PROBLEMAS DE TERMODINÁMICA

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

1. Las plantas verdes sintetizan glucosa mediante la reacción de fotosíntesis siguiente:

6 CO2(g) + 6 H2O(l) → C6H12O6(s) + 6 O2(g) ΔH° = 2813 kJ/mol

a) Calcula la energía necesaria para obtener 1 g de glucosa. b) Calcula la entalpía de formación

de la glucosa y justifica el signo. ΔH°(CO2(g)) = -393,5 kJ/mol, ΔH°(H2O(l)) = -285,5 kJ/mol

2. La gasolina, aunque sea una mezcla, desde el punto de vista termodinámico, se puede

considerar parecida al octano puro. En condiciones estándar, el calor de combustión del

octano es 5471 kJ/mol. a) Escribe la reacción termoquímica de combustión del octano. b)

Calcula el calor producido cuando se quema 1 L de gasolina (densidad = 0,8 g/mL),

completamente, y en condiciones estándar, a 25 °C. C:12, H:1.

3. La variación de entalpía estándar correspondiente a la combustión del butano es de 2600

kJ/mol. a) Formula la ecuación termoquímica de la combustión de butano. b) Calcula el calor

que se desprende en la combustión de 1 m3 de butano, medido en condiciones estándar y

presión constante. c) ¿Cuál será la variación de energía interna por mol de butano, en

condiciones estándar? R = 8,31 J/Kmol

4. La energía que se libera en forma de calor cuando se queman 2 moles de benceno líquido a

25 °C y a la presión constante de 1,013·105 Pa, es de 6535 kJ. a) Determina la entalpía estándar

de formación del benceno líquido. b) Calcula la variación de energía interna de la reacción de

combustión de un mol de benceno a 25 °C. ΔH°(dióxido de carbono gas) = -393,5 kJ/mol,

ΔH°(agua líquida) = -285,8 kJ/mol, R = 8,31 J/Kmol.

5. A 298 K, la variación de entalpía estándar de la reacción de combustión del metanol líquido

es de -726,3 kJ/mol. a) ¿Cuál es la entalpía estándar de formación del metanol? b) Calcula la

variación de energía interna cuando reacciona 1 mol de metanol. ΔH°(H 2O(l)) = -286 kJ/mol,

ΔH°(CO2) = -393 kJ/mol, R = 8,31 J/Kmol, C:12, H:1, O:16.

6. En la combustión de 1 g de propano a la temperatura de 125 °C y una presión de 1 atm, se

desprenden 36,84 kJ de energía en forma de calor. a) Escribe la ecuación termoquímica

correspondiente al proceso indicado. b) ¿Cuál será la variación de energía interna para esta

reacción a 125 °C y 1 atm? C:12, H:1, R = 8,31 J/Kmol.

7. a) Determina la energía en forma de calor que se desprende en la combustión de un litro de

butano a 25 °C y 1 atm de presión. b) Si el calor desprendido se aprovecha para calentar agua,

determina la variación de temperatura de un litro de agua, inicialmente a 25 °C, si el

rendimiento del proceso de intercambio de calor es del 80 %. ΔH°(H2O(l)) = -285,5 kJ/mol,

ΔH°(CO2(g)) = -393,5 kJ/mol, ΔH°(butano) = -124,2 kJ/mol, R =8,314 J/Kmol, Ce(agua) = 4,18 J/gK

8. Calcula qué volumen de dióxido de carbono, medido a 298 K y 1,01·105 Pa de presión, se

formará cuando se quemen 55 g de gas propano. b) Si en la combustión de 1 mol de gas

propano, medido a 298 K y 1,01·105 Pa, se desprenden 2220 kJ de energía en forma de calor,

calcula la masa de agua que se puede calentar desde 15°C hasta 85°C si se queman 55 g de

propano, suponiendo que el rendimiento de la transformación es del 90 %. C:12, H:1, O:16, R

= 8,31 J/Kmol, Ce(agua) = 4,18 kJ/kg°C.

9. Una muestra de 0,6 g de naftaleno sólido (C10H8) se quema, a 298 K y en exceso de oxígeno,

en una bomba calorimétrica (calorímetro de volumen constante) para producir CO 2(g) y H2O(l).

El aumento de temperatura observado experimentalmente es de 2,25°C. a) Calcula el calor

desprendido en la combustión de 0,6 g de naftaleno. ¿Cuál es el valor de la energía interna de

la reacción cuando se quema un mol de naftaleno? b) Escribe la reacción de combustión del

naftaleno. Calcula la variación de entalpía de la reacción cuando se quema un mol de

naftaleno. Datos: Capacidad calorífica del calorímetro = 10,7 kJ·°C-1, C:12, H:1, R = 8,31 J/kmol.

10. El yoduro de potasio es un compuesto iónico que se presenta en forma de cristales

incoloros. Se añade en pequeñas cantidades a la sal de cocina para prevenir enfermedades de

carencia de yodo que pueden afectar a la glándula tiroide y sus disoluciones saturadas se

utilizan en medicina, por ejemplo, en el tratamiento de infecciones causadas por hongos. a)

Define el concepto de energía reticular de un compuesto iónico. Justifica la diferencia de

energía reticular del yoduro de potasio y la del fluoruro de potasio, a partir del modelo

electrostático del sólido iónico. b) Calcula la afinidad electrónica del yodo.

Datos: Z(F) = 9, Z(I) = 53, ΔH°ret(KI) = -631,8 kJ/mol, ΔH°ret(KF) = -812,5 kJ/mol, ΔH°f(KI) = -330,5

kJ/mol, ΔH°sub(K) = 87,9 kJ/mol, ΔH°sub(I2) = 43,5 kJ/mol, ΔH°dis(I2) = 150,9 kJ/mol, Primera

energía de ionización del yodo: ΔH°i = 418,3 kJ/mol.

11. El carbón es el combustible fósil que, en el transcurso de su combustión, libera menos

energía calorífica por mol de CO2 formado. Por esta razón, se dice que el carbón es el

combustible fósil con menor capacidad para agravar el efecto invernadero. Por el contrario, el

metano, que es el componente mayoritario del gas natural, afecta menos al efecto

invernadero. a) Escribe las reacciones de combustión del C(grafito) y del metano gas y calcula

el calor a presión constante que se libera en cada reacción cuando se haya formado una

tonelada de CO2. b) Considerando que la entalpía de sublimación del C(grafito) es 718,4

kJ/mol, justifica el carácter endotérmico o exotérmico de la reacción: C(g) + 2H2(g) → CH4(g).

Datos: Considera que, en todos los casos, las reacciones se producen en las condiciones

estándar a 25 °C. C:12, O:16.

12. La reacción de combustión del metano, a 1 atm y 25 °C, se produce según la ecuación

siguiente: CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) ΔH° = -849,3 kJ/mol. a) En la combustión del

metano, razona si es mayor la cantidad de energía implicada en la rotura de enlaces o en la

formación de enlaces. b) Calcula la entalpía del enlace C-H.

13. La formación del CO es difícil de llevar a cabo experimentalmente porque, si no se utiliza un

exceso de oxígeno, la reacción es incompleta, y si hay un exceso de oxígeno no se puede evitar

que la oxidación continúe y se forme también CO2. El valor de la entalpía de formación del CO

gas se calcula a partir de la determinación de las entalpías de combustión del C grafito y del CO

gas. a) Escribe la ecuación de la reacción de formación del CO gas. Calcula la entalpía estándar

de formación del CO gas a partir de la figura siguiente:

b) Se hacen reaccionar, a presión constante, 140 g de CO y 20,4 L de O2 gas medidos a 1,2 atm

y 25°C y se forma CO2 gas. ¿Qué cantidad de calor se desprende en esta reacción? C:12, O:16,

R = 0,082 atmL/molK = 8,31 J/Kmol.

14. Uno de los gases presentes en nuestra vida es el metano, componente principal del gas

natural, que es un buen combustible. A partir de los datos de la tabla siguiente, responde a las

cuestiones:

a) Imagina que nos queremos duchar con el agua a una temperatura de 45 °C. Teniendo en

cuenta que el agua entra en el calentador a 10 °C y que gastamos 30 L, ¿qué masa de metano

se necesita, a presión constante, para calentarla? b) Escribe la reacción correspondiente a la

entalpía estándar de formación del metano, y calcula su valor a 298 K. Datos: densidad del

agua (entre 10°C y 45°C) = 1kg/L. Capacidad calorífica del agua (entre 10° C y 45°C) = 4,18 J/gK,

C:12, H:1.

15. Para calcular la energía reticular del cloruro de sodio (-787 kJ/mol) se necesitan conocer los

datos termodinámicos que aparecen en la tabla siguiente:

a) Explica la diferencia entre energía de ionización y afinidad electrónica de un elemento, y

entre energía reticular y entalpía de formación de un compuesto iónico. b) Explica, a partir del

modelo electrostático del sólido iónico, si la energía reticular del bromuro de potasio será

mayor o menor que la del cloruro de sodio. Z(Na) = 11, Z(Cl) = 17, Z(K) = 19, Z(Br) = 35.

16. La reacción de combustión del metanol es: CH3OH(l) + 32 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) . a) A

partir de los datos de la tabla, calcula la entalpía estándar de combustión del metanol a 298 K.

b) A partir de las entalpías estándar de formación, se ha calculado la entalpía estándar de

combustión del metanol a 298 K, y el resultado obtenido es -726 kJ/mol. Calcula el calor que se

libera, a presión constante, al quemar 96 g de metanol con 320 g de oxígeno, en condiciones

estándar y a 298 K. H:1, C:12, O:16.

17. Se quiere efectuar un experimento en el laboratorio para determinar, de forma

aproximada, la entalpía de disolución del hidróxido de potasio en agua. a) Describe el

procedimiento que seguirías en el laboratorio y el material que utilizarías. b) Si al disolver 2g

de hidróxido de potasio en 200 mL de agua se produce un incremento en la temperatura de la

solución de 2,5°C, ¿cuál es la entalpía molar de la reacción de disolución del hidróxido de

potasio? Datos: Considera despreciable el calor absorbido por el recipiente. Capacidad

calorífica específica de la solución = 4,18 J/g°C, densidad de la solución = 1g/mL, H:1, O:16,

K:39,1.