UNIVERSIDAD NACIONAL DE GENERAL SAN MARTIN ESCUELA DE CIENCIA Y TECNOLOGIA Bachillerato Universitario en Ciencias e Ingenierías QUIMICA GENERAL Serie 10 Conceptos. Termodinámica del equilibrio químico. Relación entre G, G, Q (cociente de reacción) y K. Efectos sobre el equilibrio de variaciones de temperatura, presión, volumen y concentración de reactivos y productos. Principio de Le-Chatelier. Ecuación de van’t Hoff. Equilibrio químico en fase gaseosa. Equilibrio químico en fase heterogénea. G, G, Q y K. Efecto de T, p, V y xi . T 1. A presión y temperatura constantes, ¿cómo puede predecir si un proceso (una reacción química) ocurre espontáneamente? El valor de Go para una sustancia, ¿en qué condiciones está definido? ¿Se modificará la entalpía libre de un compuesto si varían la presión, la temperatura o la concentración? Si la sustancia considerada es una fase condensada ¿será la presión una variable importante? ¿Cómo afecta la disminución de la concentración (dilución) a la entropía de la sustancia? ¿Y a la energía de Gibbs? 2. En base a los datos que se dan a continuación, calcule Go y Kp para la siguiente reacción a 298 K: NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g). Discuta si es la contribución entálpica o entrópica la que, en este caso, decide el valor de Go. Hof kJ/mol So J/(mol K) NO (g) 90,37 210,62 O3 (g) 142,3 237,6 NO2 (g) 33,84 240,45 O2 (g) 0 205,0 R: 198 kJ; 5,30 1034 3. Escriba las expresiones correspondientes a Kp y Kc para las siguientes reacciones: a) N2O4 (g) 2 NO2 (g) b) 2 NO2 (g) N2O4 (g) c) NO2 (g) d) CaCO3 (s) e) C (gr) + CO2 (g) f) NaHCO3 (s) 1/2 N2O4 (g) CaO (s) + CO2 (g) 2 CO (g) 1/2 Na2CO3 (s) + 1/2 H2O (g) + 1/2 CO2 (g) g) NH4HS (s) NH3 (g) + H2S (g) ¿Qué relación existe entre Kp (a) y Kp (b)? ¿Y entre Kp (b) y Kp (c)? 4. A 298 K, la constante de equilibrio Kc correspondiente a la reacción a) del problema 3 es Kc = 3,66. Se colocan en un recipiente N2O4 y NO2 en las cantidades dadas a continuación. Se desea saber si esas condiciones iniciales corresponden a un estado de equilibrio químico y, en caso negativo, en qué dirección evolucionará el sistema para alcanzar dicho equilibrio. Exp. 1 2 3 4 5 V/L 1,0 0,1 1,0 1,0 1,0 n(N2O4) 0,50 0,50 0,10 0 1,0 n(NO2) 0,50 0,50 0,90 1,0 0 Q ¿Equilibrio? Dirección 5. A partir de los valores de las constantes de equilibrio de las siguientes reacciones: H2 (g) + 1/2 O2 (g) H2O (g) Kp = 1,17 1040 2 CH4 (g) C2H6 (g) + H2 (g) Kp = 5,52 1013 calcule la constante de equilibrio Kp para la reacción: 2 CH4 (g) + 1/2 O2 (g) C2H6 (g) + H2O (g) Comente brevemente qué ventaja existe en la preparación de etano a partir de metano según la última reacción (en presencia de oxígeno) en comparación con la reacción anterior. R: 6,46 1027 6. Aplicando el principio de Le Chatelier para los siguientes equilibrios: i) SO3 (g) SO2 (g) + 1/2 O2 (g) H = 98,9 kJ ii) CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g) iii) 1/2 N2 (g) + O2 (g) NO2 (g) indicar cómo se modifica el estado de equilibrio por: a) agregado de reactivo. b) aumento de presión. c) disminución de temperatura. d) agregado de argón (gas inerte) a volumen constante. e) agregado de argón (gas inerte) a presión constante. H = -41,2 kJ H = 33,2 kJ 7. Para la reacción: N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) o -4 o -5 Kp (400 C) = 1,64 10 y Kp (500 C) = 1,44 10 . Calcular el Hf por mol de NH3 en ese intervalo de temperaturas. R: -52,6 kJ/mol NH3 Equilibrio químico en fase gaseosa 8. Se introduce una cierta cantidad bromuro de hidrógeno gaseoso en un matraz a 425oC, observándose en estas condiciones su descomposición parcial en hidrógeno y bromo: 2 HBr (g) H2 (g) + Br2 (g) Se encuentra que, en el equilibrio, las concentraciones de HBr y de H2 son 4,30 10-1 M y 2,78 10-5 M respectivamente. a) Obtenga la concentración de Br2 en el equilibrio. b) Calcule la constante de equilibrio Kc para la reacción de descomposición del bromuro de hidrógeno a 425oC. c) A partir de las composiciones de la mezcla en equilibrio, calcule las presiones parciales de cada gas. En base a este resultado calcule Kp . d) Calcule el valor de G (425oC, 1atm) para la reacción de descomposición del HBr. R: a) 2,78 10-5; b) 4,18 10-9; c) 24,6 atm; 1,59 10-3 ; 4,18 10-9 ; d) 112 kJ/mol de H2 o 56,0 kJ/mol de HBr 9. Se coloca en un recipiente de 5,00 L a 448oC una mezcla de 5,00 10-3 moles de H2 y 1,00 10-2 moles de I2 y se deja que llegue al equilibrio. El análisis de la mezcla en equilibrio indica que la concentración de HI es 1,87 10-3 M. Calcule Kc a 448oC para la reacción: H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) R: 51 10. Para la reacción: PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) la constante de equilibrio Kc a o -2 250 C vale 4,145 10 . En un recipiente de 2,0 L previamente evacuado, se introduce 1 mol de PCl5 y se calienta a 250oC. Calcular: a) las concentraciones de todas las especies cuando se alcanza el equilibrio. b) la constante de equilibrio Kp a 250oC. c) la presión parcial de cada gas y la presión total cuando se alcanza el equilibrio. R: a) cPCl5 = 0,375 M; cPCl3 = cCl2 = 0,125 M; b) 1,78; c) pPCl5 = 16,10 atm; pPCl3 = pCl2 = 5,37 atm 11. Una mezcla formada por 0,10 moles de H2, 0,12 moles de I2 y 0,80 moles de HI contenida en un recipiente de 2,0 L está en equilibrio a 360oC. ¿Qué cantidad de H2 debe introducirse en el recipiente para que cHI en equilibrio sea 0,42 moles/L? R: 0,0523 moles Equilibrio químico en fase heterogénea 12. La presión de disociación del CaCO3 sólido CaCO3 (s) o es 678 torr a 810 presión de disociación de 1333 torr? CaO (s) + CO2 (g) R: 1138 K 13. El cianuro de amonio se disocia según la reacción: NH4CN (s) HCN (g) + o NH3 (g), siendo la presión de equilibrio igual a 0,3 atm a 11 C. Si se introduce NH4CN en exceso en un matraz de 1,00 L a 11oC que contiene 0,5 atm de NH3, calcular: a) Kp b) la presión parcial de los gases en el equilibrio. c) la presión del sistema cuando se alcanza el equilibrio. d) el número de moles de NH4CN que habrán sublimado. R: a) 0,0225; b) pHCN = 0,0416 atm; pHCN = 0,542 atm; c) 0,584; d) 1,79 10-3 moles 14. A 1000K, la presión de CO2 en equilibrio con CaCO3 y CaO es igual a 3.910-2 atm. La constante de equilibrio Kp de la reacción: C (s) + CO2 2 CO (g) es 1.9 a la misma temperatura cuando las presiones están en atmósferas. Se mezclan C, CaO y CaCO3 y se permite que alcancen el equilibrio a 1000K en un recipiente cerrado. ¿Cuál es la presión del CO en equilibrio?