EJEMPOS RESUETOS DE A UNIDAD DIDÁCTICA V Ajuste de ecuaciones químicas. 1. El cloro se obtiene en el laboratorio haciendo reaccionar dióxido de manganeso con ácido clorhídrico que producen cloruro de manganeso (II), cloro gas y agua En primer lugar escribimos la ecuación sin ajustar identificando reactivos y productos mediante sus fórmulas MnO (s) + HCl (aq) MnCl (s) + Cl (g) + H O (l) El paso siguiente consistirá en recontar el número de átomos de cada elemento presentes en reactivos y productos y utilizar los coeficientes para igualarlos: Manganeso: en principio está ajustado Cloro: 1 átomo en los reactivos y 4 en los productos; para igualarlos deberemos escribir un 4 como coeficiente del ácido clorhídrico MnO (s) + 4 HCl (aq) MnCl (s) + Cl (g) + H O (l) Oxígeno: átomos en los reactivos y 1 en los productos; por tanto, tenemos que escribir un delante del agua MnO (s) + 4 HCl (aq) MnCl (s) + Cl (g) + H O (l) Si contamos de nuevo los átomos de cada clase comprobamos que la ecuación está ahora ajustada.. El benceno, C 6 H 6, es un compuesto orgánico líquido de olor característico que, por reacción con el oxígeno gas, sufre una combustión con producción de dióxido de carbono gaseoso y agua líquida acompañado de un gran desprendimiento de energía. a ecuación química correspondiente sin ajustar es C 6 H 6 (l) + O (g) CO (g) + H O (l) El recuento de átomos de cada elemento nos da el siguiente resultado: Carbono: 6 átomos en los reactivos y 1 átomo en los productos; para igualarlos utilizamos 6 como coeficiente del dióxido de carbono C 6 H 6 (l) + O (g) 6 CO (g) + H O (l) Hidrógeno: 6 átomos en los reactivos y en los productos, por lo que el coeficiente del agua debe ser un 3 C 6 H 6 (l) + O (g) 6 CO (g) + 3 H O (l) Oxígeno: átomos en los reactivos y 15 en los productos; por tanto el coeficiente del gas oxígeno debe ser 15/ C 6 H 6 (l) + 15/ O (g) 6 CO (g) + 3 H O (l) Ahora, la ecuación ya está ajustada, aunque puede escribirse una ecuación química equivalente con coeficientes enteros con sólo multiplicar por todos los coeficientes de la ecuación anterior C 6 H 6 (l) + 15 O (g) 1 CO (g) + 6 H O (l) 3. Al añadir disolución acuosa de ácido clorhídrico sobre carbonato de sodio sólido se desprende dióxido de carbono gaseoso y se obtienen cloruro de sodio disuelto y agua a ecuación sin ajustar es la siguiente Na CO 3 (s) + HCl (aq) CO (g) + NaCl (aq) + H O (l)
El número de átomos de cada clase en reactivos y productos es como sigue: Sodio: átomos en los reactivos y 1 átomo en los productos; los igualaremos poniendo un como coeficiente del cloruro de sodio Na CO 3 (s) + HCl (aq) CO (g) + NaCl (aq) + H O (l) Carbono: igual número de átomos en reactivos y en productos. Oxígeno: 3 átomos en los reactivos y 3 en los productos Cloro: 1 átomo en los reactivos y átomos en los productos; igualaremos el número utilizando un como coeficiente del ácido clorhídrico Na CO 3 (s) + HCl (aq) CO (g) + NaCl (aq) + H O (l) Con la última modificación de coeficientes la ecuación ya está ajustada 4. El nitrato de plomo (II) sólido sufre una descomposición térmica produciendo óxido de plomo (II) sólido, gas oxígeno y dióxido de nitrógeno gaseoso. a ecuación sin ajustar es Pb (NO 3 ) (s) PbO (s) + O (g) + NO (g) Recontamos los átomos de cada elemento: Nitrógeno: átomos en los reactivos y 1 átomo en los producto, por lo que el coeficiente del dióxido de nitrógeno deberá ser un Pb (NO 3 ) (s) PbO (s) + O (g) + NO (g) Plomo: igual número en reactivos que en productos Oxígeno: 6 átomos en los reactivos y 7 en los productos; si como coeficiente del oxígeno gas escribimos ½, habremos ajustado el número de átomos de oxígeno Pb (NO 3 ) (s) PbO (s) + ½ O (g) + NO (g) Si comprobamos ahora el número de átomos de cada clase en reactivos y en productos, comprobaremos que es el mismo, por lo que la ecuación está ya ajustada. Obtendríamos una ecuación ajustada equivalente a la anterior con coeficientes enteros multiplicando todos los coeficientes por Pb (NO 3 ) (s) PbO (s) + O (g) + 4 NO (g) Cálculos estequiométricos y reactivo limitante 5. Se necesita obtener en el laboratorio 100 de cloro gas, medidos a 15 ºC y 70 mmhg: para ello se hace reaccionar dióxido de manganeso con una disolución de ácido clorhídrico. Qué masa de MnO deberá reaccionar? Qué volumen de disolución de ácido clorhídrico M habrá que emplear? a ecuación ajustada correspondiente a la obtención de cloro gas la hemos obtenido en el Ejemplo 1. MnO (s) + 4 HCl (aq) MnCl (s) + Cl (g) + H O (l) Esta ecuación nos indica que la relación ar entre dióxido de manganeso y cloro gas es 1 a 1. Por tanto, deberán reaccionar tantos es de MnO como es de cloro deseemos obtener.
a cantidad de cloro, expresada en es, la podemos conocer aplicando la ecuación de los gases perfectos al volumen de gas que necesitamos 70mmHg 100 mmhg 760 P V 1atm P V n R T y n 4, 01 R T atm 0'08 (73 + 15) K K necesitaremos, entonces, que reaccionen 4,01 de MnO. a masa de dióxido de manganeso que tendremos que utilizar la determinaremos multiplicando esa cantidad de sustancia por la masa ar del MnO m ( MnO ) n( MnO ) M ( MnO ) Para finalizar el cálculo hay que determinar la masa ar del dióxido de manganeso M ( MnO ) (1 55 + 16) g / 87g / Por lo que la masa de MnO que debe reaccionar para obtener los 100 de cloro es g m ( MnO ) n( MnO ) M ( MnO ) 4,01MnO 87 349, 04gMnO MnO Para determinar el volumen de disolución M de ácido clorhídrico tenemos que partir de la relación estequiométrica entre HCl y Cl : se necesitan 4 de HCl para obtener 1 de cloro gas. 4HCl 4,01Cl 16, 048HCl 1Cl a concentración de la disolución de HCl es / y teniendo en cuenta que nsoluto nsoluto 16,048HCl c( / ) se llega a V ( ) 8,04 V ( ) c( / ) HCl 6. Se mezclan 0 g de cinc puro con 00 m de una disolución de ácido clorhídrico 6 M. Cuando termine el desprendimiento de hidrógeno, cuál será el reactivo en exceso?. a ecuación ajustada correspondiente a la reacción que tiene lugar es Zn (s) + HCl (aq) ZnCl (aq) + H (g) Según esta ecuación cada de cinc precisa es de ácido clorhídrico para reaccionar: calculemos a cuántos es corresponden 0 g de cinc y 00 m de HCl 6M:
1Zn 0 gzn 0, 306Zn 65,4gZn 1 n soluto c( / ) V ( ) 6 00m 1, HCl 1000m De acuerdo con la relación estequiométrica entre Zn y HCl, los 0 306 de Zn necesitarian 0 61 de HCl; por tanto, se consume todo el cinc y, completada la reacción sobrarán 1, 0,61 0,588 HC 7. Se tiene inicialmente una mezcla gaseosa formada por 4 de metano y 15 de oxígeno. Una vez que los gases han reaccionado, calcula el volumen final de las sustancias existentes en el interior del recipiente si todos ellos están medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura. Entre el metano y el oxígeno tiene lugar una reacción de combustión, cuya ecuación ajustada es CH 4 (g) + O (g) CO (g) + H O (l) De acuerdo con la Hipótesis de Avogadro y a ey de los volúmenes de combinación, la relación volumétrica entre metano y oxígeno es 1 volumen de metano cada volúmenes de oxígeno. Entonces, el oxígeno necesario para que el metano reaccione completamente es O 4 CH 4 8O, y, como el volumen inicial de oxígeno son 15, éste 1CH 4 es el reactivo en exceso, mientras que el metano es el reactivo limitante y se consume completamente en el transcurso de la reacción. Utilizando la estequiometría de la reacción, los 4 de metano darán lugar a 4 de dióxido de carbono; así que, la mezcla final estará compuesta por los siguientes volúmenes de gases 15-8 7 de oxígeno 4 de dióxido de carbono Equilibrio químico 8. a constante de equilibrio Kc de la reacción H (g) + CO (g) H O (g) + CO (g) vale 4, a 160 ºC. Para iniciar la reacción se inyecta 0,8 de H y 0,8 de CO en un recipiente de 5 de volumen, Cuál es la concentración de todas las especies en el equilibrio? En primer lugar, vamos a estimar, a la vista de la estequiometría del equilibrio, el número de es que reaccionan, se producen y se encuentran en equilibrio. a forma más clara e intuitiva de recoger esa información es mediante una tabla como la siguiente H (g) CO (g) H O (g) CO (g) es iniciales 0,8 0,8 es que reaccionan x x es que se producen x x
es en equilibrio 0,8-x 0,8-x x x Y las concentraciones de las especies en equilibrio serían númerodees [ H ] [ CO ] volumen x [ H O] [ CO] (0,8 x) Podemos expresar ahora la constante de este equilibrio en función de esas concentraciones de sustancia K c [ CO][ H O] 4, [ CO ][ H ] x x (0,8 x) (0,8 x) x (0,8 x) 4, Al resolver la ecuación se obtienen como soluciones x 1 1,57 y x 0,55. Obviamente, la primera de ellas no tiene sentido pues es mayor que el número inicial de es; por tanto el valor correcto es 0,55. Entonces, las concentraciones cuando se alcance el estado de equilibrio serán (0,8 x) (0,8 0,55) [ H ] [ CO ] 0, 05 y x 0,55 [ H O] [ CO] 0' 11 9. En un recipiente de 5 se introduce 1 de SO y 1 de O y se calienta hasta 77ºC, temperatura a la que se establece el equilibrio SO (g) + O (g) SO 3 (g). Tras alcanzarse el equilibrio, la mezcla contiene 0,150 de SO (g), qué masa de SO 3 (g) existe en el equilibrio? Cuál es la constante Kc del equilibrio? Procedemos como en el ejemplo anterior estimando la cantidad de sustancia que reacciona, se produce y está en equilibrio, tomando como base la estequiometría del equilibrio SO (g) O (g) SO 3 (g) es iniciales 1 1 es que reaccionan (1-0 15) 0,85 0,85:0,45 es que se producen 0,85 es en equilibrio 0 15 1-0,450,575 0 85 os es de SO que reaccionan son los iniciales (1 ) menos los que están en equilibrio (0,15 ). os es de O que reaccionan son las mitad que los de SO por que su relación ar es SO por 1 O. Se producen tantos es de SO 3 como es de SO se consumen
a masa de trióxido de azufre en equilibrio es m ( SO3) n( SO3) M ( SO3) y la g g masa ar del trióxido de azufre es M ( SO3 ) (1 3 + 3 16) 80 g Entonces m ( SO3) n( SO3) M ( SO3) 0,85SO3 80 68gSO3 es la masa de trióxido de azufre en equilibrio Para calcular el valor de la constante de equilibrio hay expresar las concentraciones de las especies en equilibrio 0' 15 [ SO ] 0' 03 0'575 [ O ] 0' 115 0'85 [ SO3 ] 0, 17 y, después, sustituir esos valores en la expresión de la constante del equilibrio SO (g) + O (g) SO 3 (g K C (0,17 ) [ SO3] [ SO O ] [ ] (0,03 ) (0,115 ) 79, 1 Termoquímica y ey de Hess 10. Hallar el calor de la reacción C (grafito) + ½ O (g) CO (g), verificada en condiciones normales o estándar, sabiendo que las entalpías estándar de combustión del grafito y del monóxido de carbono son, respectivamente, -393 05 KJ/ y 38 0 KJ/ Antes de comenzar la resolución del problema una cuestión referida a la terminología usada en Termoquímica y Termodinámica: las condiciones estándar corresponden a 1 atm de presión y 5 ºC de temperatura. os datos que proporciona el problema son (a) combustión del grafito: C grafito + O (g) CO (g) H a -393,05 kj/ (b) combustión del CO: CO (g) + ½ O (g) CO (g) H b -38,0 kj/ Si a la ecuación (a) le restamos la ecuación (b), obtenemos la ecuación (c) C (grafito) + ½ O (g) CO (g), de la cual queremos conocer la entalpía de reacción. Aplicando la ey de Hess, como (c) (a) (b), la entalpía de la reacción (c) será H c H a H b -393,05 ( 38,0) 155,05 kj/
11. El calor producido en la reacción de combustión a presión constante del eteno o etileno (C H 4 ) gaseoso con formación de agua líquida y dióxido de carbono es de 1409 KJ/ a 5 ºC. as entalpías de combustión en condiciones estándar del carbono y del hidrógeno son, respectivamente, -394 y 86 KJ/. Cuál es la entalpía de formación del etileno? a ecuación química que corresponde a la formación del etileno es (a) C (s) + H (g) C H 4 (g) H a a de combustión de etileno es (b) C H 4 (g) + 3 O (g) CO (g) + H O (l) H b 1409 kj/ a de combustión del hidrógeno (c) H (g) + ½ O (g) H O (l) H c 86 kj/ a ecuación de combustión del carbono es (d) C (s) + O (g) CO (g) H d 394 kj/ Podemos obtener la ecuación química de formación del etileno mediante la siguiente combinación lineal del resto de ecuaciones: (a) (c) + (d) (b) (c): [ H (g) + ½ O (g) H O (l) ] H (g) + O (g) H O (l) (d): [C (s) + O (g) CO (g) ] C (s) + O (g) CO (g) -(b): CO (g) + H O (l) C H 4 (g) + 3 O (g) (como se observa, restar la ecuación equivale a invertir reactivos y productos) Haciendo la suma (c) + (d) (b) se llega a H (g) + O (g) + C (s) + O (g) + CO (g) + H O (l) H O (l) + CO (g) + C H 4 (g) + 3 O (g) que, tras eliminar las sustancias que aparecen en ambos términos en la misma cantidad, es la ecuación de formación del etileno Aplicando ahora la ey de Hess, H a H c + H d - H b ( 86) + ( 394) ( 1409) 49 kj/ y se trata, por tanto, de una reacción endotérmica Hallar la energía del enlace H-Cl sabiendo que la entalpía de formación de HCl y las de disociación del H y del Cl son, respectivamente, - 9 3 KJ/, 436 KJ/ y 4 6 KJ/. a ecuación de disociación del hidrógeno H (g) H (g) y el valor de la energía de disociación nos indican que la entalpía del enlace H H es 436 Kj/. a disociación del cloro ecular es Cl (g) Cl (g) y el valor de la energía de disociación nos indica que la entalpía del enlace Cl Cl es 4,6 kj/ a ecuación de formación del cloruro de hidrógeno es ½ H (g) + ½ Cl (g) HCl (g) y en ella H -9,3 Kj/
y la variación de entalpía en ella se puede calcular como H H enlaces rotos H enlaces formados (a) En la formación del cloruro de hidrógeno se forma 1 de enlaces Cl H se rompe ½ de enlaces H-H y ½ de enlaces Cl-Cl. Por tanto H enlaces rotos ½ (436) + ½ (4,6) 339,3 kj H enlaces formados H Cl-H Utilizando ahora la igualdad (a) y sustituyendo en ella los valores conocidos -9,3 339,3 - H Cl-H y H Cl-H 339,3+ 9,3 431,6 kj/