Guía de estudios de Química

Instituto Tecnológico de estudios Superiores de Monterrey
Campus Estado de México
División de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ciencias Básicas
Guía de estudios de Química
Esta guía de estudios te ayudará a prepararte en los temas de Química que tienes que
conocer para presentar el examen.
En la primera parte de esta guía encontrarás 15 ejemplos de los siguientes temas: la
energía y reacciones químicas, rapidez y equilibrio de las reacciones químicas,
fundamentos de química orgánica, modelo cinético molecular y cinética química. En la
segunda parte se presentan dos exámenes de opción múltiple, trata de resolverlos
después de estudiar, en estos exámenes, la respuesta correcta esta marcada con dos
asteriscos con el fin de que tengas un parámetro de comparación con tus respuestas.
EJEMPLOS:
1. Cuando un gas se comprime en un cilindro desde un volumen de 6 litros hasta
2.0 litros mediante una presión de 585 mmHg se liberan 128 J de calor hacia los
alrededores. Calcular el cambio de energía interna del gas en este proceso.
Para calcular la ∆E (variación de energía interna) utilizaremos la expresión
matemática de la primera ley de la termodinámica que es: ∆E = q – W en donde
q es la cantidad de calor transferida en el proceso y W es el trabajo desarrollado.
El calor transferido lo tenemos como un dato 128 J, ahora solamente tenemos
que considerar que como este calor se libera del gas hacia el alrededor, debemos
representarlo con signo negativo (-128J), enseguida calcularemos el trabajo
desarrollado por el medio hacia el sistema (gas) mediante la ecuación de W =
P(V2 – V1) donde es la presión ejercida contra el gas y V es el volumen final e
inicial.
W = 585mmHg (2.0 L – 6.0 L) = - -2340 mmHg*L
Como lo que calculamos es trabajo, el sistema internacional de unidades indica
que la unidad para expresar el trabajo debe ser el Joule hay que hacer un cambio
de unidades utilizando algunos factores de conversión, así quedará:
2340 mmHg*L | 1 atm/ 760mmHg|101.3 J/L*atm = -311.89 J
Ahora si podremos calcular la variación de energía interna:
∆E = -128J – (-311.89J) =- 439.89 J.
2. Utilizando la ley de Hess, calcular la entalpía de formación del acetileno a partir
de las siguientes reacciones.
C(s) + O2(g) -------- CO2 (g)
∆H = -393.5 Kj/mol
H2(g) + ½ O2(g) ---- H2O (l)
∆H = -285.8 Kj/mol
C2H2(g) + 5/2O2(g) ------- 2CO2(g) + H2O(l) ∆H = -2598.3 Kj/mol
Según la ley de Hess el calor liberado o absorbido en una reacción es
independiente del número de etapas por las que ocurra dicha reacción. Entonces
sumaremos algebraicamente las tres reacciones para obtener la reacción de formación
del acetileno [2C(s) + 2H2(g) -------- C2H2(g)].
Para logarlo, hay que invertir la tercera reacción y también invertiremos el signo del
valor de la entalpía de dicha reacción, por que escribiremos:
C(s) + O2(g) -------- CO2 (g)
∆H = -393.5 Kj/mol
H2(g) + ½ O2(g) ---- H2O (l)
∆H = -285.8 Kj/mol
2CO2(g) + H2O(l) ------- C2H2(g) + 5/2O2(g) ∆H = +2598.3 Kj/mol
Ahora si sumaremos las tres ecuaciones aunque antes que todo, la
primera ecuación las multiplicaremos x 2 con el fin de poder eliminar las
dos moléculas de CO2 así como la molécula de agua de las reacciones.
Por lo tanto.
2C(s) + 2O2(g) -------- 2CO2 (g)
∆H = [-393.5 Kj/mol]2
H2(g) + ½ O2(g) ---- H2O (l)
∆H =[ -285.8 Kj/mo]
2CO2(g) + H2O(l) ------- C2H2(g) + 5/2 O2(g) ∆H =[ +2598.3 Kj/mol]
2C(s) + 2H2(g) --------- C2H2(g)
∆Hf = 1525.5 Kj/mol
3. Balancear la reacción redox siguiente utilizando el método del ión-electrón. La
siguiente reacción ocurre en medio alcalino: MnO4- + I- ------- MnO2 + I2 las
reglas para balancear este tipo de reacciones que ocurren en medio ácido son: a)
todos los átomos de hidrógeno se balancean con moléculas de agua, b) todos los
átomos de oxígeno se balancean con radicales OH- y todas las cargas eléctricas
se balancean con electrones (e-). Para balancear, primero se parte la reacción
iónica en dos, la primera sería; MnO4- ------- MnO2 + 2 OH- ya están
balanceados los átomos de oxígeno, ahora adicionamos 2 moléculas de agua del
lado izquierdo para balancear los átomos de hidrógeno que no hay del lado
izquierdo por lo tanto: 2H2O + MnO4- ------ MnO2 + 2 OH- pero ahora hay 4
hidrógenos a la izquierda por lo que hay que adicionar otros 2 OH- de lado
derecho: 2H2O + MnO4- ------- MnO2 + 4 OH- de esta manera ya están
balanceados los átomos de ambos lados de la reacción, ahora falta balancear las
cargas eléctricas, a la izquierda hay una carga negativa y a la derecha hay 4
cargas negativas por lo que hay que adicionar 3 cargas negativas al lado
izquierdo: 2H2O + MnO4- + 3 e- ------- MnO2 + 4 OH- Ahora la otra parte de
la reacción es balancear el Yodo: 2I- ---- I2 + 2e- para ello seguimos los
mismos pasos que en el caso del MnO4- Finalmente ya que están balanceadas las
dos semireacciones las sumaremos para volver a la reacción original, pero
recordemos que de acuerdo con la ley de la conservación de la masa, el número
de electrones que se requieren en la reacción de reducción (primera
semireacción) debe ser igual al número de electrones liberados en la reacción de
oxidación (la del yodo). Si notas no es el mismo número hay 3 e- en la reducción
y 2e- en la oxidación por lo tato, la primera reacción la multiplicaremos por 2 y
la segunda (reacción de oxidación) la multiplicaremos por 3, así escribiremos lo
siguiente: 4H2O + 2MnO4- + 6 e- ------- 2MnO2 + 8 OH- y
6I- -------- 3I2 + 6esumando
____________________________________
4H2O + 2MnO4- + 6I- -----
2MnO2 + 8OH- + 3I2
Repasa resolviendo la siguiente ecuación que ocurre en medio ácido
Fe2+ + Cr2O7-2 -------- Fe3+ + Cr3+
4. El potencial estándar de reducción se obtiene haciendo uso del potencias estándar de
reducción del hidrógeno el cual tiene un valor de cero. En este caso, el electrodo de Cu
es el cátodo, porque aumenta su masa durante la operación de la celda como lo indica la
reacción de reducción: Cu2+ + 2e- ------- Cu° El diagrama de la celda es; Pt(s)|H2 (1
atm)|H+1M||Cu2+1M|Cu°(s) y las reacciones de la semicelda son:
H2(1 atm) -----2H+ + 2e- ánodo (reacción de oxidación)
Cu2+ + 2e- ---- Cu° cátodo (reacción de reducción)
Cu2+ + H2 ------- Cu° + 2H+ Reacción global de la pila
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En condiciones estándar de 25°C y 1 atm. la fem de la celda es de 0.34 así que
se escribe E°celda = E°cátodo – E°ánodo ; 0.34V = E°Cu2+/Cu° - E°H+/H2 como éste último
término vale cero; E°Cu2+/Cu°= 0.34 V Por lo tanto el potencial estándar de reducción de
cobre es igual a 0.34 V. Práctica calculándolo para la pila de Daniells:
Zn°|Cu2+||Zn2+|Cu° (respuesta; 1.10V)
Repasa los conceptos siguientes: Velocidad de Reacción, en qué consiste la Teoría de la
colisiones, qué es la energía de activación, explica como varía la energía de activación
de una reacción con el cambio de temperatura, Explica como afectan a la velocidad de
reacción factores tales como: temperatura, presión concentración, catalizadores y
superficie de contacto.
Explica en qué consiste la reversibilidad de una reacción, auxíliate del concepto de
energía de activación, Explica cual es el significado físico de la constante de equilibrio,
trata de aplicar el principio de LeChatelier en reacciones en donde se aumente o
disminuya la temperatura, la presión o la concentración por ejemplo, si consideramos la
reacción PCl5(g) ------ PCl3(g) + Cl2(g)
∆H = -345.98 Kcal /mol. Hacia adonde
se desplaza el equilibrio si a) se aumenta la temperatura, b si se disminuye la presión y
c) si de elimina Cl2 Para contestar cada una de estas preguntas hay que entender el
principio de Lechatelier el cual se enuncia de la siguiente manera: “ Cuando sobre un
sistema en equilibrio, se hace actuar una fuerza externa, el equilibrio se desplazará en
el sentido en que se disminuya ele efecto de dicha fuerza” Por lo tanto a) como el valor
de entalpía de la reacción nos indica que la disociación del PCl5 es una reacción
exotérmica por lo tanto la reacción inversa será endotérmica, luego entonces si el
sistema se calienta, se favorecerá la reacción endotérmica que es la inversa ( formación
de reactivos). b) si se disminuye la presión entonces la disminución del efecto se llevará
a cabo aumentando la presión del sistema lo cual favorecerá el desplazamiento hacia la
derecha (formación de productos). c) Si se elimina Cl2 se reducirá el efecto de pérdida
de concentración de Cl2 formando más cloro por lo que la reacción se desplazará hacia
la derecha. Practica con el siguiente sistema H2(g) + I2(g) ------- 2HI(g)
∆H = +
746.5 Kcal /mol hacia donde se desplazará el equilibrio si a) se enfría el sistema, b) se
aumenta la presión, c) se adiciona HI al sistema.
Repasa las teorías ácido-base de Brönsted-Lowry y Lewis así como los conceptos de
pH, pOH y concentración de H+. Ejemplo calcular la concentración de iones H+ en una
solución de NaOH 0.75 M. Como el NaOH es una base fuerte podríamos calcular lo que
se pide de dos maneras: una de ellas sería considerar una concentración de iones OH- de
0.75 ya que la base fuerte se encuentra 100% ionizada y con este dato calculamos el
pOH = -log [OH-]= - log [0.75 ] = 0.125, ahora como pH + pOH = 14; pH = 14 – 0.125
=13.875, por lo tanto [H+] = 10-pH = 1.33 x 10-14. Otra forma sería utilizando el valor de
la constante de ionización del agua que es Kw = 1.0 x 10-14 = [H+][OH-]; se despeja [H+]
y se obtiene el resultado. Calcúlalo para que practiques.
Utilizando la configuración electrónica del elemento cuyo número atómico es 35,
indica: a) número de niveles de energía presentes, b) cantidad de orbitales atómicos que
tiene el átomo, c) orbitales atómicos con electrones no apareados y d) tipo de elementos
al que pertenece. 1s2, 2s2 2p6, 3s23p6,4s23d10,4p5 a) 4 niveles de energía, b) 18 orbitales
atómicos ya que cada subnivel s tiene un orbita, cada subnivel p tiene 3 orbitales y cada
subnivel d tiene 5 orbitales atómicos, c) 1 es el subnivel 4pz, d) de acuerdo a su
configuración se encuentra a la derecha de la tabla periódica por lo que es un no metal.
Resuelve el siguiente con las mismas preguntas de los incisos, número atómico 42.
Se tienen tres elementos A, B, y C el elemento A tiene una electronegatividad de 2.1, el
elemento B tiene una electronegatividad de 3.3 y el elemento C tiene una
electronegatividad de 1.3, identifica el tipo de enlace que habría en las siguientes
combinaciones AB, AC, BC.
AB covalente polar, AC covalente polar y BC iónico. Para que practiques, ordena de
manera creciente de polaridad los compuestos anteriores (AB, AC, y BC).
10. Identifica los grupos funcionales presentes en los siguientes compuestos a) CH3 – Cl, b)
CH3 – NH- CH3, c) HCOH, d) CH3- COOH: a) Halogenuros, b) aminas, c) aldehídos, d)
ácidos.
11. Escribe la f´órmula semidesarrollada del isómero cuyo nombre de acuerdo a la IUPAC
es: 3, 5 dimetil, 4 isopropil2hepteno.
12. En el compuesto CH3 – CH2 –CH = CH2 indica a) que tipo de hibridación tiene el
carbono 3, b) que forma geométrica tiene el carbono 2, c) qué ángulo hay entre los
enlaces del carbono 1, c) escribe un isómero estructural de este compuesto, d) escribe
un isómero de posición de doble enlace de este compuesto, e escribe el nombre que le
corresponde al compuesto según la IUPAC, f) qué tipo de carbono es el carbono 3, g)
qué tipo de orbitales moleculares hay entre los carbonos 1 y 2. a) sp3, b) Trigonal ó
triangular plana, c) 120°, d) CH3 – CH = CH - CH3 e) 1 buteno f) carbono secundario,
g) un sigma y un pi. Contesta los mismo para el compuesto llamado 2 metil-2 etil
1pentino
13. Un globo inflado con un volumen de 0.55 L de He a nivel del mar, se deja elevar a una
altura de 6.5 Km donde la presión es de casi 0.40 atm. Si la temperatura permanece
constante cual será el volumen del globo a esa altura? Utilizaremos la ley del Boyle ya
que el proceso ocurre a temperatura constante. P1 V1 = P 2V 2 despejamos volumen 2.
V2 = P1V1 / P2 sustituyendo V2 = 0.55L X 1.0 atm. / 0.4 atm = 1.4 L.
14. El argón es un gas inerte que se emplea en los focos para retrasar la evaporación de los
filamentos. Un foco que contiene Ar a la presión de 1.2 atm y 18°C, se calienta hasta
alcanzar una temperatura de 85 °C a volumen constante, cuál será la nueva presión del
Ar dentro del foco?
Utilizaremos la ley de Charlles – Gay Lussac P1 / T1 = P2 / T2 y despejaremos P2
entonces P2 = 1.2 atm x 358°K / 291 °K = 1.48 atm. (NOTA: es importante recordar que
para un gas, la temperatura debe expresarse en escala absoluta Kelvin)
15. El gas CO2 ha adquirido gran importancia debido a que se ha ido acumulando en la
atmósfera ya que es un producto de la combustión de combustible fósiles que se emplea
en tuda la industria a nivel mundial, este gas junto con el metano y el vapor de agua
forman una barrera en la atmósfera que no permite la salida libre de la energía
calorífica reflejada y generada por las actividades humanas produciendo lo que se
conoce como efecto invernadero. Calcula la densidad de este gas a la temperatura de
20°c y 585 mmHg. Para hacer este cálculo recurriremos a la ecuación de los gases
ideales PV = nRT donde n = g/ PM, por lo que la densidad del gas se calculara mediante
la siguiente ecuación g/V = ρ = P * PM / RT sustituyendo datos ρ = 585 mmHg / 760
mmHg * 44 g/mol / 0.082 L.atm /mol°K * 293°K =1.41 g/L
16. Repasa los siguientes conceptos, a) sólidos amorfos y sólidos cristalinos que diferencias
presentan en sus propiedades físicas como son punto de fusión conductividad eléctrica
solubilidad en agua, etc. De la misma manera repasa los conceptos de tensión
superficial en los líquidos, viscosidad y presión de vapor.
BIBLIOGRAFÍA
Brown T. Lemay, E., Química: la ciencia central, México Pearson Education.. Novena
Edición. 2004
Chang Raymond, Química. MéxicoMcGraw Hill. Novena Edición 2007
Guía Área 2 para el reto IQ Es la ciencia que se encarga del estudio de los seres vivos: a) Genética b) Biología c) Biotecnología d) Zoología Es la unidad de vida más pequeña que existe: a) Átomo b) Organelo c) Célula d) Ninguna de las anteriores Es el organelo celular que se encarga de tomar la energía almacenada en los alimentos y la transforman en compuestos que la célula puede usar con facilidad: a) Mitocondria b) Ribosomas c) Lisosomas d) Flagelos Son estructuras largas en forma de látigo, de naturaleza química proteica que las células utilizan para la locomoción: a) Pili b) Cilios c) Flagelos d) Ribosomas Célula que posee un núcleo definido. El ADN se localiza dentro de una membrana nuclear que lo separa del resto del citoplasma: a) Eucariota b) Procariota c) Archaea d) Ninguna de las anteriores En este reino se encuentran los hongos: a) Fungi b) Protozoarios c) Animal d) Plantae Macromoléculas que en animales funcionan como almacén de energía a largo plazo: a) Lípidos b) Carbohidratos c) Ácidos Nucleico d) Oxígeno Se estima que el 50% del peso seco de una célula consiste de estas macromoléculas: a) Lípidos b) Carbohidratos c) Ácidos Nucleico d) Proteínas Etapa de la fase M de la división celular en la cual se produce la condensación de todo el material genético: a) Profase b) Metafase c) Telofase d) Anafase Este tipo de metabolismo la fuente de carbono procede del anhídrido carbónico (CO2) y la energía de la luz solar: a) Autótrofo fotosintético b) Autótrofo quimiolitotrófico c) Heterótrofo d) Ninguno de los anteriores Se describe como una unidad consistente en partes vivas y no vivas que interactúan para formar un sistema estable: a) Biosistemas b) Sistema c) Cuerpo d) Entidad Son modelos que explican cambios biológicos en sus múltiples niveles: a) Teorías b) Teorías evolucionistas c) Evolución d) Modelos de evolución Es el incremento en el número de individuos en una unidad dada de tiempo por cada individuo presente: a) Crecimiento b) Aumento poblacional c) Taza de crecimiento d) Crecimiento per cápita Células que se caracterizan por tener membranas internas a) Eucariota b) Procariota c) Archaea d) Ninguna de las anteriores Molécula en la cual se almacena la información genética. a) Cromosomas b) Genoma c) GEN d) ADN Características observables a simple vista de un ser vivo. a) Fenotipo b) Apariencia c) Genotipo d) Ninguna de las anteriores Las células y fibras de proteína son componentes de los: a) Células b) Tejidos c) Ninguna de las anteriores d) a y b La respiración celular es propia de células a) Animales b) Plantas c) Ninguna de las anteriores d) a y b La fotosíntesis se lleva a cabo en organelos llamados: a) Cloroplastos b) Mitocondrias c) Ribosomas d) Lisosomas Macromoléculas que están constituidas por Adenina, Citosina, Timina, : a) Lípidos b) Carbohidratos c) Ácidos Nucleico d) Oxígeno En un ecosistema, la presencia de un gran número de individuos de la misma especie es llamado: a) Abundancia b) Nicho ecológico c) Grupo étnico d) Diversidad Las células se comunican entre sí a través de mensajes químicos que son captados a través de: a) Receptor de membrana b) Mitocondrias c) Ribosomas d) Lisosomas El principal compuesto responsable de la fotosíntesis es: a) Clorofila b) Pared celular c) Lisosomas d) b y c Las células almacenan energía a través de un compuesto llamado: a) ADN b) DNA c) RNA d) ATP Cuando dos organismos en un ecosistema establecen relaciones a largo plazo en las cuales ambos salen beneficiados se dice que es una relación: a) Abundancia b) Nicho ecológico c) Grupo étnico d) Mutualistas