Ejercicios de termodinámica y cinética
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| EJERCICIOS DE TERMODINÁMICA Y CINÉTICA 1. Considere la reacción química siguiente: 2Cl Cl2 (g) a) ¿Qué signo tiene la variación de entalpía de dicha reacción? b) ¿Qué signo tiene la variación de entropía de dicha reacción? c) ¿La reacción será espontánea a temperaturas altas o bajas? d) ¿Cuánto vale ∆H de la reacción, si la energía de enlace Cl-Cl es 243kJ/mol? 2. La urea, H2N(CO)NH2, es una sustancia soluble en agua, que sintetizan multitud de organismos vivos, incluyendo los seres humanos, para eliminar el exceso de nitrógeno. A partir de los datos siguientes: a) Ajuste la reacción de formación de la urea (sólido) a partir de amoniaco (gas) y de dióxido de carbono (gas), sabiendo que en la misma reacción también se produce agua (líquida). Obtenga la entalpía de formación de la misma. b) Calcule la entalpía del proceso de disolución de la urea en agua. c) Razone si un aumento de temperatura favorece o no el proceso de disolución de la urea. Datos: Entalpías de formación estándar (kJ/mol) de NH3 (g) = -46.11, H2N(CO)NH2 (aq) = -319.2, H2O = -285.83, H2N(CO)NH2 (s) =-333.19, CO2 (g) = -393.51. (Sol. A) -133.29 kJ, b) 13.99kJ) 3. Se hacen reaccionar 12.2L de cloruro de hidrógeno, medidos a 25ºC y 1 atm, con un exceso de 1-buteno para dar lugar a un producto P. a) Indique la reacción que se produce, nombra y formula el producto P mayoritario. b) Determine la energía libre de Gibbs estándar de la reacción y justifique que la reacción es espontánea. c) Calcule el valor de la entalpía estándar de reacción. d) Determine la cantidad de calor que se desprende al reaccionar los 12.2L de HCl.
(Sol. B) -30.3kJ, c) -72.86 kJ, d) -36.43kJ) 4. La reacción 2 H2O (l) 2H2 (g) + O2 (g) no es espontánea a 25ºC. Justifique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. a) La variación de entropía es positiva porque aumenta el número de moles gaseosos. b) Se cumple que Kp/Kc = RT. c) Si se duplica la presión de H2, a temperatura constante, el valor de Kp aumenta. d) La reacción es endotérmica a 25ºC. 5. En una reacción química del tipo 3A(g) A3 (g) disminuye el desorden del sistema. El diagrama entálpico del proceso se representa en el siguiente esquema: a) ¿Qué signo tiene variación de entropía de la reacción? b) Indique razonadamente si el proceso indicado puede ser espontáneo a temperaturas altas o bajas. c)¿Qué signo debería tener ∆H de la reacción para que ésta no fuera espontánea a ninguna temperatura?  Camino de reacción 6. A temperatura elevada, un mol de etano se mezcla con un mol de vapor de ácido nítrico, que reaccionan para formar nitroetano (CH3CH2NO2) gas y vapor de agua. A esta temperatura, la constante de equilibrio de dicha reacción es Kc= 0.050. a) Formule la reacción que tiene lugar. b) Calcule la masa de nitroetano que se forma. c) Calcule la entalpía molar estándar de la reacción. d) Determine el calor que se desprende o absorbe hasta alcanzar el equilibrio. Datos: masas atómicas: H = 1, C = 12, N = 14, O = 16. ∆Hf º (kJ/mol): Etano (g) = -124.6, Ac. Nítrico (g) = -164.5, Nitroetano (g) = -236.2, Agua (g) = -285.8. (Sol. B) 13.5g, c) -232.9kJ, d) -41,9kJ) 7. Sabiendo que la temperatura de ebullición de un líquido es la temperatura a la que el líquido puro y el gas puro coexisten en el equilibrio a 1 atm de presión, es decir ∆G = 0, y considerando el siguiente proceso: Br2 (l) Br2 (g) a) Calcule ∆Hº a 25ºC. b) Calcule ∆Sº c) Calcule ∆Gº a 25ºC e indique si el proceso es espontáneo a dicha temperatura. d) Determine la temperatura de ebullición del Br2, suponiendo que ∆Hº y ∆Sº no varían con la temperatura. Datos a 25ºC: ∆Hºf Br2 (g) = 30.91 kJ/mol; ∆Hºf Br2 (l) = 0; Sº Br2 (g) = 245.4 J/mol·K; Br2 (l) = 152.2 J/mol·K. (Sol. A) 30.91 kJ; b) 93.2 J/K; c) 3.14 kJ; d) 331.65 K) 8. Considere la combustión de carbón, hidrógeno y metanol. a) Ajuste las reacciones de combustión de cada sustancia. b) Indique cuáles de los reactivos o productos tienen entalpía de formación nula. c) Escriba las expresiones para calcular las entalpías de combustión a partir de las entalpías de formación que considere necesarias. d) Indique cómo calcular la entalpía de formación del metanol a partir únicamente de las entalpías de combustión. 9. Sabiendo que la combustión de un gramo de TNT libera 4500 kJ y considerando los valores de entalpías de formación que se proporcionan, calcule: a) Entalpía estándar de combustión del CH4. b) Volumen de CH4, medido a 25ºC y 1 atm, que es necesario quemar para producir la misma energía que 1 g de TNT. Datos: ∆Hf º (kJ/mol): CH4= -75, CO2 = -394, H2O (g) = -242. (Sol. A) -803 kJ, b) 136.9 litros). 10. La entalpía para la reacción de obtención de benceno líquido a partir de etino gaseoso: 3C2H2 → C6H6 es de -631 kJ/mol. En todo el proceso la temperatura es 25ºC y la presión 15 atm. Calcule: a) Volumen de etino necesario para obtener 0.25 litros de benceno líquido. b) Cantidad de calor que se desprende en dicho proceso. c) Densidad del etino en dichas condiciones. Datos: R = 0.082 atm·L/K·mol; d (benceno) = 0.874 g/cm3; masas atómicas: H=1, C=12 (Sol. A) 13.68L; b) -1766.8 kJ, c) 15.95 g/L) 11. Razone si son correctas o incorrectas las siguientes afirmaciones : a) Una reacción química no puede ser nunca ΔG=0. b) ΔG es independiente de la temperatura. c) La reacción no es espontánea si ΔG>0. d) La reacción es muy rápida si ΔG< 0. 12. La entalpía de combustión del butano es ΔHc= -2642 kJ/mol, si todo el proceso tiene lugar en fase gaseosa: a) Calcule la energía media del enlace O-H. b) Determine el número de bombonas de butano (6 kg de butano/bombona) que hacen falta para calentar una piscina de 50 m3 de 14 a 27ºC. Datos: Masas atómicas: C=12, O=16, H=1; Calor específico del agua (ce) = 4.18kJ/K·kg; Densidad del agua = 1kg/L; Energías medias de enlace (kJ/mol): E(C=O)=730; E(O=O)=487; E(C-C)= 346; E(C-H)= 413. (Sol. A) 513.6 kJ/mol; b) 10 botellas) 13. Calcula para la formación del etanol: a) La energía libre estándar. b) La entropía estándar. Datos en kJ/mol, a 25ºC: ΔGºfCO2(g)= -394.0; ΔGºfH2O(l)= -236.9; ΔGºfO2(g)=0; ΔHºfCH3CH2OH(l)=-277.3; ΔGºcCH3CH2OH(l)= -1282.5. (Sol. A)-216.2kJ/mol, b) -0.2kJ/mol·K) 14. Teniendo en cuenta la gráfica que representa los valores de ΔH y TΔS para la reacción A→B, razone si las siguientes afirmaciones son ciertas o falsas: a) A 500K la reacción es espontánea. b) El compuesto A es más estable que el B a temperaturas inferiores a 400K. c) A 400K el sistema se encuentra en equilibrio. c) La reacción de transformación de A en B es exotérmica a 600K.  K  15. El proceso Deacon para la obtención de cloro gaseoso se basa en hacer reaccionar cloruro de hidrógeno y oxígeno gaseosos. a) Formule la ecuación ajustada del proceso, sabiendo que además de cloro se obtiene también vapor de agua. b) Determine la variación de entalpía por mol de cloro formado, interpretando el resultado obtenido, a partir de los valores siguientes de las energías de enlace: H(H-Cl) = 432 kJ/mol, H(O=O)= 499 kJ/mol, H(Cl-Cl)= 243 kJ/mol, H(O-H)= 460kJ/mol. (Sol. A) 2HCl(g) + 1/2O2(g) → Cl2(g) + H2O (g); b) -49.5 kJ) 16. Si las entalpías de los procesos: Fe (s) + Br2 (l) → FeBr2 (s) FeBr3 (s) → FeBr2 (s) + ½ Br2 (l) Son -250 y +18.4 kJ/mol, respectivamente, calcula:
Datos: masas atómicas: Br= 80; Fe=56. (Sol. A)-268.4 kJ; b) 20.27g). 17. Las necesidades energéticas de un proceso industrial son 25400 kJ. Para satisfacerlas se quemaron, a 25ºC y 1 atm. de presión, 289.9 litros de un gas natural formado por una mezcla de etano y propano en proporciones desconocidas. Calcula: a) El calor de combustión del etano y el del propano. b) La composición molar en % del gas natural. Datos: Calores de formación estándar (kJ/mol): ∆Hº etano (g) = -85; ∆Hº propano (g) = -104; ∆Hº CO2 (g) = -394; ∆Hº agua (g) = -286. (Sol. A) -1561 kJ y -2222kJ por mol de hidrocarburo; b) 87.7% de propano y 12.3% de etano). 18. Se puede obtener oxígeno en el laboratorio mediante la descomposición del clorato potásico sólido para dar cloruro potásico sólido y oxígeno gas. Sabiendo que la variación de entalpía del proceso es de -22,2 kJ por mol de clorato descompuesto, calcule el calor desprendido o absorbido al obtener 11.2 litros de oxígeno, medidos a 0ºC y 1 atm, a partir de la correspondiente cantidad de clorato potásico (escriba la reacción ajustada). (Sol. -7.4 kJ). 19. La reacción 2X + Y X2Y tiene órdenes de reacción 2 y 1 respecto a los reactivos X e Y, respectivamente. a) ¿Cuál es el orden total de la reacción? Escriba la ecuación de velocidad del proceso. b) ¿Qué relación existe entre la velocidad de desaparición de X y la aparición de X2Y? c) ¿En qué unidades se puede se puede expresar la velocidad de esta reacción? ¿Y la constante de velocidad? d) ¿De qué factor depende el valor de la constante de velocidad de esta reacción? Razone la respuesta. 20. La ecuación de velocidad para el proceso de reducción de HCrO4- con HSO3- en medio ácido es: v = k [HCrO4-][HSO3-]2[H+]. a) Indique las unidades de la constante de velocidad (k). b) Indique el orden total de la reacción y los órdenes parciales correspondientes a las tres especies. c) Explique los factores que influyen en la constante de velocidad de la reacción. d) Indique de qué forma se puede aumentar la velocidad de reacción sin variar la temperatura y la composición. 21. Los siguientes datos describen 4 reacciones químicas del tipo A + B C +D
22. Teniendo en cuenta la gráfica adjunta: a) Indique si la reacción es exotérmica o endotérmica. b) Represente el valor de ∆H de reacción. c) Represente la curva de reacción al añadir un catalizador positivo. d) ¿Qué efectos produce el hecho de añadir un catalizador positivo?  23. Sea la reacción en fase gaseosa: 4HBr + O2 2Br2 + 2H2O a) Expresa la relación que existe entre la velocidad de desaparición del HBr, la de desaparición del O2 y la velocidad de formación del Br2 b) Sabiendo que la reacción resultó ser de primer orden respecto a cada uno de los reactivos (HBr y O2), deduce las unidades de la constante cinética de la misma. 24. Para la reacción en estado gaseoso: 2NO + 2CO 2CO2 + N2, la constante de equilibrio Kp vale 1060 a 25ºC. Determina: a) Si la reacción es o no espontánea. b) Los compuestos NO y CO están considerados agentes contaminantes, permaneciendo incluso mezclados sin reaccionar. ¿Es compatible esto con el resultado del apartado anterior? Razona la respuesta. 25. Sabiendo que el proceso: Zn(s) + H2SO4(aq) ZnSO4 (aq) + H2 (g), es exotérmico, contesta de forma razonada: a) ¿Qué gráfica representa correctamente la reacción: la I o la II? b) ¿Es espontánea dicha reacción? c  ) ¿Cuánto vale la energía de activación?¿Podría darse el caso de dos reacciones, una endotérmica y otra exotérmica que tuvieran la misma energía de activación?¿Cuál de las dos sería más lenta? Coordenadas de reacción H(kJ) |
