TEMA 30 - quimica basica

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TEMA 30. PROBLEMAS DE TERMOQUIMICA
Mario Melo Araya
Ex Profesor Universidad de Chile
[email protected]
1. En la combustión de 1.000 g de azufre sólido en las condiciones standard de temperatura
y presión se desprenden 9.245 kJ. Calcular la entalpía de formación del dióxido de
azufre.
S(s) + O2(g)
ΔH f = - 9.245
ΔH f = ?
SO2(g)
kJ
g
x 32.07
g
mol
= - 296.5 kJ mol-1
2. En una reacción química, se produjo un aumento de volumen de 10.0 cm3 . Calcular el
trabajo de expansión producido por el sistema si la reacción se realiza en contra la
presión atmosférica.
wexp = p ΔV
1 atm = 101 325 Pa = 101 325 N m-2
w exp = 101 325 Pa x 10.0 (10-2 m)3 = 101 325
N
x 1.00 x 10-5 m3 = 1.013 J
m2
3. A 25 ºC la entalpía de formación del agua al estado de vapor es de - 241.8 kJ/mol y en
estado líquido es – 285.9 kJ/mol. Hallar el calor latente de vaporización del agua a
25ºC. .
A)
H2(g) +
1
O2(g)
2
H2O (g)
ΔH f = - 241.8 kJ/mol
B)
H2(g) +
1
O2(g)
2
H2O (l)
ΔH f = - 285.9 kJ/mol
A – B) H2O (l)
H2O(g)
∆Hov = Lv =
44.1 kJ/mol
2
4. A temperatura ambiente la entalpía de formación del dióxido de carbono es de - 393.42
kJ/mol y la entalpía de combustión del monóxido de carbono es de - 282.04 kJ/mol.
Hallar la entalpía de formación del monóxido de carbono.
A)
C(graf) + O2(g)
B)
CO (g)
1
O2 (g)
2
1
+
O2 (g)
2
= - 393.42 kJ/mol

ΔH comb
= - 282.04 kJ/mol
CO2 (g)
+
A - B) C(graf)
ΔH f
CO2 (g)
CO (g)
ΔH f
= - 111.38 kJ/mol
5. A 298 K la entalpía de formación del agua líquida es de - 285.85 kJ/mol, la del CO2
de - 393.42 kJ/mol y la entalpía de combustión del C2H2 es de – 1 299.6 kJ/mol.
Hallar la entalpía de formación del acetileno.
A)
H2 (g) +
2B) 2 C (graf)
C)
C2H2 (g) +
A+2B-C)
1
O2 (g)
2
+ 2 O2 (g)
∆Hfo = - 393.42 kJ/mol x 2
2 CO2(g)
5
O2 (g)
2
2 CO2 (g) + H2O (l)
∆Hocomb = - 1 299.6 kJ/mol
C2H2 (g)
∆fo = -226.91 kJ/mol
2 C (graf) + H2 (g)
∆H°comb [C2H2 (g)] =
∆Hfo = - 285.85 kJ/mol
H2O (l)
 285.85
 2  393.42
  1 299.6 kJ/mol =
= - 226.91 kJ/mol
6. La entalpía de formación del HCl (g) es de - 92.30 kJ/mol, mientras que la entalpía de
formación del HCl en disolución muy diluida es de - 166.06 kJ/mol. Hallar la entalpía
de disolución del HCl en la obtención de una disolución muy diluida.
A)
B)
1
H2 (g)
2
1
H2 (g)
2
+
+
B – A) HCl (g) + aq
1
Cl2 (g)
2
1
Cl2 (g)
2
∆Hfo = - 92.30 kJ/mol
HCl (g)
+
aq
HCl (aq)
HCl (aq)
∆Hfo = -166.06 kJ/mol
∆Hdo = - 73.76 kJ/mol
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Proceso exotérmico en el que se desprende 73.76 kJ por mol de HCl disuelto.
7. A la temperatura de 298 K y a volumen constante, la combustión de 1.000 g de ácido
oxálico (C2H2O4) desprende 2.837 kJ; el agua queda en estado líquido. Hallar el calor
desprendido en la combustión a la presión constante de 1 atm y a 298 K.
El calor de combustión de 1 mol de ácido oxálico será:
C2H2O4 (s) +
1
2
O2 (g)
2 CO2 (g) + H2O (l)
qv = ∆U298 = ?
∆U298 = qv = - 2.837 kJ g-1 x 90.04 g mol-1 = - 255.4 kJ/mol
La disminución de energía es de 255.4 kJ por mol de ácido oxálico; energía desprendida
totalmente en forma de calor, en este proceso a volumen constante, sin la producción de
trabajo de expansión.
Pero si la reacción se produce en recipiente abierto, en contra la presión atmosférica, el
trabajo de expansión efectuado, considerando comportamiento ideal para los gases
participantes, será:
wexp = p ∆V = ∆n RT = (2 – 0.5) mol x 8.314 J mol-1 K-1 x 298 K = 3 716 J
= 3.716 kJ
El calor de combustión a presión contante, o la entalpía de combustión, será:
∆Hocomb = qp = ∆U + wexp = -255.4 kJ + 3.716 kJ = - 251.7 kJ
8. Al disolver en una gran cantidad de agua 1.000 g de cada una de las siguientes
sustancias: (A) sodio metálico, (B) óxido sódico y (C) hidróxido sódico, se
desprenden 7 971 J, 3 807 J y 1 067 J respectivamente. La entalpía de formación
del H2O (l) es de 285.80 kJ/mol. Calcular las entalpías de formación del Na2O y
del NaOH en estado sólido.
Las entalpías para cada una de las reacciones serán:
(∆Ho298)A = - 7 971 J g-1 x 22.99 g mol-1 = - 183 253 J/mol
(∆Ho298)B = - 3 807 J g-1 x 61.98 g mol-1 = - 235 958 J/mol
(∆Ho298)C
= - 1 067 J g-1 x 39.99 g mol-1 = - 42 669 J/mol
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Las ecuaciones termoquímica correspondientes a los datos entregados son:
A) Na (s) + H2O (l) + aq
NaOH (aq) +
B) Na2O (s) + H2O (l) + aq
C) NaOH (s) + aq
D) H2 (g) +
H2 (g)
2 NaOH (aq)
∆Ho298 = - 42 669 J/mol
∆Hof = - 285 851 J/mol
H2O (l)
1
O2 (g)
2
∆Ho298 = - 183 253 J/mol
∆Ho298 = - 235 958 J/mol
NaOH (aq)
1
O2 (g)
2
2A + D – B) 2 Na (s) +
1
2
∆H°f
Na2O (s)
= - 416.399 J/mol
∆Hof = 2(183253)  (285851)  (235958) J/mol = - 416 399 J/mol
La reacción de formación del NaOH (s) se obtiene como sigue:
A + D – C) Na (s) +
de donde: ∆Hof =
1
1
O2 (g) +
H2 (g)
2
2
 183253)
NaOH (s)
 (285851)  (42 669) J/mol = - 426 435 J/mol
9. Si las entalpías de formación del CS2, CCl4 y S2Cl2 en estado líquido son 87.864
kJ/mol, - 139.495 kJ/mol y - 59.831 kJ/mol, respectivamente. Calcular la entalpía de
reacción correspondiente a la obtención del tetracloruro de carbono de acuerdo con la
ecuación
CS2 (l) + 3 Cl2 (g)
CCl4 (l) + S2Cl2 (l)
∆Ho298 = ?
∆Ho298 = (- 139.495 kJ/mol) + (- 59.831 kJ/mol) - (87.864 kJ/mol) = - 287.19 kJ/mol
10. A partir de la entalpía de formación del HCl (g), igual a - 92.299 kJ/mol, de la
entalpía de disolución del HCl (g), igual a - 73.764 kJ/mol y de la entalpía de reacción
del proceso
Zn (s) + 2 HCl (aq)
ZnCl2 (aq) + H2 (g)
∆Ho298 = - 150.164 kJ/ mol
calcular la entalpía de reacción a presión constante del proceso:
Zn (s) + Cl2 (g)
+ aq
ZnCl2 (aq)
5
1
B)
HCl (g)
C)
Zn (s) + 2 HCl (aq)
/2 H2 (g)
+
1
/2 C2 (g)
A)
+ aq
HCl (g)
∆Hof = - 92.299 kJ/mol
HCl (aq)
∆H of = - 73.746 kJ/mol
ZnCl2 (aq) + H2 (g)
2A + 2B + C) Zn (s) + Cl2 (g) + aq
ZnCl2 (aq)
∆Ho298 = - 150.164 kJ/mol
∆Ho298 = - 482.290 kJ/mol
11. Se queman 1.17 g de benceno en una bomba calorimétrica, a volumen constante. El
calor desprendido a 25 °C es de 49.04 kJ. Calcular a esta temperatura la entalpía de
combustión del benceno, a presión constante, y su entalpía de formación. La entalpía de
formación del H2O (l) y del CO2 (g) son, respectivamente, de – 285.85 kJ/mol y de -393.42
kJ/mol.
C6H6 (l) +
∆U °comb = -
15
O2 (g)
2
6 CO2 (g) + 3 H2O (l)
49.04 kJ
x 78.11 g mol-1
1.17 g
∆H°comb = ∆U°comb + ∆nRT
∆Hocomb = ?
= - 3 273.9 kJ/mol
∆n = 6 mol - 7.5 mol = - 1.5 mol
∆H°comb = - 3 273.9 kJ mol-1 - 1.5 mol x 8.314 J mol-1 K-1 x 298 K x 10-3 kJ J-1 =
= - 3 277.6 kJ mol-1 (*)
Se desprende más calor proveniente del trabajo realizado sobre el sistema por el medio
exterior al disminuir el volumen.
∆H°comb = 6 ∆H°f CO2 (g) + 3 ∆H°f H2O (l) - ∆H°f C6H6 (l) = - 3 277.6 kJ/mol
- 393.42 kJ/mol
- 285.85 kJ/mol
∆H°f C6H6 (l) = 3 277.6 kJ/mol + 6 (-393.42 kJ/mol) + 3 ( -285.85 kJ/mol) =
=
49.5 kJ/mol
(*) En este problema se detecta una violación al Principio de Homogeneidad Dimensional
en la ecuación ∆H°comb = ∆U°comb + ∆nRT, pues en el segundo termino la unidad mol se
cancela. La solución podría ser reemplazar ∆n por ∆n / ξ, en donde ξ es el avance de la
reacción, una magnitud introducida por De Donder y que se tratará en el próximo Tema.
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12. Las entalpías de combustión del grafito, del diamante y del carbono amorfo son,
respectivamente, de 393.4 kJ, 395.3 kJ y 404.6 kJ. Calcular las entalpías de
transformación A) del diamante en grafito; B) del carbono amorfo en grafito; y C) del
carbono amorfo en diamante.
A) C(graf)
+ O2 (g)
B) C(diam)
+ O2 (g)
CO2 (g)
CO2 (g)
CO2 (g)
C) C (amorf) + O2 (g)
∆H °comb = - 393.4 kJ/mol
∆H °comb = - 395.3 kJ/mol
∆H °comb = - 404.6 kJ/mol
A – B) C(diam)
C(graf)
∆H °transf =
C –A)
C(amorf)
C(graf)
∆H °transf = - 11.2 kJ/mol
C –B)
C(amorf)
C(diam)
∆H °transf = - 9.3 kJ/mol
1.9 kJ/mol
13. Calcular la entalpía de reacción correspondiente a la oxidación del alcohol etílico a
ácido acético, considerando que en la combustión de 1.000 g de alcohol etílico y de 1.000 g
de ácido acético, en las condiciones standard, se desprenden respectivamente, 29.83 kJ y
14.50 kJ. El agua formada queda en estado líquido.
C2H5OH (l) + O2(g)
∆H °comb [C2H5OH (l)] =
CH3COOH (l) + H2O (l)
∆H°298 = ?
g
29.83 kJ
x 46.07
= - 1 374.3 kJ/mol
mol
1.000 g
∆H °comb [CH3COOH (l)] =
g
14.50 kJ
x 60.05
= - 870.7 kJ/mol
mol
1.000 g
A) C2H5OH (l) + 3 O2 (g)
2 CO2 (g) + 3 H2O (l)
∆H °comb = - 1 374.3 kJ/mol
B) CH3COOH (l) + 2 O2 (g)
2 CO2 (g) + 2 H2O (l)
∆H °comb = - 870.7 kJ/mol
A-B) C2H5OH (l) + O2 (g)
CH3COOH (l) + H2O (l)
∆H °298 = - 503.6 kJ/mol
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14. A partir de las entalpías de combustión del S y del H2S iguales, respectivamente, a
296.7 kJ/mol y 560.4 kJ/mol, calcular la entalpía de reacción del proceso:
2 H2S (g) + SO2 (g)
A) H2S (g) +
B) S(s)
3
O2 (g)
2
3 S (s) + 2 H2O (l)
SO2 (g) + H2O (l)
+ O2 (g)
SO2 (g)
2 SO2(g) + 2 H2O (l)
2A) 2 H2S (g) + 3 O2 (g)
3 SO2 (g)
3B) 3 S (s) + 3 O2 (g)
2A-3B) 2 H2S (g) + SO2 (g)
3 S (s) + 2 H2O (l)
∆H °comb = - 560.4 kJ/mol
∆H °comb = - 296.7 kJ/mol
2 ∆H °comb = -1 120.8 kJ/mol
3 ∆H °comb = - 890.1 kJ/mol
∆H °298 = - 230.7 kJ/mol
15. Calcular la entalpía de la reacción de oxidación del alcohol etílico a ácido acético,
sabiendo que en la combustión de 1.000 g de alcohol etílico y de 1.000 g de ácido acético,
en las condiciones standard, se desprenden, respectivamente, 29.83 kJ y 14.50 kJ.
∆H °comb [C2H5OH (l)] =
g
29.83 kJ
x 46.07
= 1 374.3 kJ/mol
mol
1.000 g
∆H °comb [CH3 COOH (l)] =
g
14.50 kJ
x 60.05
= 870.7 kJ/mol
mol
1.000 g
A) C2H5OH (l) + 3 O2 (g)
2 CO2 (g) + 3 H2O (l) ∆H °comb = -1 374.3 kJ/mol
B) CH3COOH (l) + 2 O2 (g)
2 CO2 (g) + 2 H2O (l) ∆H °comb = - 870.7 kJ/mol
A-B) C2H5OH (l) + O2 (g)
CH3COOH (l) + H2O (l) ∆H °298 = - 503.6 kJ/mol