IES Vega del Táder. Molina de Segura Relación de ejercicios para Física y Química de 1º de Bachillerato

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1 IES Vega del Táder. Molina de Segura Relación de ejercicios para Física y Química de 1º de Bachillerato HOJA VII. ENERGÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS 7.1 Para la reacción de obtención del aluminio a partir de la bauxita, Al 2 O 3 (s ) 2 Al (s ) + 3/2 O 2 (g), a 25 ºC se sabe que ΔH = +1675,7 kj/mol. Calcule la cantidad de energía calorífica necesaria para obtener 6 latas de aluminio, cada una de ellas con un peso de 13,5 g. Sol: 2513,6 kj. 7.2 Calcule la energía necesaria para preparar 3 kg de óxido de calcio a partir de la descomposición de carbonato cálcico en dióxido de carbono y óxido de calcio. Datos: ΔHº f (kj/mol): CO 2 (g) = 393,5; CaCO 3 (s ) = 1206,2; CaO (s ) = 635,6. Sol: 9470,6 kj. 7.3 Calcule la entalpía estándar de formación del hidróxido de calcio (sólido) a partir de los siguientes datos: a) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔHº = 68,3 kcal b) CaO (s ) + H 2 O (l ) Ca(OH) 2 (s ) ΔHº = 15,3 kcal c) Ca (s ) + ½ O 2 (g) CaO (s ) ΔHº = 151,8 kcal Sol: 235,4 kcal 7.4 Las entalpías estándar de formación del agua y del monóxido de carbono valen 264,67 y 110,40 kj/mol, respectivamente. Calcule razonadamente para la siguiente reacción, H 2 O (l) + C (s ) CO (g) + H 2 (g), la variación de entalpía estándar. Sol: +154,27 kj/mol 7.5 Dadas las entalpías de formación siguientes: CO 2 (g) = 393,5 kj/mol, H 2 O (l) = 285,5 kj/mol y C 4 H 1 0 (g) = 124,7 kj/mol, a) escriba las reacciones a que se refieren estos datos. b) Calcule el calor de combustión del butano. Sol: b) 2876,8 kj/mol 7.6 Se obtiene cloruro de hidrógeno a partir de la reacción H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl (g) ΔH = 184,4 kj. Calcule: a) La energía desprendida para la producción de 100 kg de cloruro de hidrógeno. b) La entalpía del enlace H Cl sabiendo que las entalpías de enlace de H H y Cl Cl son, respectivamente, 435 y 243 kj/mol. Sol: a) 2, kj/; b) 431,2 kj/mol 7.7 Calcule el valor de la variación estándar de entalpía para la reacción 3 CH 4 C 3 H H 2 sabiendo que las energías de enlace para C H, C C y H H son 99, 83 y 104 kcal mol 1, respectivamente. Sol: 22 kcal. 7.8 Para una reacción química dada se sabe que, a 25ºC y 1,0 atm ΔH = 200 kj y ΔS = 80 J/K. Razone si en esas condiciones la reacción será endotérmica o exotérmica y si será espontánea. Sol: ΔH = +200 kj (endotérmica); ΔG = +176 kj (no espontánea) 7.9 Por qué se dice que en el cero absoluto de temperatura cualquier reacción exotérmica será espontánea? Sol: Calcule ΔG teniendo en cuenta que T=0 K. Qué signo tiene, en esas condiciones, ΔG? 7.10 Para la reacción C 2 H 5 OH + O 2 (g) CH 3 COOH + H 2 O disponemos de los siguientes datos: a) Indique si la reacción es exotérmica o Sustancia Sº ΔHº f (J/K mol) (kj/mol) endotérmica y si se produce un aumento o C disminución de entropía. 2 H 5 OH 160,7 277,6 b) Calcule ΔGº a 298 K e indique si la CH 3 COOH 159,8 487,0 H reacción es espontánea. Puede influir la 2 O 70,0 285,8 O temperatura en la espontaneidad? 2 205, Sol.: a) ΔHº= 495,2 kj/mol; ΔSº = 135,9 J/K.mol. b) ΔGº = 454,7 kj/mol; Si T>3643,9 K el proceso sería no espontáneo.

2 7.11 A presión atmosférica, el proceso H 2 O (l) H 2 O (s ) (ΔH= 6,008 kj/mol y ΔS= 22 J/mol K) es espontáneo a 5,0 ºC, se encuentra en equilibrio a 0 ºC y no es espontáneo a 5,0 ºC. Explique los motivos termodinámicos de este comportamiento. Sol: La espontaneidad del proceso depende del valor de la variación de energía libre Sabiendo que ΔH o f (H 2 O) (l) = 285,8 kj/mol, ΔH o f (H 2 O) (g) = 241,8 kj/mol, S o (H 2 O) (l) = 69,91 J/mol y que S o (H 2 O) (g) = 188,7 J/mol para el proceso H 2 O (l) H 2 O (g) calcule razonadamente: a. La temperatura a la que el sistema estará en equilibrio. b. A partir de qué temperatura será espontáneo. Suponga que los datos termodinámicos no cambian con la temperatura. Sol: 370,4 K Sea la reacción de formación del monóxido de nitrógeno. a. Calcule el cambio de entropía del sistema y la temperatura a la que el sistema estará en equilibrio. b. A partir de que temperatura será espontánea. Datos: ΔH o NO = 90,28 kj mol -1, ΔS o para NO, N 2 y O 2 son 210,42, 190,71 y 204,82 J mol -1 K -1 respectivamente. Sol: a) 12,66 J/mol K; b) 7134 K 7.14 Mediante la fotosíntesis se transforma dióxido de carbono y agua en hidratos de carbono, como la glucosa, obteniéndose la energía necesaria de la luz del sol. A partir de los siguientes datos tomados a 25 ºC y 1,0 atm para la reacción CO 2 (g) + H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (s ) + O 2 (g), responda a las siguientes cuestiones: CO 2 (g) H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (s ) O 2 (g) ΔHº f (kj/mol) 393,5 285,5 1273,5 0 Sº (J mol 1 K 1 ) 213,6 69,9 212,1 205 a) Calcule la energía solar mínima para formar 9,00 gramos de glucosa. b) Se trata de un proceso espontáneo a 298 K? Razone y justifique su respuesta Sol: a) 140,0 kj; b) ΔGº = kj/mol (proceso no espontáneo) Para la reacción C (s ) + H 2 O (g) CO (g) + H 2 (g) a) Calcule la entalpía estándar e indique si se trata de un proceso endotérmico. b) Calcule el cambio de entropía y la energía libre a 298 K. Indique si se trata de un proceso espontáneo a esa temperatura. c) La combustión de los productos de reacción conduce a la formación de CO 2 y H 2 O. Escriba estas reacciones de combustión y calcule la energía desprendida en la combustión de 100 L de estos productos medidos a 298 K y 1,00 atm de presión. C (s ) H 2 O (g) CO 2 (s ) CO (g) H 2 O (l) H 2 (g) ΔHº f (kj/mol) 0 241,6 393,7 110,5 285,8 0 Sº (J mol 1 K 1 43,5 188,7 213,6 197,5 69,9 130,6 Sol: a) ΔHº = 131,1 kj/mol (endotérmico); b) ΔSº = + 95,9 J/mol, ΔGº = +102,5 kj/mol (no espontáneo); c) CO: -579 kj, H 2: -583 kj 7.16 Las entalpías de formación estándar del CO 2, H 2 O y C 3 H 8 son respectivamente 393,5, 285,8 y 103,85 kj mol 1 a) Escriba la reacción de combustión del propano. b) Calcule la entalpía estándar de combustión del propano. c) Determine la masa de este gas necesaria para obtener 1000 kg de óxido de calcio por descomposición térmica de carbonato cálcico según la ecuación: CaCO 3 (s ) CaO (s ) + CO 2 (g) ΔHº = 178,2 kj. Suponga que los calores de reacción son los mismos que a 25 ºC. Sol: b) kj/mol (exotérmico); c) 62,96 kg 7.17 Para una reacción química A (g) + B (g) AB (g) : a) Calcule el intervalo de temperatura en el que la reacción es espontánea si ΔH = 70 kj y ΔS = 140 J K 1 b) Calcule la temperatura a la que se alcanza el equilibrio si ΔH = 70 kj y ΔS = 140 J K 1 c) Qué significan los signos de ΔH y ΔS? Sol: a) (0, 500 K); b) no se alcanza el equilibrio (no espontáneo); c) proceso exotérmico en el que diminuye la entropía.

3 7.18 Dadas las entalpías estándar de formación en kj/mol (a 25 ºC) del CO 2, 393,5 del SO 2, 296,1 y sabiendo que la entalpía de combustión del CS 2 es 1072 kj (CS 2 (l) + 3 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 SO 2 (g) ), calcule: a) La entalpía estándar de formación del disulfuro de carbono a la temperatura dada. b) El calor que, a 25 ºC y en las condiciones estándar de presión, debemos aportar para la síntesis de 2,50 kg de disulfuro de carbono. Sol: a) + 86,3 kj/mol; b) kj/mol 7.19 Considere la formación de N 2 O 5 (g) mediante la reacción 2 NO 2 (g) + ½ O 2 (g) N 2 O 5 (g), para la cual ΔHº = 55,1 kj y ΔSº = 227 J K -1. Teniendo en cuenta los datos de la tabla adjunta, calcule: a) ΔH f º del N 2 O 5 (g). b) Sº del N 2 O 5 (g). c) ΔGº de la reacción. Es espontánea la reacción en estas condiciones? Razone la respuesta. Sol: a) + 11,3 kj/mol; b) + 355,0 J/K; c) espontánea para T < 243 K 7.20 A partir de los siguientes datos, calcule: Sustancia C 3 H 8 CO 2 H 2 O ΔHº f, kj/mol 103,9 393,5 285,8 Sustancia Valor NO 2 (g) 33,2 kj mol -1 NO 2 (g) ,7 J mol -1 K O 2 (g) ,1 J mol -1 K a) La entalpía estándar de combustión del propano. b) Los kg de propano necesarios para evaporar 2000 L de agua a 100 ºC, si el calor de vaporización del agua, a 1,00 atm y 100 ºC, es de 40,5 kj/mol. Suponga que la densidad del agua es 1,00 g cm -3. c) La masa de CO 2 emitida a la atmósfera por la combustión de una tonelada de propano. Sol: a) kj/mol; b) 89,2 kg; c) 3000 kg El calor de combustión del ácido acético, CH 3 COOH (l), es 874 kj mol -1. Sabiendo que las entalpías de formación estándar del CO 2 (g) y del H 2 O (l) son, respectivamente, 393,3 y 285,6 kj mol -1, a) Calcule la entalpía estándar de formación del ácido acético. b) Determine qué producirá más calor, la combustión de 1,00 kg de carbono o la de 1,00 kg de ácido acético. Sol: a) 483,8 kj/mol; b) kj Calcule la entalpía estándar de formación del propano a partir de los siguientes datos: (1) C 3 H 8 (g) + 5 O 2 (g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O (l) ΔHº= 2219,9 kj (2) C (grafito) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔHº= 393,5 kj (3) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔHº= 285,8 kj a) Indique en qué ley se basa para hacer dicho cálculo y defínala. b) Justifique si la reacción de formación del propano será espontánea a cualquier temperatura. Sol: a) 103,8 kj/mol; b) ley de Hess; c) G puede ser positiva a partir de una temperatura dada Teniendo en cuenta los siguientes datos termodinámicos a 298 K, justifique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La oxidación de NO a NO 2, en condiciones estándar, es un proceso exotérmico. b) La oxidación de NO a NO 2, en condiciones estándar, es un proceso espontáneo. c) La formación de NO a partir de N 2 y O 2, en NO (g) NO 2 (g) ΔHº f, kj/mol 90,25 33,18 ΔGº f, kj/mol 86,57 51,3 condiciones estándar, es un proceso endotérmico Sol: a) V: H fº=+90,25 kj/mol; b) V: H =-57,1 kj/mol; c) V: G=-35,3 kj/mol. ΔH f º Sº Sº

4 7.24 La entalpía estándar de formación del propano es 183,8 kj mol -1, la del CO 2 (g) 393,5 kj mol -1 y la del H 2 O (l) 285,8 kj mol -1. Calcule: a) La entalpía de combustión del propano. b) El volumen de aire, en condiciones normales, que necesitamos para quemar 1 kg del mismo. (Dato: el aire contiene un 21 % de O 2 ). c) La masa de propano necesaria para calentar 50 ml de agua, de densidad 1,00 g/ml, desde 25 ºC hasta 50,0 ºC, si la capacidad calorífica del agua es 4,18 kj kg -1 K -1. Sol: a) 2140 kj/mol; b) L; c) 0,107 g Teniendo en cuenta las siguientes ecuaciones termoquímicas: (1) CO (g) + ½ O 2 (g) CO 2 (g) ΔH = 283,0 kj/mol (2) CH 3 OH (g) + 3/2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) ΔH = 764,4 kj/mol (3) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔH = 285,8 kj/mol a) Calcule la variación de entalpía de la reacción de síntesis del metanol: CO (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH (g). b) Determine la cantidad de calor puesta en juego en la síntesis de 1 kg de metanol. Es un proceso endotérmico? c) Cuál será el signo de ΔS para la reacción de síntesis del metanol?, será espontánea a cualquier temperatura? Sol: a) 90,2 kj/mol; b) 2820 kj, proceso exotérmico; c) ΔS < 0 al disminuir el nº de moles de gas, no espontánea a alta tª El etano se puede obtener por hidrogenación del eteno: CH 2 = CH 2 (g) + H 2 (g) CH 3 - CH 3 (g) ΔHº = 137 kj/mol. a) Calcule la entalpía del enlace C=C, si las energías de enlace C-C, H-H y C-H son, respectivamente, 346, 391 y 413 kj/mol. b) Calcule la masa de etano formada a partir de 20 L de eteno y 15 L de hidrógeno medidos en condiciones estándar. Cuál es el calor desprendido? Sol: a) 644 kj/mol; b) 18,4 g / 84 kj La glucosa es un azúcar, de masa molecular 180, que contiene C, H y O. a) Calcule la fórmula molecular de la glucosa si la combustión completa de 1,80 g de la misma producen 2,64 g de CO 2 y 1,08 g de H 2 O. b) Calcule la entalpía estándar de combustión de la glucosa si la entalpía estándar de formación de la glucosa, dióxido de carbono y agua son 1261 kj/mol, 393,5 kj/mol y 284,7 kj/mol, respectivamente. Sol: a) C 6H 12O 6 ; b) kj/mol Sabiendo que las entalpías estándar de combustión del etano (g) y eteno (g) son 1559,7 y -1410,9 kj/mol, respectivamente, y que las entalpías de formación estándar del agua (l) y dióxido de carbono (g) son 285,8 y 393,5 kj/mol, respectivamente: a) Calcule las entalpías de formación del etano y del eteno. b) Calcule la variación de entalpía para el proceso C 2 H 4 (g) + H 2 (g) C 2 H 6 (g). c) Para el proceso anterior la variación de entropía es de 110,6 J/k. Razone sobre la espontaneidad del proceso. Sol: a) -84,7 y +52,3 kj/mol; b) -137,0 kj/mol; c) espontánea por debajo de 1239 K El sulfuro de hidrógeno puede transformarse en azufre según la reacción sin ajustar: H 2 S (g) + O 2 (g) S (g) + H 2 O (l). Las entalpías de formación del sulfuro de hidrógeno y del agua son 5,30 y 68,4 kcal mol -1, respectivamente. Calcule: a) La entalpía de la reacción anterior. b) El calor desprendido por tonelada de azufre producido. Sol: a) -63,1 kcal/mol; b) 1, kcal.

5 7.30 La sacarosa, C 12 H 22 O 11, es uno de los alimentos más consumidos. Cuando reacciona con O 2 se forma CO 2 y H 2 O y se desprenden 348,9 kj mol -1 a presión atmosférica. El torrente sanguíneo absorbe, en promedio, 26 moles de O 2 en 24 horas. Con esta cantidad de oxígeno: a) Cuántos gramos de sacarosa pueden reaccionar al día? b) Cuántos kj se producirán en la combustión? Sol: a) 741 g; b) 757,1 kj/ A partir de los siguientes datos: (1) ½ N 2 (g) + O 2 (g) NO 2 (g) ΔHº 1 = 33,18 kj (2) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (g) ΔHº 2 = 241,8 kj (3) N 2 H 4 (l) + 3 O 2 (g) 2 NO 2 (g) + 2 H 2 O (g) ΔHº 3 = 467,8 kj a) Calcule la entalpía estándar de formación de la hidracina líquida, N 2 H 4. b) Calcule la variación de entalpía estándar de la reacción N 2 H 4 (l) + 2 H 2 O 2 (l) N 2 (g) + 4 H 2 O (g), si ΔHº f (H 2 O 2 ) = 187,8 kj mol -1. c) Determine hasta qué temperatura se calentarán 100 L de agua, que inicialmente se encuentran a 25 ºC, con el calor desprendido en la reacción de 1,00 L de hidracida y la suficiente cantidad de H 2 O 2. Datos: d(h 2 O) = 1,00 g/cm 3 ; d(n 2 H 4 ) = 1,02 g/cm 3 ; calor específico del agua = 4,187 J/g ºC. Sol: a) 50,56 kj/mol; b) -642,2 kj/mol; c) 73,9 ºC Justifique si las siguientes afirmaciones acerca de una reacción para la que ΔHº > 0, ΔSº > 0 y ΔGº > 0 a 25 ºC, son verdaderas o falsas. a) Es un equilibrio a dicha temperatura. b) Será espontánea a temperaturas mayores de 25 ºC. Sol: a) F; b) V, siempre que T ΔS > ΔH La nitroglicerina, C 3 H 5 (NO 3 ) 3, descompone según la ecuación 4 C 3 H 5 (NO 3 ) 3 (l) 12 CO 2 (g) + 10 H 2 O (g) + 6 N 2 (g), ΔHº = kj. a) Calcule la entalpía de formación estándar de la nitroglicerina. b) Calcule el calor desprendido cuando se descomponen 100 g de nitroglicerina. Datos: ΔHº f (CO 2 ) = 393,5 kj/mol; ΔHº f (H 2 O (g) ) = 241,8 kj/mol. Sol: a) -360 kj/mol; b) 628 kj Considere la reacción química C(g) + 2 H 2 (g) CH 4 (g). a) Calcule la variación de entalpía estándar sabiendo que la entalpía de sublimación del carbono es igual a 717 kj/mol y la entalpía estándar de formación del CH 4 es igual a -75 kj/mol. Justifique si la reacción es exotérmica o endotérmica. b) Calcule su variación de energía interna a 25 ºC. Dato R = 8,325 J/K mol. Sol: a) -792 kj/mol; b) -787 kj/mol Sabiendo que la entalpía estándar de formación del tolueno (C 6 H 5 -CH 3 ) líquido, del CO 2 y del agua es 11,95, 94,05 y 68,32 kcal/mol, respectivamente, calcule: a) La entalpía de combustión del tolueno líquido. b) La energía desprendida en la combustión completa de 50 g de tolueno. Sol: a) -943,6 kcal/mol; b) -512,8 s kcal Los calores de combustión bajo condiciones estándar de eteno (C 2 H 4 ) carbono (para producir CO 2 ) e hidrógeno son -1409, -393,6 y -286 kj/mol, respectivamente. A partir de estos datos: a) Calcule la entalpía de formación estándar del eteno. b) Justifique si la reacción de formación del eteno será espontánea bajo determinadas condiciones de temperatura.