Química I.E.S. Elviña DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Cuestiones Equilibrio en fase gas, ácido-base y solubilidad. 02/03/07 Nombre 1. En un matraz de 1 litro se encuentran en equilibrio en estado gaseoso a una temperatura de 250 0 C, hidrógeno, bromo y bromuro de hidrógeno. Indica cómo afectaría un aumento de temperatura a: a) La constante de equilibrio. [1 PTO.] b) La situación de equilibrio. [1 PTO.] 2. a) Justifica el carácter ácido, neutro o básico de 100 cm 3 de una disolución 0,10 M de acetato de sodio (etanoato de sodio). [1 PTO.] b) Indica si con ella podrías preparar una disolución amortiguadora (reguladora o tampón) y cómo. En caso contrario, indica qué sustancias emplearías para prepararla. [1 PTO.] Problemas 1. En un matraz de 2,00 dm 3 se introducen 0,133 mol de pentacloruro de fósforo gas y se calienta a 250 0 C. Calcula el grado de disociación del pentacloruro de fósforo gas en tricloruro de fósforo gas y cloro gas una vez alcanzado el equilibrio. [3 PTOS.] 2. Calcula: a) La solubilidad del hidróxido de magnesio en g/l. [1 PTO.] b) El ph de una disolución saturada de hidróxido de magnesio. [1 PTO.] c) El ph necesario para precipitar hidróxido de magnesio en una disolución 5,00 10-2 M de cloruro de magnesio. [1 PTO.] DATOS: R = 0,082 atm L mol -1 K-1 = 8,31 J mol -1 K-1 1 atm = 760 mm Hg = 1,01 10 5 Pa A 25 0 C K a (ácido acético) = 1,8 10-5 K w = 1,00 10-14 K s (hidróxido de magnesio) = 9,00 10-12 A 250 0 C K P (disociación del pentacloruro de fósforo) = 1,89 H f (bromuro de hidrógeno) = -34 kj/mol.
Cuestiones Soluciones 1. En un matraz de 1 litro se encuentran en equilibrio en estado gaseoso a una temperatura de 250 0 C, hidrógeno, bromo y bromuro de hidrógeno. Indica cómo afectaría un aumento de temperatura a: a) La constante de equilibrio. b) La situación de equilibrio. DATOS: H f (bromuro de hidrógeno) = -34 kj/mol Rta.: a) reacción formación exotérmica, K disminuye al aumentar T b) disminuye la cantidad de HBr. H 2 (g) + Br 2 (g) 2 HBr(g), H = -68 kj i) Un aumento de la temperatura favorece el proceso endotérmico. Si una reacción exotérmica, como la formación de HBr, se encuentra en equilibrio y se produce un aumento de temperatura, la reacción se desplaza en sentido endotérmico, es decir, hacia la descomposición de HBr, hasta que alcance una nueva situación de equilibrio en la que exista más moléculas de bromo e hidrógeno y menos de bromuro de hidrógeno que en la situación de equilibrio inicial. Esto se debe a que la constante de equilibrio varía con la temperatura. En una reacción exotérmica, la constante de equilibrio disminuye al aumentar la temperatura, como se deduce de la ecuación de Van't Hoff. ln K 2 = H K 1 R 1 T 2 1 T 1 Si T 2 > T 1 Como H < 0 Si ln (K 2 / K 1 ) < 0 1 / T 2 < 1 / T 1 (1 / T 2 1 / T 1 ) < 0 H > 0 H / R (1 / T 2 1 / T 1 ) < 0 La expresión de la constante K C del equilibrio es K 2 / K 1 < 1 K 2 < K 1 K C = [HBr]2 [Br 2 ][H 2 ] Si la constante K C disminuye, el numerador de esa expresión debe disminuir y el denominador debe aumentar. Es decir, en el nuevo equilibrio deberá haber menos HBr y más Br 2 e H 2. 2. a) Justifica el carácter ácido, neutro o básico de 100 cm 3 de una disolución 0,10 M de acetato de sodio (etanoato de sodio). b) Indica si con ella podrías preparar una disolución amortiguadora (reguladora o tampón) y cómo. En caso contrario, indica qué sustancias emplearías para prepararla. Rta.: a) CH 3 COO + H 2 O CH 3 COOH + OH básica. b) +0,01 mol CH 3 COOH El acetato de sodio 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, su base conjugada (el ión acetato) reacciona con el agua, dando:
CH 3 COO + H 2 O CH 3 COOH + OH una disolución de carácter básico, porque contiene iones OH. El ión sodio, que procede de una base fuerte no reacciona con el agua. Una disolución reguladora es aquella en la que el ph se mantiene prácticamente constante frente a la adición de cantidades pequeñas de un ácido o una base. Consta de una especie débil (un ácido o una base débil) y de la sal de su especie conjugada. Como el ión acetato es la base conjugada de un ácido débil (el ácido acético), añadiéndole la misma cantidad: n = 0,10 M 0,100 dm 3 = 0,010 mol acetato de sodio de ácido acético, la disolución será una disolución reguladora o tampón. Problemas 1. En un matraz de 2,00 dm 3 se introducen 0,133 mol de pentacloruro de fósforo gas y se calienta a 250 0 C. Calcula el grado de disociación del pentacloruro de fósforo gas en tricloruro de fósforo gas y cloro gas una vez alcanzado el equilibrio. K P (disociación del pentacloruro de fósforo) = 1,89 a 250 0 C. R = 0,082 atm L mol -1 K-1-1 = 8,31 J mol-1 K Rta.: α = 55 % Grado de disociación es el número de moles disociados por cada mol inicial α = n(dis.) / n 0 Habrá que calcular, por tanto la cantidad de PCl 5 que se ha disociado: n(dis.) La reacción ajustada es: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) La constante de equilibrio en función de las concentraciones es: K C = [PCl 3] eq [Cl 2 ] eq [PCl 5 ] eq La constante de equilibrio en función de las presiones parciales es De donde K P = K P = P PCl 3 P Cl2 = [ PCl ]RT[Cl ] RT 3 2 = [PCl ][Cl ] 3 2 RT=K P PCl 5 [PCl 5 ] RT [PCl 5 ] C RT K C = K P / RT = 1,89 / (0,082 523) = 0,044 Si llamamos x a la cantidad de PCl 5 que se ha disociado: x = n(dis.) PCl 5 PCl 3 Cl 2 n 0 mol 0,133 0 0 n r mol x x x n eq mol 0,133 x x x
PCl 5 PCl 3 Cl 2 [ ] eq mol/l (0,133 x) / 2 x / 2 x / 2 Aplicando la expresión de la constante de equilibrio escrita antes: K C = [PCl 3] eq [Cl 2 ] eq [PCl 5 ] eq 0,044= x x 2 2 0,133 x 2 x 2 + 0,088 x 0,0117 = 0 x = 0,0728 mol PCl 5 disociados. α = 0,0728 mol PCl 5 disociados / 0,133 mol PCl 5 iniciales = 55 % 2. Calcula: a) La solubilidad del hidróxido de magnesio en g/l. b) El ph de una disolución saturada de hidróxido de magnesio. c) El ph necesario para precipitar hidróxido de magnesio en una disolución 5,00 10-2 M de cloruro de magnesio. DATOS: K s (hidróxido de magnesio) = 9,00 10-12 K w = 1,00 10-14 Rta.: a) s' = 7,64 10-3 g / L b) ph = 10,42 c) ph' = 9,13 a) El hidróxido de magnesio es poco soluble y en una disolución saturada, el sólido se encuentra en equilibrio con sus iones. Llamando s a la solubilidad del hidróxido de magnesio, en el equilibrio habrá: Mg(OH) 2 (s) Mg 2+ (aq) + 2 OH (aq) s 2s La constante de equilibrio o producto de solubilidad es: K s = [Mg 2+ ] [OH ] 2 = s (2s) 2 = 4 s 3 Despejando la solubilidad s: s= 3 9,00 10 12 =1,31 10 4 M 4 En g/l será: s' = 1,31 10-4 mol Mg(OH) 2 / L (58,3 g / mol) = 7,64 10-3 g Mg(OH) 2 / L D b) La concentración del ión hidróxido es: [OH ] = 2 s = 2,62 10-4 M de donde poh = - log [OH ] = 3,58 ph = 14,00 poh = 10,42 c) La condición para que precipite hidróxido de magnesio en una disolución que contenga iones magnesio e iones hidróxido es que: Q s = [Mg 2+ ] [OH ] 2 K s K [OH ] s [Mg 2 ] = 9,00 10 12 10 2 =1,34 10 5 M 5,00 poh = - log [OH ] = 4,87 ph = 14,00 poh = 9,13