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FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
PROBLEMAS PROBLEMAS DE QUIMICA GENERAL GENERAL 530.024 530 .024 2º Trimestre PRIMERA UNIDAD ESTRUCTURA ATÓMICA Y TABLA PERIÓDICA 1.- La distancia promedio entre Marte y la Tierra es aproximadamente de 2,093 * 108 Km. Calcule cuánto tiempo tomaría a las imágenes de TV ser transmitidas del vehículo espacial Viking en la superficie de Marte, a la Tierra. 2.- a) Calcule la frecuencia de la luz de longitud de onda de 4 56 nm. b) Calcule la longitud de onda de la radiación de frecuencia 2.20 109 Hz R: a) 6.58 1014 s –1, b) 1.36 108 nm luz del sol por las las moléculas del aire. La luz 3.- El color azul del cielo resulta de la dispersión de la luz 14 azul tiene frecuencia de unos 7.5 10 Hz. Calcule: a) La longitud de onda asociada con esta radiación. b) La energía en Joules de un fotón individual asociado con esta frecuencia. R: a) 4.0 102 nm, b) 5.0 10 –19 J
4.- Cuando el cobre se bombardea con electrones de alta energía se emiten rayos X. Calcule la energía asociada con los fotones si la longitud de onda de los rayos X es 0.154 nm. R: 1.29 10 –15 J 5.- Calcule la longitud de onda asociada con un rayo de neutrones que se mueven a 4.00 103 cm/s. (masa del neutrón = 1.675 10 –27 kg.) R: 9.89 nm 6.- Señale cuál número cuántico: a) define una capa o nivel. b) define una subcapa o subnivel c) define la energía de un electrón en: i) un átomo de hidrógeno, ii) un átomo polielectrónico. 7.- Para los siguientes subniveles señale los números cuánticos ( n, l , m) y el número de orbitales de cada subnivel : a) 4p b) 3d c) 3s d) 5f 8.- Explique por qué los orbitales 3s, 3p y 3d tienen la misma energía en el átomo de hidrógeno, pero tienen energías distintas en átomos polielectrónicos. 9.- Considerando el átomo de hidrógeno indique para los siguientes pares de orbitales cuál tiene mayor energía: (2s ó 2p); (3p ó 3d); (3s ó 4s); (4d (4d ó 5f) un elemento es 73. Explique si sus átomos son son diamagnéticos o 10.- El número atómico de un paramagnéticos.
11.- Indique cuántos electrones desapareados presentan los siguientes átomos : B, Ne; P, Sc; Mn, Se; S; Ru; Cd; I; W; W ; Pb; Ce. 12.- Explique cuál de las siguientes especies tiene más electrones desapareados: S +, S ó S –. 13.- Las configuraciones electrónicas dadas son incorrectas. Señale los errores y escriba la configuración electrónica correcta. Al 1s22s22p43s23p3; B 1s 22s22p6; F 1s 22s22p6 14.- Sólo una fracción de la energía eléctrica suministrada a un foco de tungsteno se convierte en luz visible. El resto de la energía se se manifiesta como radiación radiación infrarroja (es decir calor). Un foco de 75 W convierte 15,0 % de la energía suministrada en luz visible si la longitud de onda es de 550 nm. Calcule Calcule cuántos fotones emite emite el foco por segundo. (1W= 1 J/s) R: 3.11 1019 fotones
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15.- Se han cronometrado las bolas rápidas de Nolan Ryan a 193.2 km/hr. aproximadamente. Calcule la longitud de onda de: a) Una pelota de béisbol a esta velocidad, si su masa es de 141 g. b) Un átomo de hidrógeno a la misma velocidad. R: a) 8.76 10 –26 nm, b) 7.40 nm 16.- Sin usar la tabla periódica: a) Escriba la configuración electrónica de los elementos de Z igual a 9; 20; 26 y 33. b) Señale a qué grupo o familia pertenecen los siguientes elementos: i)[Ne]3s1 ii) [Ne]3s23p3 iii) [Ne]3s23p6 iv) [Ar]4s23d8
17.- Separe las especies que son isoelectrónicas entre si : C, Cl –, Mn2+, B –, Ar, Zn, Fe 3+, Ge2+ 18.- En los siguientes pares de elementos, elija el de mayor radio atómico: a) Na, Cs, b) Be, Ba, c) N, Sb, d) F, Br e) Ne, Xe 19.- Ordene los siguientes iones en orden creciente de su radio iónico: N3 –, Na+, F –, Mg2+, O2 – 20.- Ordene los siguientes aniones en orden creciente a su tamaño. O2 –, Te2 –, Sc2 –, S2 – 21.- Dé los estados físicos, sólido, líquido o gas de los elementos representativos del 4 to periodo a 1 atm y 25 °C: K, Ca, Ga, Ge, As, Se y Br
22.- Dos átomos tienen las siguientes configuraciones electrónicas: 1s22s22p6 y 1s22s22p63s1 La primera energía de ionización de uno es 2080 kJ/mol y la del otro 496 kJ/ mol. Asigne cada valor de energía a las configuraciones propuesta y justifique su elección. 23.- Señale cuál de los siguientes elementos tiene la mayor afinidad electrónica: He, K, S, Cl, Co. 24.- Relaciones cada uno de los elementos con la descripción dada. a) Liquido rojo oscuro Calcio b) Gas incoloro que arde en oxígeno Oro c) Metal reactivo que ataca al agua Hidrógeno d) Metal brillante Bromo e) Un gas totalmente inerte Argón. ENLACE QUÍMICO y GEOMETRÍA MOLECULAR 1.- Escriba los símbolos de puntos de Lewis para los átomos de los siguientes elementos: a) Be, b) K, c) Ca, d) Ga, e) O, f) Li +, g) S-2, h) Pb, i) Pb +2, j) N, k) N -3 2.- Para cada uno de los siguientes pares de elementos, establezca si el compuesto binario que forman es iónico o covalente. Escriba la formula empírica y nombre del compuesto. a) I y Cl, b) Mg y F, c) B y F, d) K y Br, e) Al y F, f) K y S, g) Mg y N 3.- Clasifique los siguientes enlaces como iónicos, covalente polar o covalente, y justifique su respuesta. a) Enlace CC en H 3CCH3, b) enlace KI yen KI, c) NB en H 3NBCl3, d) enlace CF en CF 4, e) CaF en CaF 2, f) NH en NH 3 4.- ¿Cuál de las moléculas siguientes cree que tendría un momento dipolar distinto de cero? a) ClF, b) CO, c) CO2 (una molécula lineal), d) H 2O, e) NH3, f) CH2Cl2, g) CHCl 3 5.- Escriba las estructuras de Lewis para las moléculas siguientes: a) ICl, b) PH 3, c) P 4 (cada P esta enlazado a otros tres átomos de P), d) H 2S, e) N2H4, f) HClO 3, g) COBr 2 (el C está enlazado a los átomos de O y Br, h) O 2-2, i) C 2-2, j) NO+, k) NH4+, l) H 2SO3 (hidrógenos unidos a oxígenos). Indique las cargas formales.
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6.- Prediga la geometría de cada una de las siguientes especies, utilizando el modelo de RPECV: a) PCl3, b) CHCl 3, c) TeCl 4, d) SCN - (la distribución de los átomos es SCN), e) SnCl 5-, f) AlH 4-, g) CO3-2. 7.- ¿Cuál de las siguientes especies son tetrahédricas? SiCl 4, SeF4, XeF4, Cl4, CdCl4-2. 8.- el diclorotileno, C 2H2Cl2, tiene tres formas (isómeros), cada una de las cuales es una sustancia distinta. Cl
H3C
Cl
CH3
Cl
H3C
CH3
H3C
Cl
Cl
H3C
Cl
Experimentalmente, se determina que una muestra pura de una de estas sustancias tiene un momento dipolar de cero. ¿Se puede determinar cuál es de las tres sustancias?
9.- Acomode las siguientes moléculas en orden creciente de momento dipolar: H 2O, CBr 4, H2S, HF, NH3, CO2. FUERZAS INTERMOLECULARES
DATOS : R= 8,314 J/K mol (0,082 L atm/Kmol) ΔHevaporación (H2O) = 40,8 kJ/mol ΔH fusión (H2O) = 6,0 kJ/mol Calores específicos en J/g°C : Agua (sólida) = 2.03 Agua (líquida)= 4.184 Agua (vapor) = 1.99
en ºC/m K f Kb Benceno 5.12 2.53 H2O
1.86 0.52
1.- Un sólido es duro, quebradizo y no conduce a la electricidad, pero fundido sí lo hace, lo mismo que una solución acuosa del mismo. Clasifique el sólido. 2.- Un sólido es blando y tiene punto de fusión bajo 100 °C. Ni el sólido como tal ni fundido ni la disolución conducen la electricidad. Clasifique el sólido 3.- Un sólido es muy duro y tiene punto de fusión muy alto. Ni el sólido ni su producto de fusión conducen la electricidad. Clasifique el sólido. 4.- Señale cuáles de los siguientes son sólidos covalentes reticulares y cuáles son sólidos covalentes moleculares: Se8, HBr, Si, CO 2, C, P4O6, B, SiH4. 5.- Explique de cuáles de los factores siguientes depende la presión de vapor de un líquido en un recipiente cerrado. a) del volumen sobre el líquido. b) de a cantidad de líquido presente c) de la temperatura. d) de la presión total sobre el líquido. 6.- Calcule la cantidad de calor en joule que se necesita para convertir 74.6 gramos en agua a vapor a 100 °C. R: 169 KJ 7.- Calcule la cantidad de calor en joule que se requiere para convertir 866 gramos de hielo a -10 °C en vapor a 126 °C. R: 2671 KJ
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8.- Considere el diagrama de fase del agua. Prediga que pasaría si: a) Partiendo de A, se eleva la temperatura a presión constante. b) partiendo de C, Se disminuye la temperatura a presión cte. c) Partiendo de b, se disminuye la presión a temperatura cte.
B
P
A
C
T
9.-
En cada pares a) y b) seleccione la especie que tiene el punto de ebullición más alto. En cada caso identifique el tipo de fuerzas intermoleculares involucradas y justifique brevemente. a) H2S o (CH3)3N, b) Br 2 o CH3CH2CH2CH3
10.-
A partir de las siguientes propiedades del boro clasifíquelo como uno de los sólidos cristalinos: Punto de fusión alto ( 2300 °C), mal conductor del calor y electricidad, insoluble en agua, y es una especie muy dura.
11.-
Una muestra de 1.20 g de agua se inyecta en un recipiente evacuado de 5.00 L a 65 °C ¿Qué porcentaje de agua se evaporará cuando el sistema alcance el equilibrio? Suponga un comportamiento ideal del vapor de agua y el volumen de agua líquida despreciable. La presión del vapor de agua a 65°C es 187.5 mmHg. R: 67% ¿Cuál es la presión de vapor del mercurio a su temperatura normal de ebullición ( 357 °C).
12.13.-
Se prepara una solución disolviendo 396,0 gramos de sacarosa (C 12H22O11) en 634,0 gramos de agua. Calcule la presión de vapor de la disolución a 30 °C (P vapor agua = 31,8 mmHg a 30 °C) R: 30.8 mmHg
14.-
Calcule los puntos de ebullición y de congelación de una disolución 2.47 m de naftaleno en benceno. (Los puntos de ebullición y de congelación del benceno son 80.1 y 5.5 °C respectivamente). R: 86.3 °C y -7.1 °C
15.-
Calcule cuantos litros del anticongelante etilenglicol CH 2(OH)CH2(OH) tendría que agregar al radiador de un auto que contiene 6.50 Litros de agua, si la temperatura invernal más baja en la región es de -20 °C. Calcule el punto de ebullición de esta mezcla agua-etilenglicol. La densidad del etilenglicol es de 1.11 g/ml. R: 3.9 L
16.-
El Análisis elemental de un sólido orgánico extraído de la goma arábica muestra que contiene 40.0 % de C, 6.7 % de H y 53.3 % de O. Una disolución de 0.650 g del sólido en 27.8 g del disolvente bifenilo dio una depresión en el punto de congelación de 1.56 °C. Calcule la masa molar y la fórmula molecular del sólido. (Kf del bifenilo = 8.00 °C/m). R: 120, C4H8O4
17.-
¿Cuál de las siguientes dos disoluciones acuosas tiene…
a) el punto de ebullición más alto? b) el punto de congelación más alto? c) la mayor presión de vapor? Disoluciones : CaCl2 0.35 m o urea 0.90 m. 18.-
Explique.
A 25 °C la presión de vapor del agua pura es 23.76 mmHg y la del agua de mar es 22.98 mmHg. Suponiendo que el agua de mar contiene sólo NaCl, calcule su concentración expresada en molalidad. R: 0,943
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21.-
Se encuentra que una disolución de 1.00 g de AlCl 3 en 50.0 g de agua tiene un punto de congelación de -1.11 °C. Explique lo observado
22.-
Dos líquidos A y B tienen presiones de 76 mmHg y 132 mmHg, a 25ºC respectivamente. Calcule la presión total de la disolución ideal constituida por: a) 1.00 mol de A y 1.00 mol de B. b) 2.00 mol de A y 5.00 mol de B. R: a) 104 mmHg
23.-
A 30ºC el benceno y el tolueno forman una disolución ideal. Una disolución de ambos a 30ºC ejercen una presión de vapor de 64 mmHg. Calcule la composición de la fase líquida y la composición de la fase vapor. Datos: Pºbenceno=120 mmHg; Pºtolueno = 40 mmHg R: (benceno) X = 0.30, X' = 0.56
24.-
A 50ºC la presión de vapor de un líquido A puro es de 80 mmHg y la de un líquido B puro es 20 mmHg. La presión de vapor de la mezcla de ambos es 50 mmHg a 50ºC. Calcule la composición del vapor.
25.-
Los calores molares de vaporización a 80ºC, medidos en kJ/mol son: 41,59; 39,16; 22,34 y 29,79 para el agua, alcohol, éter y tetracloruro de carbono respectivamente. Indique: a) ¿Cuál líquido es más volátil? b) ¿Cuál líquido tiene la menor temperatura de ebullición y cuál la mayor? c) ¿En cuál hay mayores fuerzas intermoleculares?.
CINÉTICA QUÍMICA 1.- A 25 C la constante de velocidad de la reacción de descomposición de pentóxido de dinitrógeno, N2O5, es 6,65·10-4 s-1 ¿Qué tiempo transcurrirá para que se descomponga la mitad de dicho óxido si la cinética de la reacción es de primer orden?. Solución: 1042,105 s. 2.- Los datos de una serie de experimentos sobre la reacción que se indica del óxido nítrico con el bromo: 2NO (g) + Br 2 (g) 2NOBr (g), a 273 C, son los siguientes: ─────────────────────────────────────────────────
Experimento
[NO]o
[Br 2]o
Velocidado
─────────────────────────────────────────────────
1 2 3 4 5
0,1 0,1 0,1 0,2 0,3
0,1 0,2 0,3 0,1 0,1
12 24 36 48 108
──────────────────────────────────────────────
Determinar la ley de velocidad para la reacción y calcular el valor de la constante de velocidad. 2 4 2 2 Solución: v = k NO Br 2 ; k = 1,2·10 l /mol ·s.
3.- Los siguientes datos se obtuvieron de la reacción siguiente entre bromuro de t-butilo, (CH3)3CBr, y el ion oxhídrilo, a 55 C: (CH3)3CBr + OH- (CH3)3COH + Br - ─────────────────────────────────────────────────
Experimento
[(CH3)3CBr]o
[OH-]o
Velocidado(mol/l.seg.)
─────────────────────────────────────────────────
1 2 3 4 5
0,10 0,20 0,30 0,10 0,10
0,10 0,10 0,10 0,20 0,30
0,001 0,002 0,003 0,001 0,001
─────────────────────────────────────────────────
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¿Cuál es la ley de velocidad y la constante velocidad de esta reacción?. Solución:
v = k (CH3)3CBr ; k = 0,01 s-1
4.- La descomposición del agua oxigenada a 300 K según la reacción: 2H2O2 (g) 2H2O (g) + O2 (g) es una reacción química de primer orden. El periodo de semireacción de la misma es de 654 minutos. Calcular: a) la cantidad de agua oxigenada que queda cuando han pasado 90 minutos, si la concentración inicial de agua oxigenada es 0,1 M; b) la velocidad inicial de descomposición si el agua oxigenada es 0,02 M. -5 -1 -1 Solución: a) 0,09 mol/l; b) 2,12·10 mol·l min .
2N2O5 (g) 4NO2 (g) + O2 (g) 5.- Si la ley de velocidad de la reacción: -1 -1 -3 es v (mol·h ·l ) = 2,09·10 N2O5, a la temperatura de 273 K, calcular el tiempo que ha de transcurrir hasta que la presión del sistema sea dos atmósferas, a partir de pentóxido de dinitrógeno a una atmóstera de presión. Solución: 525,84 h.
6.- Para una reacción A (g) B (g) + C (g) que es de segundo orden se encuentra que a 300 K la presión total varía de 600 mm Hg a 663 mm Hg en 33 minutos. La reacción se realiza en un recipiente a volumen constante y en el que inicialmente se introduce sólo el gas A. Hallar: a) la constante de velocidad; b) la cantidad de moles/l de A que se han transformado al cabo de los 33 minutos. -1 -1 -3 Solución: k = 0,111 l·mol ·min ; b) 3,1·10 mol/l. 7.- A 300 C la constante de velocidad de la reacción de obtención de H 2C=CH-CH3 es 2.41·1010 -1 s y a 400 C es 1.16·10-6 s-1. ¿Cuáles son los valores de la energía de activación y del factor preexponencial de Arrhenius para esta reacción?. Dato: R = 8,314 J/mol·K. 15 -1 Solución: 271 KJ/mol; 1,6·10 s . 8.- Calcular el orden de reacción y la constante de velocidad correspondiente a la descomposición del gas NO 2, si en función del tiempo se encuentran las siguientes concentraciones en el recipiente que lo contiene: Tiempo (s)
0
50
100
200
300
─────────────────────────────────────────────────────
[NO2] (mol/l)
0,01
0,0079 0,0065 0,0048 0,0038
Solución:
orden 2 y k = 0,5408 l/mol·s
9.- Para la reacción: C2H5Br + OH- C2H5OH + Br -, cuyas constantes de velocidad a 300 K y a 350 K son 5·10-2 l/mols y 6 l/mol·s, respectivamente, calcular la constante de velocidad a 400 K. Dato: R = 1,98 cal/mol·K Solución: 220,87 l/mol·s. 10.- Al descomponerse cierta sustancia orgánica gaseosa a 45 C, su presión parcial en función del tiempo evoluciona según la tabla: Tiempo (min.)
0
20
40
70
80
Presión (mm Hg)
348,45
193,03
106,60
44,01
33,01
Calcular el orden de reacción y la constante de velocidad.
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Solución:
orden 1 y k = 0,02955 min -1
11.- Una sustancia que se descompone con una cinética de primer orden tiene una energía de activación de 103,93 KJ/mol, siendo el factor preexponencial de Arrhenius (factor de frecuencia) 74,72 x 108 horas -1. ¿A qué temperatura el tiempo de semirreacción será de 10 horas?. Dato: R = 8,314 J/mol·K. Solución: 492,08 K. 12.- Se sabe que la velocidad de descomposición de un óxido de nitrógeno se hace cinco veces mayor al efectuar la reacción a 50 C en vez de a 10 C. ¿Cuál es la energía de activación de la reacción?. Dato = R = 1,98 cal/mol·K. Solución: 7,2755 Kcal/mol. 13.- En la descomposición térmica de un compuesto orgánico, gaseoso de fórmula molecular C2H6O, se obtiene metano, hidrógeno y monóxido de carbono. La presión en el recipiente se modifica con el tiempo según la tabla: PT (atm)
0,4105
0,5368
0,6421
0,7395
1,025
t (s)
0
390
777
1195,2
3154,8
Calcular: a) El orden de reacción y la constante de velocidad; b) el tiempo de semidescomposición y la velocidad de reacción cuando ha transcurrido ese tiempo. Solución:
orden 1, k = 4,30025·10-4 s-1; 26,86 min, 8,826·10-5 atm/s.
14.- En la reacción A B + 2C, que sigue una cinética de primer orden, se observa que la velocidad de reacción, a 300 K, se multiplica por mil cuando se emplea un catalizador. Calcular el tiempo que tarda en transformarse la mitad del reactivo de partida. Datos: k 310K = 5,04x10-5 s-1; Ea = 85 kJ mol -1; R = 8,314 J mol -1 K-1. Solución: 45,21 s. 15.- En el estudio de la descomposición térmica de HI se obtuvieron los siguientes resultados: TC HI o t1/2 427 0,1 59 427 0,08 73 508 0,1 4,2 508 0,08 5,25 Calcular: a) orden de reacción; b) constante de velocidad a 427 C y a 508C; c) energía de activación en cal/mol y d) tiempo necesario, en minutos, para que se descomponga el 80% cuando la concentración inicial es 0,05 M a 427 C. Solución:
a) segundo; b) 0,17 mol/l.min; y 2,38 mol/l.min c) 35663 cal/mol; d) 470,6 min.
16.- La reacción: N2O5(g) N2O4(g) + 1/2 O 2(g) Sigue la ley de velocidad v = k N2O5, donde la constante específica de velocidad es 1,68x10-2 s-1 a 300 C. Si se colocan 2,5 moles de N 2O5 en un recipiente de 5 litros a esa temperatura, calcular: a) la presión del sistema cuando haya transcurrido un minuto y b) la velocidad inicial de la reacción si se lleva a cabo, a la misma temperatura, un segundo experimento en el que se duplica la concentración de pentóxido de dinitrógeno y se añade un mol de oxígeno. Solución:
a) 30,96 atm; b) 1,68x10 -2mol/l.
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17.- A 105 ºC se lleva a cabo el proceso: A + B → P, en el que a lo largo de cuatro experimentos diferentes se determinan, según las concentraciones iniciales de los reactivos, las velocidades iniciales de reacción. Los resultados son: Exper. [A] o [B]o Velocidad inicial (mol/L·min) -3 -3 1 1 x 10 0,25 x 10 0,26 x 10-9 2 1 x 10-3 0,50 x 10-3 0,52 x 10-9 3 1 x 10-3 1 x 10-3 1,04 x 10-9 4 2 x 10-3 1 x 10-3 4,16 x 10-9 Determinar: a) Órdenes de reacción individuales y total del proceso. b) Constante específica de velocidad del proceso a 105 ºC. c) Energía de activación y factor de frecuencia del proceso sabiendo que la constante específica de velocidad duplica su valor a 210 ºC. Dato: R = 2 cal/mol·K. 2 Solución: k·[A] [B]; 1,04; 2,4 Kcal/mol; 24,76. 18.- Los datos siguientes se obtuvieron para la descomposición del dióxido de nitrógeno en fase gaseosa, según: 2 NO2(g) → 2 NO (g) + O 2 (g) T(K) 300 300 500 500 [NO2]o 0,01 0,04 0,01 0,04 t½ (seg) 180 45 140 35 Calcular: a) Orden de reacción, b) Energía de activación, c) Tiempo necesario en segundos para que, a 500 ºC, se descomponga el 80 %, si la concentración inicial es 0,08 M. Dato: R = 2 cal/mol·K. Solución: orden dos; 1,58 Kcal/mol; 70 seg.
19.- A cierta temperatura, la constante de velocidad vale 8,39·10 -3 min -1, para la reacción de primer orden: N2O3(g) NO2(g) + NO(g) Si inicialmente se introduce en el recipiente una cantidad de N 2O3, que ejerce una presión de 100 mm de Hg, calcule: a) el tiempo necesario para elevar la presión total hasta 135 mm de Hg, b) la presión total 20 minutos después de que se inicie la reacción, y c) la vida media de la reacción. Solución: 48,24 min.; 116,4 mm de Hg; 77,6 min. 20.- En la descomposición térmica de la fosfina: PH3(g)s → P2(g) + H2(g) La presión del recipiente, a 300 K, se modifica con el tiempo según la tabla: PT (atm)
0,0492
0,0676
0,0760
0,0808
0,0861
t (min)
0
10
20
30
50
Calcular: a) El orden de reacción y la constante de velocidad; b) La energía de activación sabiendo que la constante del proceso, a 500 K, vale 90 L/mol x min. Solución: orden 2, k = 30; 6,85 KJ/mol.
