¡Descarga Equilibri químic PAU y más Ejercicios en PDF de Química solo en Docsity!
Cinètica Química
1.- 11-S1-6 La reacció en fase gasosa 2 NO(g) + O 2 (g) (^) → 2 NO 2 (g) és un dels passos intermedis en la síntesi d’adobs nitrogenats. Es tracta d’una reacció d’ordre 2 respecte al monòxid de nitrogen, i d’ordre 1 respecte a l’oxigen. a) Escriviu l’equació de velocitat per a aquesta reacció. Indiqueu, raonadament, les unitats amb què s’expressen la velocitat i la constant de velocitat d’aquesta reacció. b) Què succeeix amb la velocitat de la reacció si augmentem la temperatura i mantenim constant el volum? I si augmentem el volum i mantenim constant la temperatura? Justifiqueu les respostes. 2.- 11-S2-3 El peròxid d’hidrogen (aigua oxigenada) és un producte de rebuig de moltes de les reaccions que tenen lloc en les cèl·lules vives. L’enzim catalasa en provoca la descomposició en productes menys nocius. Es pot investigar experimentalment la cinètica d’aquesta reacció mesurant la quantitat d’oxigen gasós que es produeix amb el pas del temps. En una primera sèrie d’experiments al laboratori es van obtenir les dades que es mostren en la taula següent: Dades experimentals sobre la descomposició de l’aigua oxigenada a) Justifiqueu quin és l’ordre de reacció respecte al peròxid d’hidrogen i calculeu la constant de velocitat de la reacció. b) Si duem a terme una segona sèrie d’experiments al laboratori, similar a l’anterior però utilitzant un conjunt de solucions de peròxid d’hidrogen de concentracions més elevades, obtenim la representació gràfica següent: Justifiqueu quin és l’ordre de reacció respecte al peròxid d’hidrogen a concentracions elevades. Escriviu l’equació de velocitat en aquestes condicions i indiqueu les unitats de la constant de velocitat. DADES: La temperatura i la concentració de catalasa són constants en tots els experiments. Experiment [H 2 O 2 ] inicial (mol L ) Velocitat inicial (μmol Lmol L-1^ s-1^ ) 1 0,10 4, 2 0,20 8, 3 0,30 12, 4 0,40 16,
3.- 11-S4-7 El procés de piròlisi de l’etanal, a 518 °C, produeix la descomposició d’aquest aldehid en metà i monòxid de carboni, segons l’equació següent: CH 3 CHO(g) → CH 4 (g) + CO(g) Δ H > S’ha estudiat la cinètica d’aquesta reacció, a 518 °C, seguint la variació de la pressió total del reactor amb el temps. A partir de les dades experimentals obtingudes, i fent-ne el tractament matemàtic adient, es troba la relació següent entre la velocitat de la reacció ( v ) i la concentració de reactiu: log v = 5,17 + 2 log [CH 3 CHO(g)] en què la velocitat s’expressa en mol L–1^ s–1^ i la concentració d’etanal, en mol L–1. a) Quin és l’ordre de la reacció i el valor de la constant de velocitat de la reacció de piròlisi de l’etanal, a 518 °C? Expliqueu raonadament les respostes. b) Dibuixeu, de manera aproximada, el perfil d’aquesta reacció en un diagrama de l’energia en funció de la coordenada de reacció, suposant que la reacció es duu a terme en una sola etapa, i indiqueu on es troben les magnituds de l’energia d’activació i de l’entalpia de reacció. Com canviaria aquest dibuix si en la reacció de piròlisi s’emprés un catalitzador? Justifiqueu la variació de la velocitat de la reacció en presència d’un catalitzador a partir del model de l’estat de transició. 4.- 12-S3-1 Una de les aplicacions del cloroetà durant el segle XX ha estat la producció d’un antidetonant per a la gasolina. El cloroetà s’hidrolitza en una solució calenta d’hidròxid de sodi, segons l’equació següent: CH 3 CH 2 Cl + OH–^ → CH 3 CH 2 OH + Cl– Estudiem la variació de la velocitat inicial d’aquesta reacció per a diferents concentracions inicials dels reactius, a una temperatura determinada. Els resultats es poden observar en la taula següent: Estudi experimental de la cinètica de la reacció d’hidròlisi del cloroetà Concentració inicial de cloroetà (mol dm–3) Concentració inicial d’ió hidròxid (mol dm–3) Velocitat inicial de la reacció (mol dm–3^ s–1) 0,010 0,020 8,60×10– 0,020 0,020 1,72×10– 0,020 0,060 5,16×10- a) Determineu l’ordre de reacció respecte a cada reactiu i l’ordre total de la reacció. Expliqueu raonadament les respostes. b) Calculeu la constant de velocitat de la reacció.
a) Calculeu la concentració d’hidrogen en el reactor quan la concentració de monòxid de nitrogen és 0,15 mol L–1. Quina és la velocitat de la reacció en aquest instant? b) Com es veu afectada la velocitat de la reacció si introduïm un catalitzador en el reactor? I si augmentem la temperatura? Expliqueu raonadament les respostes a partir d’un model cinètic. 8.- 14-S3-1 El peròxid d’hidrogen (H 2 O 2 ), anomenat també aigua oxigenada , es descompon molt lentament en solució aquosa en oxigen i aigua. La reacció de descomposició es facilita quan s’hi afegeixen ions iodur, i segueix el mecanisme següent: Etapa 1: H 2 O 2 (aq) + I−(aq) → H 2 O(l) + IO−(aq) Etapa 2: H 2 O 2 (aq) + IO−(aq) → H 2 O(l) + O 2 (g) + I−(aq) Quan estudiem experimentalment aquest mecanisme trobem que l’etapa 1 és la més lenta, i, per tant, la reacció global segueix una cinètica d’ordre 1 respecte del peròxid d’hidrogen i d’ordre 1 respecte de l’ió iodur. a) Escriviu l’equació de velocitat de la reacció de descomposició del peròxid d’hidrogen en presència d’ions iodur i indiqueu quin és l’ordre total de la reacció. Expliqueu raonadament quina funció tenen els ions iodur en aquest procés de descomposició i amb quines unitats s’expressa la constant de velocitat d’aquesta reacció. b) Quina de les dues figures següents representa millor la descomposició del peròxid d’hidrogen en presència d’ions iodur i quines magnituds representen les lletres A, B i C? Des del punt de vista energètic, la descomposició és exotèrmica o endotèrmica? Argumenteu les respostes. 9.- 14-S5-6 Un laboratori ha estudiat la cinètica de la reacció d’oxidació de tal·li (I) amb ceri (IV) en presència de manganès (II) com a catalitzador, en solució aquosa i a la temperatura de 20 °C. Els resultats experimentals obtinguts avalen el mecanisme de reacció següent en tres etapes: Etapa 1: Ce4+^ + Mn2+^ → Ce3+^ + Mn3+ Etapa 2: Ce4+^ + Mn3+^ → Ce3+^ + Mn4+ Etapa 3: Tl+ + Mn4+ → Tl3+ + Mn2+
a) Escriviu la reacció global. Expliqueu què és un catalitzador i com intervé en la cinètica d’una reacció emprant un model cinètic. b) Atès que l’etapa 1 del mecanisme és la més lenta de totes tres, la velocitat de la reacció global és d’ordre 1 respecte del Ce4+^ i d’ordre 1 respecte del Mn2+. Escriviu l’equació de velocitat de la reacció global i justifiqueu en quines unitats s’expressa la velocitat de reacció i en quines unitats s’expressa la constant de velocitat d’aquesta reacció. 10.- 15-S2-6 El clorur de nitrosil (NOCl), compost que s’utilitza en síntesi química per a introduir grups —NO en diverses molècules orgàniques, es pot formar a partir de la reacció següent: 2 NO(g) + Cl 2 (g) → 2 NOCl(g) Hem estudiat la influència de la concentració dels reactius en la velocitat d’aquesta reacció a una temperatura determinada i hem obtingut els resultats següents: Estudi experimental de la cinètica de la reacció Concentració inicial de NO (mol L–1) Concentració inicial de Cl 2 (mol L–1) Velocitat inicial de la reacció (mol L–1^ s–1) 0,0125 0,0255 2,27 × 10– 0,0125 0,0510 4,55 × 10– 0,0250 0,0255 9,08 × 10– a) Justifiqueu l’ordre de la reacció respecte a cada reactiu i calculeu la constant de velocitat b) Expliqueu en què es basa el model cinètic de col·lisions. Justifiqueu a partir d’aquest model cinètic l’efecte de la temperatura i del volum del reactor en la velocitat de la reacció. 11.- 15-S4-6 El fluorur de nitril (NO 2 F) és un gas incolor que s’utilitza com a agent per a la fluoració i el podem sintetitzar a partir de diòxid de nitrogen i fluor gasosos. El mecanisme d’aquesta reacció de síntesi es produeix en dues etapes elementals: Etapa 1 (lenta): NO 2 + F 2 → NO 2 F + F Etapa 2 (ràpida): NO 2 + F → NO 2 F a) Escriviu la reacció global de la síntesi del fluorur de nitril. Justifiqueu l’ordre de la reacció de l’etapa 1 respecte de cadascun dels reactius i escriviu l’equació de velocitat de la reacció de l’etapa 1. Indiqueu en quines unitats s’expressa la velocitat d’una reacció química. b) Emprant el model de col·lisions o el model de l’estat de transició (o complex activat), expliqueu el concepte energia d’activació i la influència de la temperatura en la velocitat d’una reacció química.
reactius sobre la velocitat. A continuació, podeu veure una reacció i els resultats obtinguts, a una temperatura determinada, quan n’estudiem la cinètica mitjançant el mètode de les velocitats inicials: 2 H 2 (g) + 2 NO(g) → 2 H 2 O(g) + N 2 (g) a) Calculeu l’ordre de reacció respecte de cada reactiu i l’ordre total. b) Determineu la constant de velocitat de la reacció. A partir de la teoria de les col·lisions, expliqueu dues maneres d’augmentar la velocitat d’aquesta reacció química. 15.- 16-S5-6 Conèixer la velocitat d’una reacció química i determinar de què depèn és molt útil quan es dissenya el procés de fabricació d’una substància nova. Els enginyers químics han de cercar, en cada cas, com es pot millorar el rendiment d’una reacció, però també com es pot accelerar la reacció. En un reactor, a volum constant i a la temperatura de 60 °C, s’ha fet un estudi de la cinètica de la reacció següent: A(g) + 2 B(g) → C(g) Les dades experimentals obtingudes demostren que la reacció és de primer ordre respecte de A i d’ordre zero respecte de B. a) Escriviu l’equació de velocitat de la reacció. Calculeu la constant de velocitat d’aquesta reacció a 60 °C si, per a una concentració inicial del reactiu A d’1,6 × 10–2 mol L–1^ i del reactiu B de 4,4 × 10–2^ mol L–1, la velocitat inicial de la reacció és 4,1 × 10–4^ mol L–1^ s–1. La velocitat de la reacció es mantindrà, disminuirà o augmentarà quan hauran transcorregut uns quants minuts després de l’inici de la reacció? Justifiqueu la resposta. b) Què és un catalitzador? Expliqueu com actua un catalitzador en una reacció química a partir del model de l’estat de transició. 16.- 17-S1-3 L’ozó, una substància que actua com a filtre de les radiacions solars, es pot descompondre en oxigen a l’estratosfera mitjançant un procés exotèrmic que consta de les dues etapes elementals següents: A 300 K de temperatura, les energies d’activació són 103,0 kJ mol–1^ per a l’etapa 1 i 17,1 kJ mol–1^ per a l’etapa 2. a) Escriviu la reacció global del procés de descomposició de l’ozó. Feu una representació gràfica aproximada que mostri l’energia en funció de la coordenada de reacció, i assenyaleuhi les energies d’activació i la variació d’entalpia de la reacció. b) A partir del model de l’estat de transició (o complex activat), expliqueu el concepte energia d’activació i justifiqueu quina de les dues etapes de la descomposició de l’ozó és més lenta. 17.- 17-S2-4 El diòxid de nitrogen és un gas contaminant que es forma en les reaccions de combustió a alta temperatura. El diòxid de nitrogen reacciona amb l’ozó present a l’atmosfera segons la reacció química següent: Experiment [H 2 ] (mol L-1^ ) [NO] (mol L-1^ ) Velocitat (mol L-1^ s-1^ ) 1 2,0 × 10–2^ 2,50 × 10–2^ 4,8 × 10– 2 2,0 × 10–2^ 1,25 × 10–2^ 1,2 × 10– 3 4,0 × 10–2^ 2,50 × 10–2^ 9,6 × 10–
2 NO 2 (g) + O 3 (g) → N 2 O 5 (g) + O 2 (g) Diversos estudis experimentals han conclòs que, a una determinada temperatura, aquesta reacció segueix una cinètica de primer ordre respecte del diòxid de nitrogen i també de primer ordre respecte de l’ozó. a) Escriviu l’equació de velocitat de la reacció. Expliqueu raonadament en quines unitats s’expressen la velocitat de reacció i la constant de velocitat d’aquesta reacció. b) Per a aquesta reacció es proposa un mecanisme constituït per les dues etapes elementals següents: Etapa 1 (lenta): NO 2 (g) + O 3 (g) → NO 3 (g) + O 2 (g) Etapa 2 (ràpida): NO 2 (g) + NO 3 (g) → N 2 O 5 (g) Justifiqueu que aquest mecanisme concorda amb els estudis experimentals cinètics. A partir del model cinètic de col·lisions, expliqueu raonadament quina de les dues etapes tindrà una energia d’activació més alta i com influeix la temperatura en la velocitat de la reacció. 18.- 17-S5-6 El boirum fotoquímic (photochemical smog) és una mescla de fum i boira que produeix, entre altres efectes, irritació ocular. Un dels principals irritants oculars del boirum és el formaldehid (CH 2 O), que es produeix per una reacció entre l’etilè (C 2 H 4 ) i l’ozó (O 3 ), segons l’equació química següent: C 2 H 4 (g) + O 3 (g) → 2 CH 2 O(g) + 1/2 O 2 (g) ΔH° = 22,6 kJ Hem fet diferents experiments, a 25 °C, per determinar la velocitat inicial de reacció a diferents concentracions i hem obtingut els resultats següents: Experimen t [C 2 H 4 ] (mol L-1^ ) [O 3 ] (mol L-1^ ) Velocitat (mol L-1^ s-1) 1 0,5 × 10–7^ 1,0 × 10–8^ 1,0 × 10– 2 1,5 × 10-7^ 1,0 × 10-8^ 3,0 × 10- 3 1,0 × 10–7^ 2,0 × 10–8^ 4,0 × 10– a) Determineu l’ordre de reacció de cada reactiu i l’ordre total. b) Calculeu la constant de velocitat de la reacció a 25 °C. Quina influència té un augment de la temperatura sobre la velocitat de reacció? Justifiqueu la resposta tenint en compte la teoria de les col·lisions.
21.- 19-S1-1 El diòxid de nitrogen i el monòxid de carboni reaccionen en fase gasosa segons l’equació següent: NO 2 (g) + CO(g) → NO(g) + CO 2 (g) Per a poder predir el mecanisme d’aquesta reacció química a una determinada temperatura, cal conèixer prèviament quina és la seva equació de velocitat. En un estudi cinètic d’aquesta reacció efectuat en un reactor de 10 L, i mantenint la temperatura fixa a 325 °C, hem obtingut les dades experimentals següents: Experiment Massa inicial de NO 2 (g) Massa inicial de CO(g) Velocitat inicial (mol L–1^ s–1) 1 23,00 56,00 6,338 × 10– 2 69,00 56,00 5,703 × 10– 3 69,00 28,00 5,703 × 10– 4 69,00 14,00 5,703 × 10– a) Determineu l’ordre de reacció respecte a cada reactiu i la constant de velocitat de la reacció a 325 °C. Escriviu l’equació de velocitat de la reacció a 325 °C. b) Què succeeix amb la velocitat de la reacció si augmentem la temperatura i mantenim constant el volum? I si augmentem el volum i mantenim constant la temperatura? Justifiqueu les respostes utilitzant el model cinètic de col·lisions. Dades: Masses atòmiques relatives: C = 12,0; N = 14,0; O = 16, 22.- 19-S4-4 El diòxid de sofre s’origina per combustió de carbons o petrolis que contenen sofre com a impuresa. Aquest òxid es transforma en triòxid de sofre, i quan es barreja amb vapor d’aigua produeix àcid sulfúric, un dels components principals de la pluja àcida. Observeu la reacció següent: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) → 2 SO 3 (g), Δ H ° = –98,80 kJ mol– A una temperatura determinada, aquesta reacció es pot donar directament en una sola etapa (mecanisme A) o bé, de manera molt més ràpida, en presència de monòxid de nitrogen (mecanisme B). Mecanisme A Etapa única (molt lenta): 2 SO 2 (g) + O 2 (g) → 2 SO 3 (g) Mecanisme B Etapa 1 (ràpida): 2 NO(g) + O 2 (g) → 2 NO 2 (g), Δ H ° < 0 Etapa 2 (lenta): 2 NO 2 (g) + 2 SO 2 (g) → 2 SO 3 (g) + 2 NO(g), Δ H ° < 0 a) Dibuixeu, de manera aproximada, un gràfic de l’energia respecte a la coordenada de reacció per al mecanisme A, i un altre gràfic per al mecanisme B. Indiqueu en els gràfics les energies d’activació, els estats de transició (complex activat) i la variació d’entalpia de la reacció global. b) Els estudis cinètics demostren que l’oxidació del diòxid de sofre a triòxid de sofre és una reacció d’ordre 1 respecte a l’oxigen, i d’ordre 2 respecte al diòxid de sofre. Escriviu l’equació de velocitat de la reacció i deduïu les unitats de la
constant de velocitat. Expliqueu quina funció fa el monòxid de nitrogen en el mecanisme B. 23.- 20-S1-6 En moltes sèries policíaques hem vist que els detectius utilitzen un líquid que produeix luminescència quan s’aplica sobre els llocs on hi ha restes de sang. Aquest líquid és una solució de luminol amb peròxid d’hidrogen en medi bàsic. La reacció luminescent es produeix quan el luminol és oxidat per l’oxigen que es forma en descompondre’s l’aigua oxigenada: 2 H 2 O 2 (aq) → O 2 (g) + 2 H 2 O(aq) Catalitzador, Fe2+^ Δ H ° < 0 Un requisit imprescindible és la presència d’un catalitzador per a la reacció anterior. En la detecció de sang, el catalitzador és el ferro de l’hemoglobina present als glòbuls vermells. a) Per a la reacció de descomposició de l’aigua oxigenada: — Dibuixeu el diagrama energètic de la reacció catalitzada i de la no catalitzada. — Compareu la variació d’entalpia de la reacció catalitzada i de la no catalitzada. b) Tenint en compte el model de l’estat de transició: — Què és l’energia d’activació? — Compareu les energies d’activació de la reacció catalitzada i de la no catalitzada. — Com es modifica la velocitat de reacció si augmentem la temperatura?
