velocidad de reacción

Iniciación a la Química- 2005
1. Clasifique los siguientes
Ácido
A
Ka
1,6.10-3
Determine sus pKas
SOLUCIÓN:
Orden
1º
A
2º
B
3º
D
4º
C
Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base
ácidos por orden de fuerza:
B
C
D
9.10-4
2.10-6
3.10-4
pKa
2,8
3,0
3,5
5,7
2. La penicilina, de masa molecular 365 g/mol, es un antibiótico muy
utilizado para tratar enfermedades bacterianas y es un ácido débil.
Su Ka tiene un valor de 1,7.10-3. Calcule [H+] de una disolución
preparada añadiendo agua hasta 725 mL a las siguientes
cantidades: a) 0,187 mol; b)127 g.
SOLUCIÓN:
Penicilina=PenH
PenH(aq) +H20(l)
Pen-(aq) + H3O+(aq)
−
+
Pen H 3O
Ka =
[PenH ]
Determinación de concentraciones en el equilibrio:
a) [Pen]0=0,187mol/0,725 L = 0,258 M
[PenH]
[Pen-]
[H3O+]
Inicial 0,258
0
0
Cambio -x
x
x
Final
0,258-x
x
x
x.x
= 1,7.10 −3 ;
Ka =
0,258 − x
Aproximación : 100.Ka = 100. 1,7.10-3 = 0,17
100.Ka < [A]0?; 0,17< 0,258
0,258-x
x2 = 0,258 x 1,7.10-3; x= 2,1.10-2 M
x=2,1.10-2 =[H3O+]
[
][
]
b) [Pen]0=(127 g/365 g/mol)/0,725 L = 0,480 M
[PenH]
[Pen-]
[H3O+]
Inicial 0,480
0
0
Cambio -x
x
x
Final
0,480-x
x
x
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Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base
x.x
= 1,7.10 −3 ;
0,480 − x
Por las mismas razones que en el apartado anterior:
100.Ka < [A]0?; 0,17< 0,480
0,480-x
x= 2,9.10-2 M=[H3O+]
Ka =
3. El ácido barbitúrico (Ka= 1,1.10-4) se emplea en la fabricación de
algunos calmantes. Para una disolución de ácido barbitúrico 0.679
M. Calcule: a) [H+]; b) pH, c) [OH-], d)% de ionización
SOLUCIÓN:
El razonamiento es equivalente al del problema anterior:
Ácido barbitúrico= BarH
BarH(aq) +H20(l)
Bar-(aq) + H3O+(aq)
−
+
Bar H 3O
Ka =
[BarH ]
[BarH]
[Bar-]
[H3O+]
Inicial 0,679
0
0
Cambio -x
x
x
Final
0,679-x
x
x
x.x
= 1,1.10 −4 ;
Ka =
0,679 − x
Aproximación : 100.Ka = 100. 1,1.10-4 = 0,011
100.Ka < [A]0?; 0,011< 0,679
0,679-x
x2 = 0,679 x 1,1.10-4; x= 7,5.10-5 M
a) x=8,6.10-3 =[H3O+]
b) pH= -log 8,6.10-3= 2,1
c) pOH= 14,0-pH= 14,0 -2,1= 11,9
[OH-]=10-11,9= 1,3.10-12 M
d) de 0,679 M iniciales se han ionizado 8,6.10-3
% = (8,6.10-3/0,679)x100 = 1,3%
el grado de disociación, α = 0,013
[
][
]
4. La Ka del NH4+ es 5,6.10-10 . Calcule el pH de una disolución de
cloruro de amonio 0,39 M en agua.
SOLUCIÓN:
Disociación de la sal en agua:
NH4Cl(aq) NH4+(aq) +Cl-(aq)
El anión cloruro que proviene de un ácido muy fuerte frente al agua,
será una base muy débil frente a esta y no aceptará protones de ella en
cantidad apreciable.
El amonio, cuya base conjugada es débil (amoniaco), actuará como
ácido frente al agua con fortaleza apreciable, de forma que hemos de
considerar el equilibrio:
NH4+ (aq) +H20(l)
NH3 (aq) + H3O+(aq)
Iniciación a la Química- 2005
Ka =
[NH 3 ][H 3O + ] = 5,6.10-10
Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base
[NH ]
+
4
Puesto que la sal es totalmente soluble, la concentración inicial de
ión amonio = 0,39 M
[NH4+]
[NH3]
[H3O+]
Inicial 0,39
0
0
Cambio -x
x
x
Final
0,39-x
x
x
x.x
= 5,6.10 −10 ;
Ka =
0,39 − x
Aproximación : 100.Ka = 100. 5,6.10-10 = 5,6.10-8
100.Ka < [A]0?; 5,6.10-8<<<< 0,39
0,39-x
9
2
x = 0,39 x5,6.10-10; x= 1,5.10-5 M
a) x=1,5.10-5 =[H3O+]
b) pH= -log 1,5.10-5= 4,8
5. Calcule el valor de Kb de la base conjugada de los
a) Aspirina (analgésico) Ka= 3,6.10-4
b) Ibuprofeno (analgésico) Ka = 2,5.10-5
SOLUCIÓN:
De forma general:
AH (aq) +H20(l)
A- (aq) + H3O+(aq)
A (aq) +H20(l)
AH (aq) + OH-(aq)
2H20(l)
H3O+(aq + OH-(aq)
siguientes ácidos:
-ácido; Ka
-base ; Kb
Kw
Ka x Kb=Kw
pKa + pKb=pKw
a) pKa= -log(3,6.10-4) = 3,4
14,0 -3,4= 10,6 = pKb
Kb = 10-10,6 = 2,5.10-11
b) pKa= -log(2,5.10-5) = 4,6
14,0 -4,6 = 9,4 = pKb
Kb = 10-9,4 = 4,0.10-10
6. Calcule el valor de Ka del ácido conjugado de las siguientes bases:
a) Morfina (opiáceo) Kb = 7,4.10-7
b) Efedrina, (empleada como descongestionante) Kb= 1,4.10-4
SOLUCIÓN:
El razonamiento es idéntico al del problema anterior
a) pKb= -log(7,4.10-7) = 6,1
14,0 -6,1= 7,9 = pKa
Ka = 10-7,9 = 1,4.10-8
b) pKb= -log(1,4.10-4) = 3,9
14,0 – 3,9 = 10,1 = pKa
Ka = 10-10,1 = 7,1.10-11
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Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base
7. La codeína (Cod), un analgésico fuerte y adictivo, es una base débil.
a) Escriba la reacción que muestra que su comportamiento
frente al agua es básico. Represente la molécula de codeína
como Cod.
b) Si el valor de Ka para su ácido conjugado es 1,2.10-8 ¿cuál
es el valor de Kb de la reacción del apartado anterior?
c) ¿cuál es el pH de una disolución 0,0020 M de codeína?
SOLUCIÓN:
a) Cod (aq) +H20(l)
CodH+ (aq) + OH-(aq)
-base ; Kb
b) CodH+ (aq) +H20(l)
Cod (aq) + H3O+(aq) -ácido; Ka=1,2.10-8
pKa= -log(1,2.10-8) = 7,9
14,0 – 7,9 = 6,1 = pKb
Kb = 10-6,1 = 8,3.10-7
c)
[Cod]
[CodH+]
Inicial 0,0020
0
Cambio -x
x
-3
Final 2,0.10 -x
x
x.x
= 8,3.10 −7 ;
Kb =
2,0.10 −3 − x
[OH-]
0
x
x
Aproximación : 100.Kb = 100. 8,3.10-7 = 8,3.10-5
100.Kb < [A]0?; 8,3.10-5<<<< 0,0020
0,0020-x
x2 = 0,0020 x8,3.10-7; x= 4,1.10-5 M = [OH-]
pOH= 4,4
pH= 9,6
[H3O+]= 2,4.10-10 M
!"
8. Indique si las disoluciones 1 M de estas sales son ácidas, básicas o
neutras:
a)SrCl2, b) NH4CN, c) KF, d)NaNO3
e) Li2SO3; f) Na3PO4; g) NaHCO3
SOLUCIÓN:
Todas son sales solubles. Hay que analizar los iones en disolución y
decidir si provienen de ácidos fuertes o débiles o de bases fuertes o
débiles.
a)
Sr2+(aq) + 2Cl-(aq) provienen respectivamente de bases y
ácidos muy fuertes, por lo que no alteran el pH de la disolución
inicial (agua)
b) NH4+(aq)+CN-(aq) que provienen de base y de ácido débil
respectivamente. El carácter ácido o básico dependerá de la
fortaleza relativa de sus constantes de acidez y basicidad. Si
buscamos en las tablas de los libros de texto recomendados
encontramos:
Ka(NH4+) = 5,6 .10-10
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c)
d)
e)
f)
g)
Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base
Kb(CN-)=2,5.10-5
La tendencia del amonio para producir protones en agua es
menor que la tendencia del cianuro para producir OH- en agua.
Por tanto en cantidades equimolares, como es el caso (la sal es
1:1) la disolución será básica.
K+ (aq)+ F- (aq) provienen respectivamente de bases y ácidos muy
fuertes, por lo que no alteran el pH de la disolución inicial (agua)
Na+ (aq) + NO3- (aq) provienen respectivamente de bases y ácidos
muy fuertes, por lo que no alteran el pH de la disolución inicial
(agua)
2Li+(aq) + SO32- (aq). El catión litio, como todos los alcalinos y los
alcalinotérreos provienen de bases muy fuertes, por lo que su
tendencia para reaccionar con agua es mínima. El anión sulfito,
proviene del ácido bisulfito HSO3- que no es un ácido fuerte.
Hemos de mirar en tablas y ver que la tendencia a reaccionar con
H20(l) del anión sulfito para producir bisulfito es 1,6.10-7. Por
tanto la disolución será básica.
SO32- (aq) +H20(l)
HSO3- (aq) + OH-(aq)
3Na+ (aq) + PO43-(aq). Estamos en la misma situación anterior. El
catión sodio, no ioniza el agua. Si miramos en tablas la Ka del
ácido monohidrógenofosfato, de donde proviene el anión fosfato,
veremos que tiene un valor de 3,6.10-13. Lo cual quiere decir que
la tendencia del anión fosfato a dar monohidrógenofosfato tiene
una constante Kb de 2,8.10-2, relativamente alta. Es decir la
disolución será claramente básica, porque la reacción
PO43- (aq) +H20(l)
HPO42- (aq) + OH-(aq) tiene tendencia a
darse.
El bicarbonato sódico se disuelve en agua produciendo iones
sodio y bicarbonato: Na+ (aq) + HCO3- (aq). Mientras que el catión
sodio es estable en agua, el anión bicarbonato es una sustancia
anfótera: tanto puede tomar del agua un protón para convertirse
en ácido carbónico H2CO3 (aq), con una constante Kb= 2,4.10-8,
como puede ceder un protón al agua para convertirse en anión
carbonato, CO32- (aq), con una constante de acidez Ka= 4,8.10-11.
Si comparamos estos dos números encontramos para el ión
bicarbonato que, frente al agua, la tendencia a dar iones OH- es
mayor que la tendencia a dar iones hidronio. Por tanto la
disolución de esta sal será básica.
CINÉTICA QUÍMICA
9. Los siguientes datos se refieren a una reacción hipotética A→ B+C
t(s)
0
2,0
4,0
5,0
8,0
10,0
[B]
0
0,100 0,140 0,150 0,165
0,175
a) Represente los datos de la variación de la concentración
con el tiempo.
b) Dibuje una tangente a la curva obtenida para obtener la
velocidad instantánea a los 6 min.
c) Calcule la velocidad media en el intervalo de 4 a 8 minutos
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Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base
d) Compare la velocidad instantánea a los 6 min y la velocidad
media en el intervalo de los 6 min.
[B]
velocidad de reacción
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
Serie1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
t(s)
a) Pendiente de la tangente a la curva en el punto t=6, es el valor de
la derivada de la curva en es punto tg
5- 0,14)/(10,0-2,6) =
4,7.10-3 mol.L-1 s-1= velocidad de reacción instantánea.
b) v = (0,165-0,140)/(8,0-4,0) = 6,3 10-3 mol.L-1 s-1
c) No coinciden exactamente. Para determinar velocidades
instantáneas mediante ∆[B]/∆t, los intervalos de tiempo han de
ser muy pequeños respecto al tiempo total de la reacción.
#%$'&(*),+
10. Una reacción tiene dos reactivos A y B. Determine cual es el orden
parcial de la reacción respecto a cada uno de los reactivos y el orden
total de la reacción si se tuvieran las siguientes ecuaciones de
velocidad:
v = k1[A]3; v = k2[A][B] ; v = k3[A][B]2; v = k4[B]
En que unidades se expresarían estas constantes de velocidad, si la
velocidad se expresa en mol.L-1s-1
SOLUCIÓN:
a) Orden parcial respecto a A, 3. Orden total 3
Unidades de k1; (mol/L)-2.s-1
b) Orden parcial respecto a A, 1. Orden parcial respecto a B, 1. Orden
total 2
Unidades de k2; (mol/L)-1.s-1
c) Orden parcial respecto a A, 1. Orden parcial respecto a B, 2. Orden
total 3
Unidades de k3; (mol/L)-2.s-1
d) Orden parcial respecto a A, 0. Orden parcial respecto a B, 1. Orden
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Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base
total 1
Unidades de k4; s-1
11. Los siguientes datos se obtuvieron para la descomposición en fase
gaseosa del acetaldehído.
k (L mol-1 s-1)
0,0105
0,101
0,60
2,92
T(K)
700
750
800
850
Represente el lnk frente a 1/T y determine el valor de la energía de
activación.
Arrhenius
2
1
10
lnk
3
0
-1 1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Serie1
-2
-3
-4
-5
1/T (K-1)
-
Pendiente de la recta -2,23.104 =- Ea/R
R= 8,306 J/K.mol
Ea= 1,85.105 J/mol =185 kJ/mol
12. Para la reacción HI(g) + CH3I(g)→ CH4(g) + I2(g) la constante de
velocidad es 0,28 L mol-1 s-1 a 300 ºC y 0,0039 L mol-1 s-1 a 227 ºC.
a) ¿cuál es la energía de activación de la reacción?
b) ¿cuál es el valor de la k a 400 ºC?
SOLUCIÓN:
ln k = ln A −
a)
ln k1 − ln k 2 =
ln0,28-ln0,0039 =
4,27
x
Ea
RT
Ea
E
E 1 1
− a = a( − )
RT2 RT1
R T2 T1
Ea 
1
1
 Ea
2,54.10-4
−

=
R  273 + 227 273 + 300  R
8,306/2,54.10-4 = 1,40.105 J/mol =140 kJ/mol
b) ln0,28-lnk400=
Ea 
1
1
 Ea
−
(-2,59.10-4)

=
R  273 + 400 273 + 300  R
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1,40.10 5
(2,59.10-4)- ln0,28 = 5,64
8,306
k400 =2,81.102 L mol-1 s-1
lnk400=
Problemas. Capítulo 4
y equil. ácido-base