57582977 Quimica Ejercicios Resueltos Soluciones Termodinamica Selectividad

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66.1

Termodinmica

Calcula la variacin de energa interna de un sistema que cede 24 J en forma de calor y realiza sobre el entorno un trabajo de 60 J. Segn el primer principio de la Termodinmica: U = Q + W = 24 (J) 60 (J) = 84 J

6.2

Determina la cantidad de calor necesaria para aumentar 30 C la temperatura de 2,0 mol de molculas de agua lquida. Dato. Cm [H2O(l)] = 75,3 J K1

mol 1

Q = m c m T = 2,0 (mol ) 75,3 (J K 1 mol 1) 30 (K ) = 4518 J = 4,52 103 J

6.3

La reaccinMg (s) + 2 HCl (aq) MgCl2 (aq) + H2 (g)

se lleva a cabo en un erlenmeyer cerrado unido por un tubo a una jeringa, cuyo mbolo puede desplazarse libremente. Se hacen reaccionar 1,21 g de Mg y 50 cm3 de HCl 2 mol L1 a 25 C. La presin atmosfrica es de 101,3 kPa. El calor liberado durante la reaccin es de 23,3 kJ. Calcula el trabajo de expansin del hidrgeno producido, la variacin de entalpa del sistema reaccionante y la variacin de energa interna. Nota. Calcula el volumen de hidrgeno obtenido a partir de la cantidad consumida del reactivo 1 1 limitante utilizando la ley de los gases ideales. R = 8,31 J mol K .

Los moles iniciales de cada reactivo son: nMg = m 1,21 ( g de Mg) = = 0,0498 = 4,98 10 2 mol de Mg Mm 24,3 ( g mol 1)

nHCl = V c = 50 (cm3 ) 10 3 (L cm3 ) 2 (mol L1) = 0,1 mol de HCl Segn la estequiometra de la reaccin, el reactivo limitante es el Mg, del que se consumen 4,98 102 moles y produce los mismos de H2. A partir de la ecuacin de los gases ideales, el volumen obtenido de este gas es:p V = n R T V = n R T 4,98 10 2 (mol ) 8,31(J K 1 mol 1) 298 (K ) = = 1,22 10 3 m3 p 101,3 103 (Pa )

As pues, el trabajo de expansin: Wexp = p V = 101,3 103 (Pa) 1,22 10 3 (mol3 ) = 123,3 J = 0,123 kJ La variacin de entalpa: Qp = H = 23,3 kJ La variacin de energa interna: U = Qp + Wexp = 23,3 (kJ) 0,124 (kJ) = 23,4 kJ

6.4

La variacin de energa interna de la reaccin 2 O3 (g) 3 O2 (g) a 25 C y 105 Pa es Um = 287,9 kJ1 mol . Calcula el valor de Hm de la reaccin.

Hm = Um + ngases R T = 287,9 (kJ mol 1) + (3 2) 8,31 103 (kJ mol 1 K 1) 298 (K ) = 285,4 kJ mol1

1

6.5

En una tabla de datos se lee que la entalpa de combustin del azufre rmbico es H0 m(298 K) = c,1 = 296,9 kJ mol . Explica el significado de los smbolos:

a) b)

Hc

c) m d) ()

e) kJ mol1

a) b)

Variacin de entalpa. Combustin.

c) Molar. d) Condiciones estndar.

e) Kilojulios por mol.

6.6

La variacin de entalpa estndar molar de la reaccin H2 (g) +

1 O 2 (g) H2 O (l) es 287,5 kJ mol1. 2 Cul es la variacin de entalpa estndar de la reaccin escrita en la forma: 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (l) ?H2 (g) + 1 O2 (g) H2O (l); 20 Hm = 287,5 kJ mol 1

2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (l);

0 Hm = 2 (mol) ( 287,5) (kJ mol 1) = 575 kJ

6.7

Cules de las siguientes sustancias tienen una entalpa estndar de formacin igual a cero? Explica por qu. a) b) H2 (g) H (g) c) O2 (g) d) O3 (g) e) Hg (g) f) C (diamante)

a) b) c)

H0 [H2 (g)] = 0 f H0 [H (g)] > 0 f H0 [O2 (g)] = 0 f

e) H0 [Hg (g)] > 0 f d) H0 [O3 (g)] > 0 f f) H0 [C (diamante )] > 0 f

La entalpa de formacin de cualquier elemento en su forma ms estable en estado estndar es 0. Es el caso de H2 (g) y O2 (g).6.8 La entalpa estndar de formacin del etano, CH3CH3 (g), es +226,9 kJ mol-1. a) b) Escribe la ecuacin de la reaccin de formacin del etano a partir de sus elementos. Representa, en un diagrama de niveles de entalpa, la entalpa de formacin del etano.2 C (grafito) + 3 H2 (g) CH3 CH3 (g) H0 = +266,9 kJ mol 1 f

a) b)

El diagrama de niveles de entalpas ser:

H (kJ) + 266,9 CH3CH3 (g)

H0 [CH3CH3 (g)] = 266,9 kJmol f C (grafito), H2 (g)

_1

0

2

6.9

Calcula la entalpa estndar de la reaccin:4 NH3 (g) + 5 O2 (g) 6 H2O (l) + 4 NO(g)0 0 0 Datos. Hm [NH3 (g)] = 46,1 kJ mol1 ; Hm [H2O (l)] = 285,8 kJ mol1 ; Hm [NO (g)] = +90,3 kJ mol10 Hm = H0(productos ) H0(reactivos ) = 6H0 [H2O (l)] + 4H0 [NO (g)] 4H0 [NH3 (g)] + 5H0 [O2 (g)] f f f f f f

[

] [

]

0 Hm = [6 ( 285,8) + 4 90,3] [4 ( 46,1) + 5 0] = ( 1715 + 361,2) ( 184,4) = 1169 kJ mol1

6.10

Las entalpas de combustin de las formas alotrpicas del azufre son:S (rmbico) + O2 (g) SO2 (g) S (monoclnico) + O2 (g) SO2 (g) H0 = 296,9 kJ mol1 c H0 = 297,2 kJ mol1 c

a) b) c)

Calcula la entalpa estndar de la reaccin: S rmbico S monoclnico Cul es la forma ms estable del azufre? Dibuja el diagrama de niveles de entalpa correspondiente.

a)

Utilizando la ley de Hess:S (rmbico) + O2 (g) SO2 (g) H0 = 296,9 kJ mol 1 c H0 = 297,2 kJ mol 1 c

S (monoclni co) + O2 (g) SO2 (g)

0 S (rmbico ) S (monoclnico) ; Hm = H0 [S rmbico ] H0 [S monoclnico ] = 296,9 ( 297,2) = 0,3 kJ mol 1 c c

b) c)

La forma ms estable, energticamente, es el S (rmbico). El diagrama de niveles de entalpas ser:H (kJ) S (monoclnico) _ 0,3 _ 297,2

S (rmbico)

_ 296,9

0

6.11

La entalpa estndar de atomizacin de la molcula de agua es de 926 kJ mol-1. Escribe la ecuacin de la reaccin de atomizacin del agua y calcula la entalpa de disociacin del enlace OH.

La ecuacin de la reaccin de atomizacin es: H2O ( g) 2 H (g) + O (g) Por tanto, la frmula desarrollada del agua es HOH: H0 (O H) = d 926 (kJ mol1) H0 atom = = 463 kJ mol1 2 21 H0 atomizacin = 926 kJ mol

3

6.12

Sin consultar la tabla de entalpas de enlace, predice qu enlace es ms fuerte en cada uno de los pares siguientes: a) b) c) CCl o CBr C=C o CC HCl o HI d) CC o OO e) HH o OO

a) b) c) d)

H0 (C Cl) > H0 (C Br ) porque el tomo de Cl es ms pequeo que el de Br y, por tanto, la longitud de d d enlace, CCl, es menor, y el enlace, ms fuerte. H0 (C = C) > H0 (C C) porque, entre los mismos tomos, el enlace doble es ms fuerte que el sencillo. d d H0 (H Cl) > H0 (H I) porque el tomo de Cl es ms pequeo que el de I y, por tanto, la longitud de d d enlace, HCl, es menor, y el enlace, ms fuerte. H0 (C C) > H0 (O O) . Los tomos de oxgeno son ms electronegativos y los electrones de enlace d d OO se ven ms atrados hacia sus correspondientes tomos que los del enlace CC, por ello este enlace es ms dbil que aquel. H0 (H H) > H0 (O O) porque los tomos de H son ms pequeos que los de O y, por tanto, la longitud d d de enlace, HH, es menor, y el enlace, ms fuerte.

e)

6.13

Predice y justifica cul de las siguientes sustancias tendr mayor entropa molar. a) b) H2O (l) o H2O (g) CO2 (g) o C3H8 (g) c) C (diamante) o C (grafito) d) H2 (g) o N2 (g)

a) b) c)

Sm [H2O (g)] > Sm [H2O (l)] . Una sustancia en estado gaseoso presenta siempre mayor desorden molecular que en estado lquido, y por ello, su entropa es mayor. Sm [C3H8 (g)] > Sm [CO2 (g)] . La molcula de C3H8 tiene mayor nmero de tomos que la de CO2, por lo que es ms compleja y presenta mayor desorden, y por tanto, mayor entropa. Sm [C (grafito)] > Sm [C ( diamante )] . En el grafito, el carbono se presenta con geometra sp2 componiendo hexgonos que se unen en dos direcciones formando lminas, mientras que en el diamante lo hacen en las tres direcciones del espacio, con geometra sp3. Los enlaces entre tomos de C situados en capas adyacentes del grafito son ms dbiles que los enlaces CC del diamante. Sm [H2 (g)] > Sm [N2 (g)] . Ambas sustancias son gaseosas y tienen igual nmero de tomos. Tendr mayor desorden y, por tanto, mayor entropa aquella que presente fuerzas intermoleculares ms dbiles. Como ambas son apolares, la unin ms dbil corresponde a la molcula de menor masa, es decir, al H2.

d)

6.14

0 Predice el signo de Sm de cada una de las siguientes reacciones.

a) b) c) d) a) b)c) d)

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) Ca (s) + 1 2 O2 (g) CaO (s) CaCO3 (s) CaO ( s) + CO2 (g) N2 (g) + 2 O2 (g) 2 NO2 (g)0 Sm < 0 , pues disminuye el nmero de molculas gaseosas ( gas = gas (prod.) gas (react.) = 2 4 = 2 ) 0 Sm < 0 , pues disminuye el nmero de molculas gaseosas ( gas = gas (prod.) gas (react.) = 0

1 1 = ) 2 2

0 Sm > 0 , pues aumenta el nmero de molculas gaseosas ( gas = gas (prod.) gas (react.) = 1 0 = 1 ) 0 Sm < 0 , pues disminuye el nmero de molculas gaseosas ( gas = gas (prod.) gas (react.) = 2 3 = 1 )

4

6.15

El carbonato de magnesio se descompone cuando se calienta de acuerdo con la ecuacin:MgCO3 (s) MgO (s) + CO2 (g)0 0 La entalpa estndar de la reaccin es Hm = +100,3 kJ mol-1, y la entropa estndar es Sm = 174,8 J K-1 mol-1 a 298 K.

a) b) c)a) b) c)

Calcula la energa libre de Gibbs de la reaccin a 298 K. Predice si la reaccin ser espontnea en condiciones estndar y a 298 K. A qu temperatura la reaccin es espontnea en condiciones estndar?0 0 0 Gm = Hm Tm = 100,3 (kJ mol 1) 298 (K) 174,8 10 3 (kJ K 1 mol 1) = +48,2 kJ mol 10 La reaccin no es espontnea a 298 K, puesto que Gm > 0 .

0 La reaccin es espontnea a partir de la temperatura de equilibrio, donde Gm = 0 , es decir,0 Hm 100,3 (kJ mol 1 ) 0 = = 574 K . A T > Teq Gm < 0 (espontneo ) 0 Sm 174,8 10 3 (kJ K 1 mol 1 )

0 0 Hm TeqSm = 0 Teq =

6.16

La grfica de la variacin del CO2 muestra una lnea en zigzag. a) b)a)

A qu crees que es debido? Por qu no sera adecuado realizar estas medidas en el centro de una ciudad?Las oscilaciones anuales de CO2 (g) en la atmsfera son debidas a que en primavera y verano aumenta la masa forestal y de cultivo y, por tanto, disminuye el CO2 en la atmsfera debido a la mayor actividad fotosinttica. Adems, es mayor el nmero de horas de luz. Porque las emisiones de CO2 de los vehculos y de las calefacciones