua, dando: C 3 COO + 2 O C 3 COO + O

4 una disolución de carácter básico, porque contiene iones O. El ión sodio, que procede de una base fuerte no reacciona con el agua. El p de una disolución básica es mayor que 7. p > 7 4. Coloca razonadamente las sustancias dadas en orden creciente del ángulo de enlace C: etano, eteno, etino. En el etano (C 3 C 3 ), cada átomo de carbono está unido a tres átomos de hidrógeno y al otro átomo de carbono. Como no existen pares no enlazantes, estos enlaces están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro formando ángulos de 109,5º. En el eteno (C 2 = C 2 ), cada átomo de carbono está unido a dos átomos de hidrógeno y al otro átomo de carbono mediante un doble enlace. Como no existen pares no enlazantes, estos enlaces están dirigidos hacia los vértices de un triángulo formando ángulos de aproximadamente 120º. En el etino (C C), cada átomo de carbono está unido a un átomo de hidrógeno y al otro átomo de carbono mediante un triple enlace. Como no existen pares no enlazantes, estos enlaces están dirigidos en sentidos opuestos a lo largo de una linea formando ángulos de 180º. etano eteno etino C C C C C C 109,5º 120º 180º etano < eteno < etino Laboratorio [2 PUNTOS] 1. Se pesan 2,25 g de hidróxido de sodio del 96% y se echan en un calorímetro cuyo equivalente en agua es de 43 g, que contiene 450 ml de agua a 14,6 0 C. La temperatura final del agua es de 15,7 0 C. Calcula el calor de disolución del hidróxido de sodio en agua (a P y T del laboratorio). Qué precauciones hay que seguir al pesar el hidróxido de sodio? Nombra todo el material que usarías en la pesada. Al ser el calorímetro un sistema aislado, el proceso es adiabático, y Q (cedido en la disolución) + Q D (ganado por la disolución) + Q C (ganado por el calorímetro) = 0 El calor Q D ganado por la disolución es aproximadamente igual al ganado por el agua: Q D = m(agua) c e (agua) t = 0,450 [kg] [J/kg K] (15,7 14,6) K = 2, J El calor Q C ganado por el calorímetro se calcular a partir del equivalente en agua del calorímetro. Q D = m(equivalente en agua) c e (agua) t = 0,043 [kg] [J/kg K] (15,7 14,6) K = 1, J Q (cedido en la disolución) = -2, J La masa de NaO puro que se ha disuelto es: 96 g NaO m=2,25 g hidróxido 100 g hidróxido = 2,16 g NaO puro

5 Como ocurre a presión constante, Q = Q P = 0 d = 2, J 1 kj 2,16 g NaO 10 3 J 40,0 g NaO 1 mol NaO = 42,0 kj / mol NaO Con las aproximaciones tomadas, deberíamos reducir el número de cifras significativas. d 0 = 42 kj / mol NaO El hidróxido de sodio es cáustico: produce quemaduras si toca la piel. No debe tocarse. Se tara un vidrio de reloj, y, con una espátula, se echan las lentejas de NaO. Se tapa el recipiente que contenía el hidróxido de sodio para evitar la hidratación y carbonatación. DATOS: R = 8,31 J mol -1 K -1 = 0,0820 atm L mol -1 K -1 ; 1 atm. = Pa = 760 mm g Calor especifico del agua: c e = 4,18 kj/kgk Densidad del agua: ρ = 1, kg/m 3