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QUÍMICA EN INGENIERÍA
EXAMEN FINAL (20 de Enero de 2016) TIEMPO TOTAL: 3 horas
EXAMEN de TEORÍA(0,5 puntos cada cuestión):
- Las entalpías de vaporización del monóxido de carbono, cloruro de hidrógeno, y agua son, respectivamente: 8,0; 16, y 40,7 kJ/mol. Justifique la razón de esta diferencia.
Solución: La entalpía de vaporización es la energía que hay que comunicar a un mol de una sustancia en estado líquido para que pase a la fase de vapor. La entalpía de vaporización depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares que operan entre las moléculas del líquido. Cuanto mayor sea la magnitud de estas fuerzas, más energía calorífica habrá que comunicar al líquido, para vencer dichas fuerzas y que las moléculas pasen a la fase de vapor. CO: Es una molécula lineal, con un enlace covalente ligeramente polar C→O y que es un gas a temperatura ambiente y
presión atmosférica. Dado el bajo valor de su ΔHvap, la principal fuerza que opera entre sus moléculas son las fuerzas de
dispersión (o de London). Estas fuerzas son directamente proporcionales al grado de polarización de la molécula
(facilidad con que se altera la distribución electrónica (nube de carga) de una molécula por la acción de un campo
eléctrico). El grado de polarización depende del número de electrones de la molécula.
HCl: Es una molécula lineal, con un enlace covalente polar H→Cl y que es un gas a temperatura ambiente y presión
atmosférica. Su momento dipolar es superior al del CO porque la diferencia de electronegatividad entre sus átomos es
mayor. El valor de su ΔHvap indica que las fuerzas intermoleculares son débiles. De nuevo, las fuerzas de dispersión son
las más importantes.Su magnitud es mayor que para el CO lo cual se debe al mayor número de electrones del HCl (18)
respecto del CO (14). La intensidad de las fuerzas dipolo-dipolo es muy pequeña dado que su μ es < 2,5 D.
H 2 O:Es una molécula angular, con dos enlaces covalentes polares H→O, que Cene un μ ≠ 0. Es un líquido a temperatura
ambiente y presión atmosférica. Su ΔHvap es la más elevada lo que indica que las fuerzas intermoleculares son fuertes.
Entre sus moléculas se establecen puentes de hidrógeno, cuya magnitud es muy superior a la de las fuerzas de London.
Los puentes de hidrógeno son un tipo especial de interacción dipolo-dipolo que se establece entre moléculas
covalentes polares que contienen átomos de hidrógeno unidos a elementos de elevada electronegatividad como es el
oxígeno.
- Determine la temperatura de ebullición del agua en la cima de una montaña a una altura de 4300 m. A esta altitud la presión atmosférica es de 0,61 atm. Justifique la respuesta. Datos: ΔHvapor. = 2257 KJ/Kg; R = 8,314 J/K·mol; Masas atómicas: Oxígeno = 16 u
Solución:
∆ᠴぉ〨ぃあぅ〶こ〨〰〶óぁ = 2257
ᠷᠶ ᠷᡙ
18 · 10⡹⡱ᠷᡙ ᡥᡧᡤ
10 ⡱ᠶ ᠷᠶ
= 40,6 10⡱^ ᠶ/ᡥᡧᡤ
Según la Ec. de Clausius-Clapeyron:
ᠸᡦ
ᡂ⡩ ᡂ⡰^ =
∆ᠴぉ〨ぃあ ᡄ 㐶
1 ᡆ⡰^ −
1 ᡆ⡩^ 㑀
Siendo P 1 = 0,6 atm; T 1 = ¿? y P 2 = 1 atm; T 2 = (100 + 273) = 373 K
ᠸᡦ0,6 =
40,6 · 10⡱ 8,
㐶
1 373
−
1 ᡆ⡩
㑀
T 1 = 359 K (86 oC)
Justificación: Como la temperatura de ebullición de un compuesto es aquella en la que su presión de vapor coincide con la presión atmosférica, cuanto menor es esta presión (0,6 atm, en este caso) menor será la temperatura de ebullición.
- Determine para que valores de temperatura será espontáneo el proceso de cristalización del benceno líquido (C 6 H 6 ),
y para que valores no tendrá lugar de manera espontánea. ΔHocrist.= ‒ 9,9 kJ/mol, So(C 6 H 6 )l = 269,2 J/K·mol, So(C 6 H 6 )s =
233,7 J/K·mol
Solución:
C 6 H 6 (l) C 6 H 6 (s)
S ;
T
H
S o
o total =− +^ ∆ >^0
∆ ΔSo^ = Sprod. – Sreact.= 233,7 – 269,2 = ‒35,5 J/K·mol
− J Kmol T
J mol ;
ᡆ <
∆ᠴあ ∆ᡅあ^ =
9,9 · 10⡱ᠶ/ᡥᡧᡤ 35,5ᠶ/ᠷ · ᡥᡧᡤ < 278,87ᠷ
Para: T < 278,87 K (5,9 oC) el proceso de cristalización será espontáneo y
T >278,87 K (5,9 oC)el proceso de cristalización no será espontáneo
- Dadas las siguientes mezclas: (a) ácido nitroso^1 (0,05 M) y nitrito de sodio (0,08 M) y (b) ácido nítrico^2 (0,05 M) y nitrato de sodio (0,05 M. Explique si pueden comportarse, o no, como disoluciones amortiguadoras. Razone la respuesta.^1 dioxonitrato (III) de hidrogeno; 2 trioxonitrato (V) de hidrógeno.
Solución:
Una disolución reguladora está formada por un ácido débil (HA) y una sal que contiene su base conjugada (A‒), o bien, por una base débil (B) y una sal que contiene su ácido conjugado (BH+). Estas disoluciones se caracterizan por mantener su pH constante cuando se adicionan pequeñas cantidades de un ácido o de una base fuertes.
La mezcla indicada en a) HNO 2 0,05M y NaNO 2 0,08M es una opción apropiada por tratarse de la combinación de un ácido débil con una sal de su base conjugada.
Ionización del ácido: HNO 2 (ac) + H 2 O(l) NO 2 ‒(ac) + H 3 O+(ac)
Ionización de la sal: NaNO 2 (s) + H 2 O(l) NO 2 ‒(ac) + Na+(ac)
El par conjugado será: HNO 2 / NO 2 ‒; El equilibrio del ácido revierte a la izquierda al añadir la sal por efecto de ion común.
La mezcla b) HNO 3 0,05M y NaNO 3 0,05M no actuaría como disolución amortiguadora ya que el ácido nítrico es un ácido fuerte. El ácido se ioniza por completo en iones NO 3 ‒^ e H 3 O+; no hay ningún par conjugado ácido débil/base conjugada.
Ionización del ácido: HNO 3 (ac) + H 2 O(l) NO 3 ‒(ac) + H 3 O+(ac)
Ionización de la sal: NaNO 3 (s) + H 2 O(l) NO 3 ‒(ac) + Na+(ac)
EXAMEN de PROBLEMAS (0,75 puntos cada problema):
- Se dispone de una disolución acuosa ideal de ácido acético (C 2 H 4 O 2 ) al 65% en masa de ácido y a la temperatura de 80 °C. Calcule el tanto por ciento en volumen, de cada componente, en el vapor que está en equilibrio con dicha disolución a 80°C.Datos: ᡂ〨〴え〨あ^ 䙦80℃䙧 = 311 ᡲᡧᡰᡰ; ᡂ〨.〨〰éぇ〶〰ああ^ 䙦80℃䙧 = 200 ᡲᡧᡰᡰ;Masas atómicas: Oxígeno = 16 u; Carbono = 12 u.
Solución:
- Para determinar la composición del VAPOR, aplicamos la ley de Daltón : ᡂ〶 = ᡑ〶ᡂ〡
ᡂ〉ㄘ〖 = ᡑ〉ㄘ〖ᡂ〡 ᡂ〉。〰 = ᡑ〉。〰ᡂ〡
- Calculamos ᡂ〉ㄘ〖 y ᡂ〉。〰 teniendo en cuenta la ley de Raoult: ᡂ〶 = ᡶ〶ᡂ〶⡨
Consideramos 100g de disolución:
moles de agua=35g/18 g/mol= 1,94; moles de ác. acético=65g/60 g/mol= 1, moles totales= 3,
- Fracciones molares de la fase líquida: ᡶ〉ㄘ〖 = 0,64; ᡶ〉。〰 = 1 − 0,64 = 0,
- Presiones de vapor: ᡂ〉。〰 = ᡶ〉。〰ᡂ〉。〰⡨^ = 0,36 · 200ᡥᡥᠴᡙ = 72 ᡥᡥᠴᡙ ᡂ〉ㄘ〖 = ᡶ〉ㄘ〖ᡂ〉⡨ㄘ^ 〖= 0,64 · 311ᡥᡥᠴᡙ = 199,04 ᡥᡥᠴᡙ
ᡂ〡 = 271,04 ᡥᡥᠴᡙ
- Con estos datos aplicamos la ley de Daltón:
〗㉗㉐㉸ 〗㉩^ =^
⡵⡰ ⡰⡵⡩,⡨⡲ = 0,
ᡂ〉ㄘ〖 = ᡑ〉ㄘ〖ᡂ〡; ᡑ〉ㄘ〖 =
〗㉗ㄘ㉤ 〗㉩^ =^
⡩⡷⡷,⡨⡲ ⡰⡵⡩,⡨⡲ = 0,
- El % en volumen será (100· Y): 26,5 % de ácido acético y 73,5% de agua
- Calcule el grado de disociación del pentacloruro de antimonio, a 250 °C, sabiendo que la constante Kp tiene un valor de 0,3 y la presión total en el equilibrio es de 15 atmósferas:
Pentacloruro de antimonio(g) Tricloruro de antimonio(g) + Cloro(g)
Solución:
SbCl 5 (g) SbCl 3 (g) + Cl 2 (g) Po (atm): Po -- -- PK (atm): Po – x x x o bien como α = x/Po PK (atm): Po (1-α) Poα Poα
Ptotal= 15 atm =Po (1+ α)
Escribimos la expresión de Kp en función del grado de disociación:
Ponemos Po en función de α:
Combinando ambas ecuaciones: 15 ⡰ 1 − ⡰^
- El oro metálico se disuelve en una disolución de permanganato de potasio^4 0,03 M en medio ácido. Calcule: (a) El pH necesario para que la reacción sea cuantitativa (la concentración de reactivos se reduce al 0,1 % de la inicial) y, (b) Los gramos del electrodo anódico que se habrán consumido tras funcionar la pila durante 30 min con una intensidad de corriente de 2 amperios. Datos: Eo(ion oro(III)/oro) = 1,50 V; Eo(ion permanganato/ion manganeso(II)) = 1,52 V; M(oro) = 196,97 u. (^4) tetraoxomanganato (VII) de potasio.
Solución: s. oxidación: [Au Au+3^ + 3 e‒]· s. reducción: [MnO 4 ‒^ + 8 H+^ + 5 e‒^ Mn++^ + 4 H 2 O]·
R. global: 3 MnO 4 ‒(ac) + 24 H+(ac) + 5 Au(s) 3 Mn++^ + 12 H 2 O + 5 Au+3(ac)
(a) Para calcular el pH necesitamos conocer la [H+] que la obtenemos de la ecuación de Nernst. Si el proceso redox tiene lugar de manera cuantitativa, ΔE = 0:
∆ᠱ = ∆ᠱあ^ −
∆ᠱあ^ = ᠱあ䙦ᠹᡦᡁ⡲^ ⡹/ᠹᡦ⡸⡸䙧^ − ᠱあ䙦ᠧᡳ⡸⡱/ᠧᡳ䙧^ = 1 , 52 ᡈ − 1 , 50 ᡈ = 0 , 02 ᡈ
䙰ᠹᡦᡁ⡲^ ⡹䙱 = 䙦 0 , 03 ᠹ䙧 · 㐶
㑀 = 3 · 10 ⡹⡳^ ᠹ
䙰ᠹᡦ⡸⡸䙱 = 0,03 − 3 · 10⡹⡳^ ≈ 0,03 ᠹ
3 ᡥᡧᡤᡗᡱ ᡖᡗ ᠹᡦᡁ⡲^ ⡹^
䙰ᠴ⡸䙱⡰⡲^
䙦ᡤᡧᡙ312,5 − 24log 䙰ᠴ⡸䙱䙧
log[H+] = -0,107; pH = ‒ log[H+] = 0,107; [H+] = 0,78 M
(b)
䙦3 ᡥᡧᡤᡗᡱ ᡖᡗ ᡗ⡹䙧 · 䙦96500 ᠩ/ᡥᡧᡤ ᡖᡗ ᡗ⡹䙧 1 ᡥᡧᡤ ᡖᡗ ᠧᡳ ᡗᡦ ᡗᡤ áᡦᡧᡖᡧ
n = 0,0124 moles
⡩⡷⡴,⡷⡵ 〴 ⡩ あ〹 =2,45 g
