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Química
Química e industria
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1 Una metalúrgica libera SO2 al oxidar Cu2S con aire. Si el aire contiene un 30% de O2 y se tratan cada día 1000 t de mineral que tiene un 20% de Cu2S:
a) Calcula los m3 de aire (en c. n.) necesarios. b) ¿Cuántos kg de SO2 se liberarán a la atmósfera? c) Si el SO2 reacciona con agua atmosférica, ¿cuánto H2SO4 habrá por m3 de aire en los gases de salida? d) Si estos gases se diluyen cien veces en la atmósfera y luego precipitan en forma de lluvia sobre un lago de 10 000 m2, mezclándose con una capa superficial de agua de 5 m, ¿cuál es el pH de la capa superficial del lago? Datos: mH = 1; mO = 16; mS = 32,1; mCu = 63,5. a) La reacción de tostación es: 2 Cu2S + 3 O2
2 SO2 + 2 Cu2O
109 g mineral 20 g Cu2S 1 mol Cu2S 1 mol O2 100 mol aire 22,4 L 1 m3 · · · · · · = día 100 g mineral 159,1 g Cu2S 1 mol Cu2S 30 mol O2 1 mol (c.n.) 1 000 L
= 93 861 m3 aire/día b)
109 g mineral 20 g Cu2S 1 mol Cu2S 1 mol SO2 64,1 g SO2 1 kg · · · · · = 80 578 kg SO2 /día día 100 g mineral 159,1 g Cu2S 1 mol Cu2S 1 mol SO2 103 g
c) La reacción de producción de ácido sulfúrico es: SO2 +
1 O2 2
SO3
SO3 + H2O
H2SO4
80 578 kg SO2 1000 g 1 mol SO2 1 mol H2SO4 98,1 g H2SO4 1 kg · · · · · = día 1 kg 64,1 g SO2 1 mol SO3 1 mol H2SO4 1000 g = 123 319 kg H2SO4/día 3
que, diluidos en los 93 861 m aire/día, representan una concentración de: 123 319 kg H2SO4 /día = 1,314 kg H2SO4 /m3 aire 93 861 m3 aire/día d) El volumen de agua del lago en el que se supone que se disuelve en un primer contacto es: 10 000 m2 · 5 m = 50 000 m3 = 5 · 107 L Los moles de H2SO4 producidos al cabo de un día son: 123 319 kg H2SO4 ·
1000 g 1 kg
·
1 mol H2SO4 98,1 g H2SO4
= 1,257 · 106 mol H2SO4
Si todos ellos se disolvieran en la capa superficial del lago, con independencia de su disolución en la atmósfera, la concentración de H2SO4 y de H3O+ que se alcanzaría en las aguas sería: 1,257 · 106 mol H2SO4
= 0,025 M 5 · 107 L pH = −log (0,05 M) = 1,3 [H3O+] = 0,05 M © Grupo Editorial Bruño, S. L.
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Química 2 Una planta produce alcohol etílico por fermentación de productos agrícolas de desecho. Este etanol se destina a una producción alternativa de polietileno por deshidratación. Calcula los kg de polietileno que se obtendrán diariamente a partir de la fermentación de carbohidratos equivalentes a 1 000 kg de glucosa (C6H12O6), suponiendo un rendimiento global del 60 % en la fermentación y del 40 % en la polimerización.
Datos: mH = 1; mC = 12; mO = 16. La fermentación alcohólica es una oxidación parcial de la glucosa, realizada en condiciones anaerobias: C6H12O6
2 CH3UCH2OH + 2 CO2
La deshidratación del etanol conduce a eteno o etileno: CH3UCH2OH
CH2uCH2 + H2O
A partir de él se puede producir polietileno: n CH2uCH2 106 g C6H12O6 ·
6 667 mol C2H4 ·
1 mol C6H12O6 180 g
HU(CH2UCH2U)nUH
2 mol C2H6O
·
1 mol C6H12O6
·
60 100
·
1 mol C2H4 1 mol C2H6O
= 6 667 mol C2H4
1 mol polietileno 40 n · 26 g polietileno 1 kg · · · = 69 kg polietileno 100 1 mol polietileno 1000 g n mol C2H4
3 Unos altos hornos producen 10 000 t de arrabio diarias con una riqueza en hierro del 95 %. Suponiendo que se parte de una hematita con un contenido en óxido de hierro (III) del 75 %, calcula qué cantidad de carbón de coque se necesitará como mínimo y cuál será la cantidad de dióxido de carbono liberada a la atmósfera diariamente.
La reacción de reducción del hierro que tiene lugar en un alto horno es: Fe2O3 (s) + 3 CO (g)
2 Fe (l) + 3 CO2 (g)
El monóxido de carbono, CO, que actúa como reductor, se obtiene a partir del carbón de coque: C (s) + O2 (g)
1010 g arrabio ·
CO2 (g)
95 g Fe 100 g arrabio
8,5054 · 107 mol Fe2O3 ·
3 mol CO 1 mol Fe2O3
·
·
C (s) + CO2 (g)
1 mol Fe 55,847 g Fe 1 mol C 1 mol CO
·
·
1 mol Fe2O3 2 mol Fe
12,011 g C 1 mol C
2 CO(g)
= 8,5054 · 107 mol Fe2O3
= 3,0647 · 109 g C = 3,0647 t coque
El enunciado no aclara si el 25 % de impurezas de la hematita actúan oxidando el CO a CO2 o si se trata de impurezas inertes. En el primer caso, debería multiplicarse por 100/75 con la conversión anterior. 8,5054 · 107 mol Fe2O3 ·
3 mol CO 1 mol Fe2O3
·
1 mol CO2 1 mol CO
·
43,9999 g CO2 1 mol CO2
= 1,1227 · 1010 g CO2 = 1 122,7 t CO2 © Grupo Editorial Bruño, S. L.
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Química 4 ¿Qué puede indicar la presencia de nitritos en el agua potable o en las aguas naturales?
Los nitritos representan un estado de oxidación inferior al máximo y más estable que corresponde a los nitratos. En presencia de oxígeno, los nitritos, NO−2, se oxidan fácilmente a nitratos, NO−3. Por ello, si se encuentran nitritos en las aguas es porque estas presentan condiciones reductoras al haberse consumido el O2 disuelto en ellas. Este consumo de O2 se debe, normalmente, a una actividad desmesurada de los microorganismos heterótrofos cuando están en presencia de elevadas cantidades de materia orgánica, de modo que la presencia de nitritos en las aguas son un indicio de contaminación orgánica. 5 Atendiendo a los datos de la tabla 10.5 de la página 408, calcula la cantidad de alimento que sería necesario para cubrir las necesidades energéticas del metabolismo basal del hombre estándar (13 389 J/día), suponiendo que la dieta está formada exclusivamente por:
a) Hidratos de carbono. b) Lípidos. c) Proteínas. a) Los de hidratos de carbono presentan un calor promedio de combustión de 17,1 J/g y un aprovechamiento fisiológico del 97 %. Con estos datos, el cálculo de la ingesta necesaria para cubrir las necesidades basales es: 13 389 J día
⋅
g de H de C 17,1 J
⋅
100 g de H de C ingeridos 97 g aprovechados
= 807,2 g de H de C/día
b) Los lípidos presentan un calor promedio de combustión de 39,2 J/g y un aprovechamiento fisiológico del 95 %. Así, el cálculo de la ingesta necesaria para cubrir las necesidades basales es: 13 389 J g de lípidos 100 g lípidos ingeridos ⋅ ⋅ = 359,5 g de lípidos/día día 39,2 J 95 g aprovechados c) Las proteínas presentan un calor promedio de combustión de 23,2 J/g y un aprovechamiento fisiológico del 92 %. Pero además, a diferencia de lo que ocurre con los lípidos e hidratos de carbono, las proteínas conllevan una pérdida de 5,25 J/g al excretarse la urea por la orina. Por tanto, estos 5,25 J/g pueden restarse de los 23,2 J/g dando un calor de combustión de 17,95 J/g. Para calcular la ingesta necesaria para cubrir las necesidades basales: 13 389 J día
⋅
g de proteínas 17,95 J
⋅
100 g de proteínas ingeridas 92 g aprovechados
= 810,8 g de prote eínas/día
6 Escribe la reacción de transesterificación con alcohol metílico del trioleato de glicerina. ¿En qué tipo de proceso relacionado con los carburantes se realiza esta reacción? O L CH2UOUCU(CH2)7UCHuCHU(CH2)8UCH3 + CH3OH
CH2UOH
O L CH UOUCU(CH2)7UCHuCHU(CH2)8UCH3 + CH3OH
O L CHUOH + H3CUOUCU(CH2)7UCHuCHU(CH2)8UCH3
O L CH2UOUCU(CH2)7UCHuCHU(CH2)8UCH3 + CH3OH
O L H3CUOUCU(CH2)7UCHuCHU(CH2)8UCH3
CH2UOH
O L H3CUOUCU(CH2)7UCHuCHU(CH2)8UCH3
Es la reacción de obtención de biodiésel a partir de aceites vegetales. Se obtienen ésteres metílicos de los ácidos grasos constituyentes y glicerina.
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Química 7 ¿Qué diferencias existen entre las biogasolinas y el llamado biodiésel?
Las biogasolinas están formadas por mezclas de hidrocarburos con longitudes de cadena comprendidas entre 6 y 12 átomos de C. Se obtienen a partir de biomasa. Se pueden usar en motores de explosión de gasolina. El biodiésel está formado por ésteres (generalmente metílicos o de otros alcoholes de cadena corta) de ácidos grasos entre 16 y 18 átomos de C. Se obtiene a partir de aceites vegetales. Se puede usar en motores diésel. 8 ¿Qué diferencias existen entre el biodiésel y el llamado gasóleo ecológico?
El biodiésel está formado por ésteres (generalmente metílicos o de otros alcoholes de cadena corta) de ácidos grasos entre 16 y 18 átomos de C. El biodiésel se obtiene a partir de aceites vegetales reciclados o sin usar por procesos de transesterificación con alcoholes de baja masa molecular como el metanol. R1UCOOUCH2 h R2UCOOUCH2 + 3 CH3OH h R3UCOOUCH2
R1UCOOUCH3
CH2OH h R2UCOOUCH3 + CHOH h R3UCOOUCH3 CH2OH
El gasóleo ecológico está formado por mezclas de hidrocarburos. Se obtiene a partir de biomasa por gasificación liberando H2 y CO. Luego, a partir del H2 y el CO, se obtienen hidrocarburos por el proceso de Fischer-Tropsch. n CO + (2n + 1/2) H2
CnH2n + 1 + n H2O CnH2n + n H2O
n CO + 2n H2
9 Escribe la reacción de hidrólis del ácido acetilsalicílico y nombra los productos resultantes.
— —
O
O OH — + HO—C — CH3 — COOH
— —
O—C — CH3 — + + H3O — COOH ácido acetilsalicílico
ácido salicílico
ácido acético o etanoico
10 Explica la síntesis de Kolbe del ácido salicílico y nombra todas las sustancias que participan en ella. ¿En qué condiciones se realiza esta síntesis?
La síntesis de Kolbe recibe el nombre de la reacción partida que es propiamente la reacción de Kolbe. En esta reacción se obtiene el salicilato sódico calentando el fenóxido sódico con dióxido de carbono a presión. +
O — —
—
OH H
O — — C— O
O — + C— O
—
–
O Na
–
— —
fenóxido sódico
–
O Na — — C— — O
+
salicilato sódico
La acidificación del salicilato sódico rinde ácido salicílico: –
salicilato sódico
OH
+
O Na — — C— — O
—
—
OH
H+
OH — — C— — O
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Química Este ácido salicílico se acetila para obtener el ácido acetilsalicílico. En lugar de usar ácido etanoico o acético la acetilación funciona mejor con el anhídrido acético que en medio ácido se protona dando un electrófilo más fuerte: HO—
— —
C—CH3
O—
+
H
C+ —CH
— —
—
C—CH3
—
O— —
C—CH3
O—
O
O
El ataque del grupo UOH del ácido salicílico escinde el anhídrido acético y se produce la esterificación: HO—
O—C—CH3 HO— — + C—CH3 — O + H+ COOH
+ C—CH
3
—
O—
— —
— —
O — + — COOH
— —
O
—
H
C—CH3
O
ácido salicílico
ácido acetilsalicílico
ácido acético
11 Enumera todas las sustancias con las que se podría hacer reaccionar el ácido salicílico para obtener el ácido acetilsalicílico. Escribe las respectivas reacciones de obtención.
Podría producirse por esterificación directa con ácido etanoico:
— —
O
O — C — CH3 — + H2O — COOH
OH O— — — + C—CH3 — HO COOH —
ácido salicílico
ácido etanoico o acético
ácido acetilsalicílico
agua
También por esterificación con el cloruro de etanoilo:
— —
O
HO — + — COOH
Cl
—
ácido salicílico
O— —
C—CH3
cloruro de etanoílo
O —C — CH3 — + HCl — COOH ácido acetilsalicílico
ácido clorhídrico
Y por esterificación con el anhídrido acético que es el reactivo generalmente elegido:
C—CH3
— —
C—CH3
O— O
anhídrido acético
+ H+
O—C—CH3 O— — — + C—CH3 — HO COOH —
ácido salicílico
—
OH — + — COOH
— —
O
O— —
ácido acetilsalicílico
ácido acético o etanoico
Aunque teóricamente se podría obtener por transesterificación con otro éster (por ejemplo etanoato de metilo), se producirían reacciones secundarias entre el grupo ácido del ácido salicílico y el alcohol resultante de la transesterificación primaria que serían poco convenientes. 12 Un mineral argentífero contiene un 21,64 % de cloruro de plata. El proceso de obtención de plata a partir del mineral tiene un rendimiento de 85 %. La plata obtenida se convierte en una aleación de una riqueza de 910 milésimas. © Grupo Editorial Bruño, S. L.
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Química Calcula la cantidad de aleación que podrá obtenerse a partir de 3 toneladas de mineral. Datos: mAg = 107,868 g; mCl = 35,453. 3 ⋅ 106 g mineral ⋅ ⋅
21,64 AgCl 100 g mineral
1000 g aleación 910 g Ag
⋅
1mol AgCl 143,321 g AgCl
⋅
1mol Ag 1molAgCl
⋅
85 mol Ag obtenidos 100 mol Ag teóricos
⋅
= 456 392,86 g aleación = 0,456 t aleación
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