Guía de Ejercicios Equilibrio Colegio Nacional de Buenos Aires

Colegio Nacional de Buenos Aires
Guía de Ejercicios
Equilibrio
Sexto Año Especialidad Ciencias Exactas Tecnología y Diseño
Colegio Nacional Buenos Aires
Departamento de Química
Guía de ejercicios
Equilibrio
Parte I
1)
Defina e ilustre los siguientes conceptos:
a)
reacción reversible
b)
equilibrio químico
c)
constante de equilibrio.
2)
¿Por qué se dice que el equilibrio químico es dinámico?
3)
Escriba la expresión de K para cada una de las reacciones.
a)
2 NO2 (g) <======> 2NO(g) + O2 (g)
b)
CO(g) + H2O(g) <=======>CO2 (g) + H2 (g)
c)
2 H2S (g) + 3 O2 (g)<=======>2 H2O (g) + SO2(g)
d)
PCl5 (g) <==========> PCl3(g) + Cl2 (g)
4)
¿Cuál es la ecuación de Clausius Clayperon?
5)
Ordene las siguientes reacciones de acuerdo con su tendencia creciente a producirse:
a) H2O
(g) ======
H2O
(l)
Kc = 782
b) F2(g) ===========2 F(g) Kc = 4.9 10
-21
c) C(grafito) + O2 (g) ====== CO2(g) Kc = 1.3 10
69
6)
¿Qué relación existe entre el cociente Q y K? ¿Por qué se compara K y Q?
7)
Dado el siguiente equilibrio:
PCl5(g) ======== PCl3(g) + Cl2(g) H= 22.1 kcal
¿Cómo afectarían al equilibrio cada uno de los siguientes estímulos ?
8)
a)
aumento de temperatura,
b)
aumento de la presión,
c)
aumento de la concentración de PCl5,
d)
adición de un catalizador.
Se mezclan hidrógeno y yodo a 400
C en un recipiente de 1.00 litro. Al alcanzarse el equilibrio las
concentraciones de las especies presentes son [HI] = 0.49 M [H 2 ]= 0.08 M y [I2 ]= 0.06M. Si se añaden 0.300
moles de HI en exceso ¿cuáles serán las concentraciones al restablecerse el equilibrio?. Rta.: [H2 ]= 0.113
M
9)
[I2
]=
0.093
M
[HI]=
0.724
M
A 25 C la constante de equilibrio Kc de la siguiente reacción vale 4.66 10-3 . Si se inyectan 0.8 moles de
N2O4 en un recipiente de 1.00 litros a 25 C. ¿Cuáles serán las concentraciones de equilibrio de ambos
gases? ¿Cuáles serán las nuevas concentraciones de equilibrio si se disminuye el volumen a la mitad y se
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mantiene la misma temperatura? Rta.: [N2O4] = 0.77 M [NO2] = 6. 10-2 M
[N2O4] = 1.56 M
[NO2] =
0.086 M
10) La constante de equilibrio Kc de la disociación del pentacloruro de fósforo vale 4.0 10
-2
a 250 C. ¿Cuántos
moles y gramos de PCl5 deben colocarse en un matraz de 3.0 litros para obtener una concentración de Cl2
0.15 M. Rta.: 2.13 moles de PCl5 y 445.67 g
11) A 400 C una mezcla gaseosa de hidrógeno, iodo y ioduro de hidrógeno en equilibrio contiene 0.0031 moles
de H2, 0.0031 moles de I2, y 0.0239 moles de HI por litro. Calcular a) el valor de la constante Kc, la
presión total de la mezcla y las presiones parciales de cada uno de los componentes, c) El valor de la
constante Kp. Rta.: Kc= 59.4
12) Dado el equilibrio :
b) 1.661; 0.17 y 1.318 atm.
2 NO
(g)
c) Kp= 59.4
+ Br2 <===========> 2 NOBr(g) se observa que a una temperatura
determinada, añadiendo inicialmente 0.6 mol/litro de NO y Br2, la concentración de NOBr en el equilibrio
es 0.18 mol/litro. Hallar el valor de Kc a esa temperatura.
Kc= 0.36
13) Al calentar pentacloruro de antimonio se disocia en tricloruro de antimonio y cloro.
182
C y una
atmósfera se disocia en un 29.2%
a)
Calcular Kp y Kc para la disociación de dicho compuesto a la temperatura dada.
b)
Averiguar la presión a la que se disociará en un 60% SbCl5(g) ====SbCl3(g) + Cl2(g)
Rta.: a) Kp 0.094
Kc= 2.5 .10-3 b) 0.166 atm.
14) Explicar razonadamente el efecto sobre el equilibrio:
2C
(s) +
O2(g) ========== 2 CO(g) H = -221 KJ
a) Si se añade CO. b) si se añade d) Si se eleva la temperatura
15) Considerando el siguiente equilibrio:
2 SO2(g) + O2(g) =========== 2 SO3(g)
Sugiérase alguna forma de aumentar la presión del sistema de modo que en el equilibrio: a) disminuya el
número de moles de SO3(g) b) aumente el número de moles de SO3(g) c) permanezca invariable el número
de moles de SO3(g)
16) A 300 C el valor de Kc para la reacción
PCl5(g) ========= PCl3(g) + Cl2(g)
Es 0.56. En un recipiente de 10 litros hay una mezcla formada por 0.9 moles de Cl2 , 1.8 moles de PCl3 y
0.24 moles de PCl5
a) ¿estará el sistema en equilibrio?
b) Si no lo está, en qué sentido evolucionará? Si no estuviera en el equilibrio recalcule las concentraciones
finales.
Rta.: Q= 0.67 , b) evolucionará en el sentido del PCl5
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16) En un recipiente de dos litros a 1800 C hay en equilibrio 0.6 moles de CO 2, 0.6 moles de H2 , 1.2 moles de
CO, y 1.2 moles de vapor de agua. La reacción que se produce es : CO 2(g) + H2(g) ========== CO(g) + H20
(g)
a)
Calcular Kc y Kp a 1.800 C
b)
Averiguar el número de moles de CO2(g) que se deben añadir para aumentar la concentración de CO
hasta 0.8 mol/litro.
Rta.: [CO]= 0.6 mol/litro [H2O] = 0.6 moles/litro
[CO2] =0.3 molar
[H2]= 0.3 molar/litro
Kc=Kp= 4
c)
3 moles de CO2(g)
17) En un recipiente de 8 litros se introducen 0.58 moles de CO2 y 0.31 moles de H2, se calienta hasta 1250 C
y se establece el equilibrio de la reacción en fase gaseosa: CO 2(g) + H2(g) ========== CO(g) + H2(g)
18) Analizando la mezcla se encuentra que hay 0.36 moles de CO 2 a) Calcular las cantidades de los restantes
gases en el equilibrio. b) Determinar el valor de KC a dicha temperatura . c) Una vez alcanzado el
equilibrio y sin modificar la temperatura se añaden 0.18 moles de H 2. ¿Cuál será la composición de la
mezcla una vez restablecido el equilibrio?
Rta.: a) 0.09 moles de hidrógeno 0.02 moles de CO y de H2O
Kc = 1.49
19) A 27 C y una atmósfera de presión el N2O4 se encuentra parcialmente disociado según N2O4(g) ====== 2
NO2(g) si en estas condiciones la densidad de la mezcla gaseosa es 3.12 g/litro, calcular Kc. Rta.: 6.05 10
-3
20) En un matraz de un litro, a 400 C se introducen 0.03 moles de HI gaseoso y se cierra. Una vez alcanzado
el equilibrio el HI se ha disociado parcialmente en H2 y I2 gaseosos, siendo la fracción molar de HI en la
mezcla 0.8 . Calcular a) el valor de la constante de equilibrio kc b) La presión total de la mezcla y la
presión total de cada gas c) el valor de la constante de equilibrio Kp
Rta.: a) Kc = 0.0156 b) 1.65 atm c) Kp = 1.56 10
-2
21) Se calienta a 1000 C gas de gasógeno cuya composición en volumen es la siguiente: 25% de CO, 5% de CO 2,
10 % de H2O,57% de N2 . ¿Cuál es la nueva composición de la mezcla si a esta temperatura, se produce la
reacción:
CO(g) + H2O(g) ======= H2(g) + CO2(g)
cuya constante de equilibrio, Kc vale 1.62?
a)
Rta.: [H2O] = 3.58 [CO] = 18.58 [H2] = 9.42 [CO2]= 11.42
22) Un recipiente de 4 litros contiene una mezcla de 7.82 g de N 2O4 y NO2 a 333 K y 1 atm. Calcular: a) el
grado de disociación de N2O4 en NO2 b) la constante de equilibrio, Kp de la reacción de disociación a la
temperatura dada.
a) = 0.723
b)Kp = 4.4
23) Las constantes Kp del equilibrio 2H2S(g) ====== 2 H2(g) + S2(g)
son 1.18 10
-2
y 5.09 10 -2 a 1338 y1473 K respectivamente. Calcular la variación de entalpía para dicha
reacción.
Rta.: 177 kJoule/mol
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24) La constante de equilibrio Kp a 298 es 2. 10 5 para la reacción
I2(g) + Cl2(g) =========2 ICl H26.9 kJ
¿Cuál es el valor Kp a 673K? Rta.: 470
25) A 1091 K la presión de vapor de disociación del CaCO3 es 760 mm Hg.
Si el calor de disociación, a presión constante del CaCO3 es variación de entalpía 30110 cal/mol, ¿Cuál
será su presión de vapor a 1073 K? La reacción de disociación es:
CaCO3(s) ======= CO2 + CaO(s)
Rta.: K2 = 0.792
26) El pentacloruro de fósforo se disocia según
PCl5(g)  PCl3(g)  Cl 2(g)
La densidad del pentacloruro de fósforo sin disociar es 2.695g/litro. Determinar el grado disociación y la
resión a dicha temperatura, considerando que la presión final del sistema es de 1 atm. Rta.: a) = 0.80 b)
Kp = 1.77 atm
27) 27.- A 817 C la Kp para la reacción entre el CO2 puro y carbono grafito caliente en exceso es de 10 atm.
a)
Calcule:
i)
Cuál es el análisis de los gases en el equilibrio a 817 grados a una presión total de 4 atm? Cuál es
la pCO2 en el equilibrio?
ii)
Para qué presión total dara el análisis de los gases 6% de CO2 en volumen?
Rta.: a) xCO2 = 0.234
XCO = 0.765
Kp = 0.64 atm
Parte B
28) Industrialmente el etileno se obtiene por deshidrogenación catalítica del etano según:
a)
¿Qué efectos tiene sobre el proceso un aumento de presión?
H3C
Justifique.
29) Cuando un ácido reacciona con un alcohol se produce una reacción muy
CH3
H2C
CH2
H2
+
importante desde el punto de vista industrial denominada esterificación, la ecuación representativa es:
Esta reacción es de gran aplicación, ya dependiendo de los ácidos y alcoholes utilizados pueden
obtenerse desde fibras de usos textil, explosivos, esencias frutales, tensioactivos, etc.
Un éster muy conocido es el acetato
de etilo, sustancia de olor agradable, usado
como solvente, permite disolver lacas, etc.
a)
Explique porqué industrialmente se
trabaja con:
i)
exceso de alcohol.
ii)
en presencia de deshidratantes.
Reacción de esterificación
iii) extrayendo el éster del sistema.
b)
Calcule el número de moles de acetato de etilo formado cuando en un recipiente se introduce 1 mol
de ácido acético y un mol de alcohol etílico. Kc= 4 a temperatura ambiente.
30) En la actualidad se obtienen alrededor de 150 millones de toneladas de ácido sulfúrico, el ácido más
barato. El proceso de obtención de ácido sulfúrico consiste básicamente en tres etapas:
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
combustión de azufre con oxígeno.

oxidación del óxido obtenido.

disolución en solución sulfúrica del producto
SO 2 ( g )  O 2 ( g )  SO 3( g ) H  9.8kJ
obtenido.
El segundo pasa entraña complicaciones ya que la reacción es
a)
reversible.
indique de acuerdo con el principio de Le Chatelier como afectan los siguientes factores en el
rendimiento de la reacción justificando su respuesta.
i)
pO2
ii) temperatura
iii) catalizador V2O5
iv) concentración de SO3
b)
Se introducen simultáneamente 0.39 moles de SO2, 0.156 moles de
O2 y 0.657 moles de SO3 en un reactor de 2 litros que se halla a 1000
K ¿Se encuentra en equilibrio? En caso negativo, qué cambios se
deben producir en las cantidades de sustancia? Kc= 280 a 1000 K
31) A 350 C Kp=5,6 104. En un experimento se mezclan SO2 y O2 a 0.35 y 0.765
atm, respectivamente. Cuando la mezcla llega al equilibrio, su presión
total ¿es menor o mayor que la suma de presiones iniciales que era 1.112
atm?
32) La cal se prepara a partir de la piedra caliza en un horno de calcinación.
Si el sistema se encontrara cerrado, se alcanzaría el siguiente sistema de
equilibrio CaCO3(s) ======= CO2(g) + CaO(s)A 1091 K la presión de vapor de
Ácido cítrico
disociación del CaCO3 es 760 mm Hg. Es una descomposición
endotérmica.
a)
Explique qué sucedería si:
i)
se aumentara el volumen del recinto.
ii) se agregara CaO a la mezcla
iii) se extrajera algo de CaO.
iv) se agregaran a la mezcla unas gotas de solución HCl.
v) se agregaran a la mezcla unas gotas de solución de NaOH
vi) se aumentara la temperatura
vii) se agregara He a volumen constante.
viii) Se introducen 300 g de piedra caliza en un horno cerrado de 10 litros de capacidad a 1091 K.
(1) ¿Qué cantidad de CaO se forma?
(2) ¿Cuántos moles de CO2 ?
33) El amoníaco es una sustancia inorgánica muy valiosa. Se usa como materia prima en la industria de
fertilizantes, en manufactura de explosivos y en muchas otras aéreas. El amoníaco se obtiene hoy en día
según el método propuesto por el químico alemán Fritz Haber, por síntesis a partir de nitrógeno e
hidrógeno. Es una reacción reversible, y la constante de equilibrio Kc es 7.4 10-5 a 500 C. Si se introducen
1 mol de nitrógeno y 3 moles de hidrógeno en un recipiente de 2 litros.
a)
Calcule las concentraciones en el equilibrio.
b)
Explique:
i)
porqué se realiza a altas presiones.
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ii) porqué se licua el amoníaco formado.
iii) porqué se trabaja a temperaturas próximas a 500 C, siendo una reacción exotérmica. (lea el
material que se anexa a esta guía)
iv) qué papel juega el uso de hierro con un porcentaje de potasio y aluminio como catalizador
heterogéneo.
34) El ácido oxálico -COOHCOOH- es una sustancia venenosa que se usa como agente
blanqueador y limpiador (para eliminar depósitos de herrumbre). Calcule las
concentraciones de todas las especies presentes en una solución de este ácido
0.1 M. Datos: K1=6.5 10-2 y K2=6.1 10-5
35) El principal componente de la piedra caliza se encuentra presente en el CaCO3
una sal muy poco soluble cuyo Kps=4.8 10-9 .
36) Calcule la solubilidad en agua pura del carbonato de calcio.
a)
Ácido oxálico
Explique porqué se solubiliza en medio ácido.
37) El ácido cítrico presente en el limón y en la naranja se usa en la industria alimentaria. La adición de este
ácido a las bebidas les confiere un sabor que imita al de la fruta natural. También es muy usado ya que
previene el desarrollo de hongos y bacterias. En la industria farmacéutica, el ácido se usa en tabletas con
38) AlkaSeltzer. Cierto jugo contiene 7.5 g de ácido/litro de jugo. Calcule su pH. Considere dos etapas de
disociación.
39) Los "amortiguadores" de citratos se usan para la investigación bioquímica y en alimentos. ¿Cómo prepararía
un "buffer" de citrato de pH 5.4 aproximadamente. Datos: K1= 7.1 10-4
K2=1.7 10-5 K3= 6.4 10-6
40) Una lata de gaseosa es un sistema cerrado donde el pH del líquido se encuentra definido
fundamentalmente por el CO2 disuelto. En estas latas se inyecta CO2 a una presión parcial de 4 atm.
Considerando sólo la presencia de este gas y las especies que de él derivan
a)
¿Cuál es el pH de la bebida dentro de la lata?
b)
¿Qué ocurre con el pH de la bebida luego de estar servida durante un rato en un vaso?
Datos: Patm= 1 atm
KH=3.4 10-2 atm-1M
%CO2 = 0.033
K1= 4.5 10-7
K2= 4.7 10-11
41) Los halogenuros de plata (excepto el fluroruro) son sales sensibles a la luz. Por ello, se usan para preparar
emulsiones fotográficas. Cuando se expone una película (con emulsión de AgBr, fundamentalmente) la luz
incidente activa los gránulos de la sal. Esta transformación no es visible y consiste en una migración de
electrones en el seno de la emulsión. Al revelar la emulsión fotográfica se forman granos de plata de color
negro, en los puntos donde el bromuro fue activado. Aquellos puntos que no han sido activados deben
permanecer como AgBr sin reducir. Sin embargo, si no se eliminan los restos de sal que no ha recibido la
luz, pronto se va a ennegrecer toda la emulsión. Por eso es necesario eliminar toda la sal, el
inconveniente radica en que el AgBr es una sal muy poco soluble en agua, y por lo tanto no se puede
disolver para formar soluciones en agua pura, pero sí en soluciones que contengan una elevada
concentración de S2O32-. La ecuación representativa es indicada en el cuadro. La etapa final entonces
consiste en introducir la película en un baño cuyo principal componente es el tiosulfato para eliminar así
por completo las sales de plata sin atacar el depósito negro de plata coloidal. Este baño se denomina baño
de fijado.Considerando lo explicado anteriormente, calcule:
a) La solubilidad del AgBr en agua pura.
b) La concentración de todas las especies presentes en una solución de Na2S2O3 1M a la que se le agrega
AgNO3 hasta una concentración inicial 0.1M
c)
La solubilidad del AgBr en una solución 1M de
Datos: Ki
3Ag(S2O3)2
= 4 10-14
S2 O32
KpsAgBr= 5.2 10-13
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