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CICLO 2017-I
QUÍMICA INDUSTRIAL I
CB 221V o
SOLUCIONARIO DEL EXÁMEN FINAL
o
1. Un bloque de plomo es enfriado de 200 K a 100 K de dos modos:
a. Es sumergido en un gran baño líquido a 100 oK. b. Es primero enfriado a 150oK en un gran baño líq. y es luego enfriado hasta 100 oK en otro. Calcule el cambio de entropía del sistema compuesto ( bloque más baños : universo) debido al o capacidad calorífica Pb: 1kJ/ K enfriamiento en ambos casos (a) y (b). Solució.-: Caso (a):
̅ ( ) Caso (b ):
( ) ( )
Es el mismo valor en ambos casos (a) y (b) porque la entropía es una función de estado .
̅ ̅ ( ) ) ( ) )
Ing. Petra Rondinel P.
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CICLO 2017-I
o
2. Demuestre si la reacción es espontánea o no, a 25 C y 1 atm: NH3 (g) + HCl (g)
̅
- 176.0 kJ/mol
-284.0 J/mol K
NH4Cl (s)
o
Solución: ΔG
ΔH
( T . ΔS)
kJ 298o K. 0.284 mol mol.K kJ ΔG 91.368 mol ΔG
176
kJ
A presión constante de 1 atm, el cambio de energía libre de gibbs es negativo, luego la reacción es espontánea. o
3. La KP para la reacción: 2 SO3 (g) -->2 SO2 (g) + O2 (g), es 0.26 a 1000 C y
40.8 a 1300 oC. ¿Cuál de las siguientes combinaciones de
correctas para esta reacción a estas temperaturas?. Solución:
El signo del cambio de entalpía estándar de la reacción se deduce del siguiente razonamiento:
y ̅ son
=0 >0 >0 <0 <0
̅ =0 >0 <0 >0 <0
Al aumentar la temperatura la Kp aumenta, luego la reacción es favorecida por el incremento de energía, la reacción es endotérmica :
El signo de cambio de entropía se deduce del siguiente razonamiento: Durante la reacción hay un incremento del numero de moles en estado gaseosos, luego la reacción es expansiva. Hay incremento del numero de micro estados posibles y por consiguiente la entropía aumenta:
o
4. A 2185 C y 1 atm de presión el vapor de agua H2O(g) tiene un grado de disociación de 1.18%
en H2 (g) y O2 (g) : Solución:
Ing. Petra Rondinel P.
2 H2O (g) 2 H2(g) + O2(g) .
Calcule Kp del proceso.
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n K P Q X . P
n2
H 2
O2
n2
H 2O
.
.
1 n
. P
Total
Sustancia
Número de moles iniciales
Número de moles en el equilibrio
O2
1
H2
0
H2O
0
1
Numero moles totales
1
K P 2
K P
2
(1 )
2
1
.
(0.0118) 3 (1 0.0118)
(1 . 2
2
. P
K P
) 1
(2 0.0118)
.(1atm)
3
.
1
(1 ) 2 (2 )
. P
K P 8.36 x107 atm – 4
5. ¿Cuál es el pH de una solución 1.2M ácido fórmico HCOOH?. Ka = 2.0 x 10 . Solución:
KHCOOH 2 x10 4 o Concentración Inicial del Ácido Fórmico ; CHCOOH α = grado disociación del HCOOH . H3O 2 KHCOOH O H3O CHCOOH 2 2 o α . C HCOOH KHCOOH o 1 α. CHCOOH 2 KHCOOH α o 1 α CHCOOH KHCOOH 2x10 4 1.66x10 4 10 3 El grado de disociación es muy pequeño, entonces O 1.2 O CHCOOH se puede decir que CHCOOH H3O
KHCOOH
y
2x10
4
H3O 2 1.2
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H3O 2 O CHCOOH ;
H3O 10 1.81
;
pH=1.81
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6. Una solución contiene 0.45 moles de ácido fórmico HCOOH (Ka = 2.0 x 10 ) y 0.55 moles de
formiato de sodio HCOONa. ¿Cuál es el pH de esta solución buffer?. ¿Cuál sería el nuevo pH si el volumen de esta solución fuese un 1L y se añadiera 0.05 moles de NaOH?. Solución:
BUFFER: HCOO Na, 0.55moles / HCOOH, 0.45moles HCOOH H2 O HCOO H3O 0.55moles 0.45moles HCOO . H3O KHCOOH HCOOH (0.55). H3O 4 2 x10 (0.45)
H3O 103.786 .
pH 3.79
El pH de esta solución BUFFER:
HCOO . moles de HCOO . HCOOH
moles de HCOOH
KHCOOH
6 4
0.55 0.05 0.45 0.05
6 4
H3O 2x104
. H3O 1.333x104.
El nuevo pH sería: pH 3.87 7. Novocaína, C13H21O2N2Cl, es la sal de la base procaína y del ácido clorhídrico. La constante de −6
ionización K para la procaína es 7 × 10 . ¿Cuál es el pH de una solución de novocaína al 2% en masa, asumiendo que la densidad de la solución es 1.0 g/mL?. Solución:
Concentra. Inicial de Novocaína= Co =0.0734 M NOVOCAÍNA La Novocaína sufre hidrólisis por ser el conjugado de una base débil (la procaína), la novocaína se comporta como un ácido:
NOVOCAÍNA
H2O
PROCAÍNA
H3O
SAL Inicio Equilibrio
Ing. Petra Rondinel P.
0.0734 Molar 0.0734- [ H3O ]
[ H3O ]
[ H3O ]
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CICLO 2017-I K W
Kh
10 14 1.428x10 9 7x10 6
K PROCAÍNA 2 H3O Kh Co NOVOCAÍNA 2 H O 10 4.7 3 0.0734 H3O 1.024. 10 5 M p H 4.987
8. “tus” es un ácido débil. El litmus no ionizado es rojo, mientras que el ion es azul. La
constante del Litmus es 10-6.5. ¿Cuál es la coloración que exhibe el litmus cuando está presente - 4.8 en una solución de amoniaco, NH 3 0.01M?. KAmoníaco = 10 Solución:
HInd Forma ÁCIDA
H2 O
Ind Forma BÁSICA
AZUL
ROJO
KHInd
Ind H
H3O KHInd
HInd
3O
HInd
intensidad de ROJO Ind intensidadde AZUL
intensidad ROJO
Si
H3 O
intensidad AZUL
0.1
;
HInd
Ind
0.1 , se percibe el COLOR AZUL
(pKHInd 1 ) pH (pKHInd 1) ROJO AZUL pKHInd =6.5
5.5 pH 7.5 ROJO
AZUL
En una solución de amoniaco, NH 3 0.01M
KNH
3
OH . OH
Ing. Petra Rondinel P.
NH3 o
NH3 o 0.01M
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CICLO 2017-I KNH
10 4.8 2.8 3 10 10 0.01 0.01
2 KNH3 α 0.01 1 α
3
OH 10 0.01 OH 2
K NH3
4.8
Resolviendo
OH 103.7
pOH log OH pOH pH 14 pH 10.3 pH = 10.3 > 7.5 , exhibirá color azul 9. Un sistema reactivo inicialmente en equilibrio se encuentra encerrado a presión constante en
un cilindro con pistón. Se abre una válvula desde las paredes del cilindro y a través de ella se añade un gas inerte He. Se cierra la válvula y se permite que el sistema alcance el equilibrio. ¿Hacia dónde se desplaza el sistema: A) hacia la Derecha, B) hacia la Izquierda, C) no se perturba el equilibrio?. a. C (s) + N2(g) + H2(g) CH3NH2 (g)
Solución:
n gas i 1 i
K P Q X . P 2
⇌
5 2
1
2
nCH 3 NH 2 1 n 2 N 2
5
2 H 2
n
n ga s
K P Q X P
2
.n 2 .
Total
Q X P 2 .
2 . P
Si un gas inerte es adicionado a Presión (P) constante, aumenta nTOTAL . Ésta dilución de la mezcla gaseosa con el gas inerte, hace que el equilibrio del sistema tienda a desplazarse en el sentido en el cual se incrementa la concentración total ( y así se cumple la cte. de equilibrio K P ), es decir hacia la izquierda: C (s) + N2(g) + H2(g) CH3NH2 (g)
b. (NH4)2Cr2O7 (s) Solución:
⇌ Cr O (s) + 4 H O(l) + CO (g) 2
3
2
2
En este caso: K P P CO2 yCO2 P Al añadir gas inerte a presión constante, yCO2 pasa de 1 a un valor menor que 1, CO2(g) se diluye. Para contrarrestar esta dilución y cumplir la cte. de equilibrio K P el sistema tiende a formar más CO2(g ), es decir hacia la derecha: (NH4)2Cr2O7 (s) → r2O3(s) + 4 H2O(l) + CO2(g) 10.Establezca en cada par la sustancia con mayor entropía a condiciones estándar:
a. b. c. d.
Na (s) y Mg (s) CO(g) y CO2(g) ciclopropano y propano CsI (s) y NaF (s)
Ing. Petra Rondinel P.
e. f. g. h.
MgO (s) y AlN (s) HF (g) y F2 (g) Na (s) y K (s) etano (g) y
etileno
(g)
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Solución:
a. Na (s) b. CO2(g) c. propano
d. CsI (s) e. AlN (s) f. F2 (g)
g. K (s) h. etano (g)
11.En un reactor reaccionan catalíticamente metano CH 4 gas con vapor de agua H2O (reacción A).
Simultáneamente se realiza la reacción de CO con vapor de agua H2O (reacción B). Partiendo de alimentación equi-molar de CH 4 y H2O, cuando la presión de equilibrio final es 100 atm y la temperatura es 1300oK, se encontraron los siguientes datos, basados en 1 mol de metano y 1 mol de agua iniciales. (A) : CH4 + H2O CO + 3H2 (B) : H2O+CO CO2 + H2 P= 100 atm T= 1300oK CH4 H2O CO H2 CO2 Total Moles inicio 1.0000 1.0000 0 0 0 2.0000 Moles finales 0.5487 0.3996 ¿? ¿? ¿? 2.9025 Complete la tabla anterior. Determine el valor de las constantes de equilibrio KP, A y KP, B Solución:
A: CH4 + H2O CO + 3H2 B: H2O+CO CO2 + H2 Sustancia Número de moles iniciales CH4 1 H2O 1 Resolviendo 0.4513 Sustancia Número de moles iniciales CO H2
Moles inicio Moles finales
CH4 H2O CO H2 CO2
'
0 0
CO2 Completando la TABLA:
Sustancia
Número de moles en el equilibrio 0.5487 1 0.3996 1
Fracciones molares 0.1890 0.1377 0.1041 0.5178 0.0514 Presión Total
Ing. Petra Rondinel P.
0.1491 Número de moles en el equilibrio
3 '
0 CH4 1.0000 0.5487
'
H2O 1.0000 0.3996
'
'
0.3022 1.5030 0.1491
CO H2 0 0 0.3022 1.5030 Presiones Parciales, atm 18.90 13.88 10.41 51.78 5.13 100.00
CO2 0 0.1491
Total 2.0000 2.9025
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12. Dos 02 moles de un gas ideal están contenidos a 30 atm de presión y 298
. La presión es
repentinamente reducida a 10 atm y el gas sigue una expansión adiabática irreversible. Como resultado de los cuál el gas realiza un trabajo de 500 cal. Calcule el cambio de entropía ΔS . Considere que para el gas es igual a 1.5R.
̅
Solución:
Durante la expansión adiabática irreversible: -- (- - - () ( )(- )
Siendo la Entropía una función de estado es independiente del camino seguido durante el cambio de estado. Se puede calcular considerando un proceso reversible entre los mismos estados inicial final, así:
S -
t S t
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Julio 2017.
Ing. Petra Rondinel P.
