1. Problemas y Ejercicios Propuestos

1. Cuando Se efectuó la combustión de 500 g de butano (C4H10) a la temperatura de 600ªC, el calor de reacción fue de –5341.4 kcal. Calcular: a) El calor de combustión molar a volumen constante y a condiciones tipo para el C4H10.

Sustancia Cp (cal/molºK)

C4H10 7.5 + 5 10-3 T

O2 6.5 + 4 10-3 – 1.67 10-5 T2

CO2 7.7 + 5.3 10-3 T

H2O 8.15 + 0.5 10-3 T – 2.3 10-5 T2

b) ¿Cuánta agua líquida que se encuentra a 15ºC se puede calentar hasta 53ºC del calor que se calculó en el inciso (a), si se considera que la eficiencia de transferencia de energía es del

63.5%?

Solución:

Considerando que la reacción de combustión es

2C4H10(g) + 13O2(g) 8CO2(g) + 10H2O(g)

Calculamos n(g) = 18 mol – 15 mol = 3 mol

Entonces de la fórmula:

Obtenemos el calor de reacción a presión constante

Ahora calculamos HR1, por lo que necesitamos , , ;

Entonces:

Por lo tanto:

Teniendo el valor del calor de combustión a condiciones tipo a presión constante, determinamos E, entonces de la fórmula:

Obtenemos el calor de reacción a presión constante

b) Considerando el valor de HR1 el valor calculado tenemos, que:

X = - 46,196,616.94 cal, corresponde a 500 g de butano, al 100%, entonces considerando la eficiencia del 63.5% tenemos: Q = - 29,334,851.756 cal, aplicando – Qced = Qabs

 

3. Los calores de combustión del benceno (C6H6), carbono grafito (C) e hidrógeno (H2) están dados en las siguientes ecuaciones;

C6H6(l) + 7 ½ O2(g) 6CO2(g) + 3H2O(l) Hº = - 780980 cal

C(s) + O2(g) CO2(g) Hº = - 94050 cal

H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) Hº = - 68320 cal

Si las capacidades caloríficas están en cal/molºK

Cp (C(s)) = 2.673 + 0.2617 10-2 T – 1.169 10-5 T2

Cp (H2(g)) = 6.483 + 2.215 10-3 T – 3.298 10-6 T2

Cp (C6H6(l)) = 14.95 + 5.58 10-2 T

Determinar el "calor de formación" del benceno C6H6 a 1200 ºC

Solución:

Aplicamos la ley de Hess para determinar HR1

HR1 = - 3(68,320cal) + 6(-94050cal) – (-780,980cal) = - 769,260 + 780980 = 11720 cal

para determinar HR2, necesitamos conocer el valor de , y

por lo tanto:

= (6)(2.673) + (3)(6.483) – 14.95 = 16.038 + 19.449 – 14.95 = 20.537

= (6)(0.2617 10-2) + (3)(2.215 10-3) – 5.58 10-2 = -4.0098 10-2 + 6.645 10-3 =

-3.3453 10-2

= (6)(-1.169 10-5) + (3)(-3.298 10-6) = - 8.0034 10-5

por lo tanto HR2 = 11,720cal + 20.537(1,175) – 1.67265 10-2(2,080,925)

– 2.6678 10-5(3,169,547,225) = - 83,512.8 cal a 1,473 ºK

4. Cuando se realiza la reacción 2NO2(g) N2O4(g) a 55ºC al alimentar 2 moles del reactivo de 2000 cm3 de capacidad, se determinó que el valor de Kp = 0.7396, calcular:

a. Las presiones parciales en el equilibrio b. Si a la mezcla de equilibrio se le agrega 0.25 mol de N2O4 a la misma temperatura

¿Cuál es la composición en % mol para la nueva condición de equilibrio? c. Menciona qué interpretación tiene en relación al efecto aplicado

SOLUCIÓN:

Teniendo en cuenta la reacción: 2NO2(g) N2O4(g)

Inicio 2 mol -----

Reacción: - 2x -----

Formación ----- + x

Equilibrio 2 – 2x + x = 2 – x = nT

Si Kp = Kc(RT) n, entonces tenemos que:

0.7396 = Kc[(0.082 atm-lt/mol-ºK)(328ºK)]-1;

Kc = 19.89, Kc’= 5.02 10-2 mol/lt

5.02 10-2 = (x/2)/((1 – x)/4)2 = 2x/(1 – x)2 ...............(1)

de la ecuación (1) determinamos la ecuación cuadrática:

2.51 10-2 x2 – 6.02 10-2 x + 2.51 10-2 = 0 .........(2)

de la ecuación (2) determinamos las raíces de la ecuación:

x1 = 1.86108 y x2 = 0.5373

ahora bien, 1 m3 = 1,000 lt; 1 m3 = 1,000,000 cm3, por lo tanto 2,000 cm3 = 2 lt

Utilizando la ecuación PV = nRT determinamos el valor de la presión total del sistema:

P = [(1.4627mol)(0.082 atm-lt/molºK)(328ºK)]/2 lt = 19.6704 atm

Gas ni (mol) x1 = n1/nt Pi = xiPT (atm)

NO2 0.9254 0.6266 12.3254

N2O4 0.5372 0.5373 6.44

1.4627 mol 1 19.6704 atm

b) Teniendo en cuenta la reacción: N2O4(g) 2NO2(g)

Inicio 0.25 mol 2 mol

Reacción: - x -----

Formación ----- + 2x

Equilibrio 0.25 – x + 2x = 0.25 + x = nT

Sabiendo el valor de

;

x = 0.103834

 

Gas ni (mol) x1 = n1/nt % mol

N2O4 0.146166 0.41309 41.5 %

NO2 0.207668 0.5869 58.5 %

0.353834 mol 1 100 %

c) El principio de Le Chatelier hace posible una predicción cualitativa de la dirección de estos cambios y ayuda, a su vez, a resolver problemas de equilibrio, un cambio en la propiedades del sistema dará lugar a que el equilibrio se desplace en la dirección que tienda a contrarrestar el efecto del cambio, pues bien el efecto de los cambios de concentraciones de cualquier componente de un sistema da lugar a una acción que tiende a consumir parte de la sustancia agregada. Supóngase que en el proceso Haber para la producción de N2O4(g) al añadir en exceso a la mezcla en equilibrio se aumenta el consumo de NO2. en la misma forma, un aumento de concentraciones desplazará el equilibrio hacia la derecha.

5. Para el equilibrio H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO(g) la Kc = 4.4 a 2000 ºK. Si se introducen en un reactor simultáneamente 1 mol H2, 1 mol CO2 y 2 mol de H2O, determine:

a. Las concentraciones de productos y reactivos en el equilibrio b. La Kp y Px c. Las presiones Parciales

Solución:

Teniendo en cuenta la reacción: H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO(g)

Inicio 1 mol 1 mol 2 mol -----

Reacción: - x - x ------ -----

Formación ---- ------ + x + x

Equilibrio 1 – x 1 – x 2 + x + x = 4 mol

Usando base de cálculo, V = 1 lt,

Entonces Kc = 4.4 = (2 + x)(x)/(1 – x)2, ............(1)

por lo tanto;

(4.4)(1 – 2x + x2) = 2x + x2 ;

4.4x2 – x2 – 8.8x – 2x + 4.4 = 0 ;

3.4x2 – 10.8x + 4.4 = 0 ....................(2)

utilizando la fórmula "chicharronera" determinamos las raíces de la ecuación (2)

por lo tanto

x1 = 2.5789 y x2 = 0.4799

sustituyendo x2 en la ecuación (1) verificamos que Kc = 4.4

b) Sabiendo que n = 0; por lo tanto Kx = Kp = Kx = 4.4

Utilizando la ecuación PV = nRT determinamos el valor de la presión total del sistema:

P = [(4mol)(0.082 atm-lt/molºK)(2000ºK)]/1 lt = 656 atm

Determinamos las concentraciones y presiones parciales en el equilibrio:

a) c)

Gas ni (mol) [ ] = n1/V (mol/lt) x1 = n1/nt Pi = xiPT (atm)

H2 0.52 0.52 0.13 85.28

CO2 0.52 0.52 0.13 85.28

H2O 2.4799 2.4799 0.619975 406.7036

CO2 2.4799 2.4799 0.119975 78.7036

4 mol 1 656 atm

2. Calcular las kilocalorías que se desprenden por la formación de 1 kg de ácido acético (CH3COOH) a 500 ºK

2C(s) + 2H2(g) + O2(g) CH3-COOH(l) HºR = ?

Datos:

SUSTANCIA Kcal/mol Cp (cal/molºK)

CO2(g) Hºf = - 94.05

H2O(l) Hºf = - 68.32

CH3COOH(l) Hºf = - 208.3 28.

H2(g) 6.952

O2(g) 6.085

C(s) 1.760

Solución:

Determinamos el valor de HR1, tomando en cuenta la siguiente reacción y aplicamos la ley de Hess, entonces:

CH3COOH(l) + 2 O2(g) 2 CO2(g) + 2 H2O(l)

Ahora calculamos HR2, por lo que necesitamos Cp

Entonces:

por lo tanto:

Considerando el valor de HR2 el valor calculado tenemos, que:

Por lo tanto X = - 1,956,123.03 cal o sea H = – 1,956 kcal es el valor que se desprende por la formación de 1 kg de ácido acético

I P N

U PI I C S A

Departamento de ciencias básicas

Academia de química

E.t.s. (programación libre) de fisicoquímica II. Turno matutino

El aire al inicio del proceso de compresión adiabática está a una presión de 1 atm y temperatura de 25ºC, es comprimido hasta una presión de 10 atmósferas; la transferencia de calor hacia el aire por unidad de masa desde el depósito de alta temperatura es de 150 kj/kg, la reacción de = 1.4, determine:

a. La transferencia del calor hacia el depósito de baja temperatura por unidad de masa de aire

b. El trabajo producido por el ciclo qT, ET y HT.

2. Calcular el calor de formación a volumen constante para el HCl(g) a 150ºC a partir de la siguiente información:

Ag2O(g) + 2HCl(g) 2AgCl(g) + H2O(l) Hº = - 77.61 kcal

2Ag(g) + ½O2(g) Ag2O(g) Hº = - 7.31 kcal

Ag(g) + ½Cl2(g) AgCl(g) Hº = -30.36 kcal

H2(g) + ½O2(g) H2O(l) Hº = - 68.32 Kcal.

Cp(HCl) = 6.27 + 1.24 10-3 T + 0.30 10-5 T2 cal/molºK

Cp(HCl) = 6.52 + 0.78 10-3 T + 0.12 10-5 T2 cal/molºK

Cp(HCl) = 8.85 + 0.16 10-3 T - 0.68 10-5 T2 cal/molºK

3. En la siguiente reacción en la que se produce ácido nítrico (HNO3)

3NO2 (g) + H2O 2HNO3 + NO(g)

Se ha determinado que reacciona el 24.5% de NO2 para llegar al equilibrio, el cual se obtiene a 20ºC y 1 atm de presión para una mezcla de 10 mol de NO2 y 90 mol de H2O que se someten a proceso, determine el valor de Kp, Kx y Kc.

4. Se desea conocer el pH de la solución resultante al mezclar 0.0803 m3 de NaCl 2.5 10-3 M con 0.0001 m3 de HCl 5 10-8 M.

Nota: P.M. Na = 23

2º. Examen Departamental De Fisicoquímica II. Turno Vespertino

1. Los calores de las reacciones siguientes a condiciones tipo son:

Na(s) + ½Cl2(g) NaCl(s) Hº = - 98,230 cal

H2(g) + S(s) + 2O2(g) H2SO4(l) Hº = - 193,910 cal

2Na(s) + S(s) + 2O2(g) Na2SO4(s) Hº = - 330,500 cal

½H2(g) + ½Cl2(g) HCl(g) Hº = - 22,060 cal

A partir de estos datos hallar el calor de reacción a volumen constante y 25ºC para el siguiente proceso:

2NaCl (s) + H2SO4(l) Na2SO4(s) + 2HCl(g)

2. Determinar la masa en Kg. de etano (CH3CH3) necesaria para operar una caldera que obtiene 1.2 toneladas / hora de vapor saturado, si la entalpía de vaporización del agua es de 9730 cal/mol y la temperatura de operación del quemador es de 1210ºC, a partir de los siguientes datos termoquímicos. Hc normal del CH3CH3 = - 890.34 KJ/gmol, Cp = a + bT + cT2

Compuesto (g) a b 103 c 10-5

CH3CH3 23.64 47.86 -1.92

O2 29.96 4.18 -1.67

CO2 44.22 8.79 -8.68

H2O 30.54 10.29 0

Considerar que la eficiencia en la transferencia de calor es del 82%

3. En un reactor de cinco litros, se colocan inicialmente 7.5 gramos de NO, 0.25 gramos de H2 y 2.7 gramos de vapor de agua. Al establecerse el equilibrio, el NO tiene una concentración de 0.025 mol/litro. La reacción que se lleva a cabo a 350ºC es:

2NO(g) + 2H2(g) N2(g) + 2H2O(g)

Calcular:

a. Kc, Kx y Kp b. A eficiencia de la reacción c. La composición en %mol y en % peso, de la mezcla en equilibrio d. Si en la alimentación no se numera incluido el vapor de agua podría hacer aumentado

la eficiencia de la reacción? En cualquier caso, explique la razón de su respuesta

4. La constante de equilibrio para el equilibrio de nitrógeno y amoniaco es de Kp = 0.0128 la reacción es como se muestra a continuación:

½N2(g) + 3/2H2() NH3(g)

Determine las presiones parciales de nitrógeno e hidrógeno en equilibrio, si la presión parcial del amoniaco es de 1 atm y con la condición de que:

a)

b) La presión parcial de NH3 aumenta al doble en el equilibrio y

1. En la obtención del amoniaco por el proceso Haber N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) a 500ºC y 500 atm de presión se obtiene un 61% por mol de amoniaco. En condiciones estándar el amoniaco desprende 11.03 kcal/mol al formarse.

a. ¿Cuánto calor deberá extraerse a 500ºC para que el proceso sea isotérmico?

CpNH3 = 6.189 + 7.787 10-3 T – 0.728 10-6 T2 cal/molºC

CpN2 = 6.449 + 1.413 10-3 T – 0.0807 10-6 T2 cal/molºC

CpH2 = 6.947 – 0.20 10-3 T + 0.4808 10-6 T2 cal/molºC

b. ¿Qué cantidad de moles se encuentran de cada componente al término de la reacción?

2. Calcular el calor de formación del Benceno a volumen constante y a 60ºC a partir de la siguiente información:

2C(s) + 2O2(g) 2CO2(g) Hº = - 188.04 kcal

2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) Hº = - 136.634 kcal

C6H6(l) + 7½O2(g) 6CO2(g) + 3H2O(l) Hº = - 780.98 kcal

Sustancia Cp [cal/molºK]

C(s) 0.423 + 0.1842 10-3 T

H2(g) 0.7765 + 0.10 10-3 T

C6H6 - 0.1787 + 16.24 10-3T – 9.02 10-6 T2

b) ¿Cuánto calor se debe suministrar para formar 250 libras de C6H6(l) a 60ºC?

3. Cuando se alimentaron en relación estequiométrica los reactivos a un recipiente de 4 litros y una temperatura de 250ºC la presión fue de 2.5 atm. Al verificarse la reacción

PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g)

Se llegó al equilibrio a la misma temperatura, por lo cual Kp = 0.555, calcular:

a. Las presiones parciales de cada sustancia en equilibrio b. Los gramos de Cl2 alimentados c. Los valores de Kc y Kx

4. Se tiene en un reactor ácido sulfhídrico H2S(s) a 750ºC y la presión inicial del ácido es de 12.2 atm y su Kc en el equilibrio es 1.03 10-3. La reacción que se realiza es:

H2S H2(g) + ½S(g)

a. ¿Cuál será la presión parcial del hidrógeno en el equilibrio? b. ¿Cuál será la presión máxima que tendrá que resistir el reactor?

1. Calcule la entalpía de formación estándar del N2O5 a 25ºC basándose en los siguientes datos:

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) Hº = - 114.1 kJmol-1

4NO2(g) + O2(g) 2N2O5(g) Hº = - 136.634 kJmol-1

N2(g) + O2(g) 2NO(g) Hº = - 780.98 kJmol-1

2. Los calores tipo de formación de la glucosa y del ácido y del ácido láctico, son – 304.5 y – 165.88 kcal/mol respectivamente. Los Cp para las 2 sustancias son 52.31 y 30.5 cal/gmol.

a. ¿Cuál es el calor de reacción a 25ºC para la formación del ácido láctico a partir de la glucosa?

b. ¿Cuál sería el valor que obtendría si la reacción fuese a 37ºC?

C6H12O6 2(CH3-C-COOH)

3. La entalpía de combustión del Naftaleno (C10H8) es de –5157 kJmol-1 a 25ºC del cuál es su entalpía de formación a esa temperatura ¿Cuál es el calor de la reacción a 400ºC?

C10H8(s) + 12O2(g) 10CO2 + 4H2O(g)

Compuesto (g) a b 10-3 c 105

C10CH8(s) -115.9 3920 0 ?

O2(g) 29.96 4.18 -1.67 0

CO2 44.22 8.79 -8.62 - 393.5

H2O 30.54 10.29 0 - 241.8

4. En un recipiente de 3 litros se colocan 0.5 moles de NO y 0.5 moles de H2, si en el equilibrio se determina que se tuvo un rendimiento de 60%, a) ¿Cuál es el valor de la constante Kc?

b) ¿Cuáles son la concentraciones en el equilibrio?

2NO(g) + 2H2(g) N2(g) + 2H2O(g)

c) Si después del equilibrio se colocan 0.5 moles más de H2 ¿Cuál será el rendimiento final?

5. Se hacen reaccionar inicialmente 10 gramos de etanol, 5 gramos de ácido acético, 5 gramos de acetato de etilo y 4.5 gramos de agua; si la reacción que se efectúa se representa como:

CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O

Y para cuando este proceso se lleva a cabo a 100ºC, Kc = 4.0, una vez que se logró el equilibrio se agregó accidentalmente 5 gramos de acetato de etilo. ¿Cuál será la composición en % peso en el nuevo equilibrio?

1. Determinar la cantidad de Kg de gas butano (C4H10) que se requiere para fundir 1000 kg de aluminio inicialmente a 20ºC.

Datos: Temperatura de fusión del aluminio 660ºC

Calor específico del aluminio 6.8 cal/gº

Calor de fusión del aluminio 2550 cal/mol

Calor desprendido por mol de butano quemado = 687.98 kcal/mol

2. A partir de las siguientes reacciones, que se lleva a cabo a condiciones estándar; calcular el calor de formación estándar del Fe2 O3 (s) y Fe O(s)

1.- Fe2 O3 (s) + 3C(s) 2 Fe(s) + CO3 (g) _ _ _ _ _ _ _ Hº = 117.31 kcal/mol

2.- Fe2 O (s) + C(s) Fe(s) + CO (g) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Hº = 37.7 kcal/mol

3.- C(s) + O2(g) CO2 (g) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Hº = -94.05 kcal/mol

4.- CO(g) + ½O2(g) CO2 (g) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Hº = -67.62 kcal/mol

3. Para la siguiente reacción:

4NH3(g) + 5O2(g) 4NO2 + 6H2O

a) Calcular el calor de reacción para 5 gramos de mol de NH3 si se conocen los siguientes datos:

Sustancia: H (kcal/mol)

NH3(g) -11.04

O2(g) 0.00

NO(g) 21.60

H2O(g) -57.80

b) ¿Cuánto calor se obtendrá del sistema de reacción por Kg de H2O(g) obtenida?

4. Calcular el calor de formación del C2H4(g) a 300ºK si se dispone de la siguiente información:

Hº (kcal)

C2H4(g) + 3O2(g) 2CO2(g) + 2H2O(l) - 337.30

H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) - 68.30

C(s) + O2(g) CO2(g) - 94.05

Cp [cal/molºK]

C(s) 2.673 + 2.617 10-3T + 0.1169 10-6T2

C2H4(g) 2.706 + 29.16 10-3T + 9.06 10-6T2

H2(g) 6.947 – 0.2 10-3T + 0.481 10-6T2

5. En un reactor que tiene un volumen de 3000 litros se introduce 420 kg/min de N2 e H2 con un exceso de 20% de la cantidad estequiométrica requerida. Si la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción es de 1500 ºK y tiene un grado de conversión del 60%,

a. ¿Cuál será el valor de Kc? b. ¿Cuál es la presión total del equilibrio c. ¿Cuáles son las concentraciones en el equilibrio? Reacción: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

6. Considere el siguiente sistema en equilibrio

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) HR = -41.18 kJ

En un reactor se carga inicialmente, una mezcla de 50% de vapor de agua y 50% de monóxido de carbono y una vez que el equilibrio se alcanza a 1000ºK, la composición de la mezcla es:

% mol CO2 = % mol H2 = 27.1

% mol CO = % mol H2O = 22.9

a. Calcular Kc, Kp y eficiencia de la reacción

b. A la misma temperatura, se repite el proceso pero esta vez con una carga inicial de 28 g de CO y 36 g de H2O ¿Cuál será la eficiencia de la reacción?

c. ¿Cómo se verá afectado este sistema, por cambios en la presión y en la temperatura, según el principio de Le Chartelier?

7. Al hacer reaccionar 2 gramos de H2(g) con 50 g de I2(g) se producen 30 gramos de HI(g), con los datos anteriores calcular:

a. La Kc b. Si aumenta la cantidad de I2(g) a 100 g ¿Cuál será el valor de HI producido?

Reacción: H2(g) + I2(g) 2HI

 

1. Una masa de 2 Kg. de oxígeno (O2) se expande mediante un proceso en el que se cumple la relación V/T = Cte., en donde la presión es de 172 kPa para un sistema de cilindro – émbolo, desde una temperatura de 32ºC hasta una temperatura de 182ºC. Calcular:

a) El calor requerido

b) El trabajo realizado (reversible)

c) El cambio de entalpía

d) El cambio de energía interna

e) El trabajo irreversible si la Pop = 1 atm.

NOTA: (1 105 Pa = 1 atm)

2. Una muestra de azúcar D – ribosa (C5H10O5) de 0.727 gramos fue quemado dentro de un calorímetro en presencia de oxígeno en exceso, la temperatura del calorímetro se elevó 0.910 ºK desde 25ºC. En otro experimento efectuado en el mismo aparato 0.825 gramos de ácido benzoico (C6H5COOH) que tiene un valor de energía interna de combustión conocido de 3251 kJ/mol, se incendiaron, con una elevación de temperatura de 1.94 ºK. Calcule para la D-ribosa:

a. La energía interna molar de combustión b. La entalpía molar de combustión c. La entalpía molar de formación de la D-ribosa

Reacción: C5H10O5(s) + 5O2(g) 5CO2(g) + 5H2O

3. A 250 ºC el valor de Kp es de 0.5555 para la reacción gaseosa PCL3 + Cl2 PCl5, calcular las presiones parciales y la concentraciones de todas la sustancias presentes en el equilibrio si se colocan inicialmente 41.7 gramos de PCl5 en un recipiente de 4 litros a 250 ºC.

4. Una solución 0.1 M de ácido hipocloroso (HOCl) reporta un pOH = 9.64, si la reacción se representa en la forma de HOCl + H2O H+

(ac) + OCl-(ac)

a) Demuestre mediante cálculos apropiados si es un ácido débil o fuerte

b) Calcule concentraciones de todas las especies iónicas para cuando la reacción concluya

c) Calcule el grado de ionización

d) Si demostró que el electrolito no es fuerte, también calcule el valor de la constante de ionización.

5. La descomposición de cierta sustancia "A" se representa por 2A(g) 2B(g) + C(g) al comenzar la reacción sólo se tiene A y su presión es de 1 atm, para seguir la cinética de la reacción se tomaron los valores de la presión total del sistema gaseoso a diferentes tiempos como se muestran en la siguiente tabla:

PT [mmHg] 936.55 1001.15 1034.51 1086.86

(min) 0.333 0.666 1.0 1.666

 

Calcular: a) el tiempo en el cual la presión total del sistema es de 1.3 atm

b) La composición del sistema en fracción molar de todas las sustancias presentes para el tiempo de reacción del inciso (a)

c) El tiempo de vida media

Academia De Química

E.T.S. (ORDINARIO) De Fisicoquímica II, Turno Matutino

1. Un mol de vapor de agua a 430 ºC y 390 lb/in2 se someten a los siguiente procesos reversibles.

a) Primeramente a una expansión en la que el trabajo es igual al calor generado cuyo valor es 9255.7 J

b) Seguidamente el vapor se enfría en ausencia de trabajo mecánico y el valor de la energía interna es de - 1280.60 cal

c) Posteriormente se enfría siguiendo la ecuación V/T = CTE, la entalpía en el proceso es de -840.5 J

d) De ahí se somete a una compresión en la que Q = 0 hasta una presión de 29.3 atm

e) Finalmente se realizó un proceso de enfriamiento donde Q = H y la energía interna es de -267 cal

Calcular:

1) Los valores de las variables de estado para definir cada proceso

2) La energía interna, entalpía, calor y trabajo para cada proceso

3) Explique si se trata de un ciclo o no, fundamente su respuesta

2. Calcular el calor que se genera por 10 kg de CO medido a condiciones estándar de temperatura y presión; si el proceso de combustión se realiza a presión constante y a una temperatura de 1400 ºC y se representa por la reacción:

CO(g) + ½O2(g) CO2(g)

Datos adicionales:

Sustancia Hfº (cal/mol) Cp (cal/molºK)

CO(g) - 26416 6.42 + 1.665 10-3 T – 1.96 10-7 T2

O2 -------------- 6.148 + 3.102 10-3 T – 9.23 10-7 T2

CO2(g) - 94051 6.214 + 10.396 10-3 T – 35.45 10-7 T2

3. La reacción de disociación del SO2Cl2 a la temperatura de 175 ºC se representa por la siguiente reacción:

SO2Cl2g) SO2(g) + Cl2(g) Kp = 12.95 atm

Si en un reactor de 10,000 litros se alimentan 19.5 kg del reactivo y la reacción se realiza a 175 ºC, cuando se llega al equilibrio, se desea que calcule:

a) Las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio

b) Las presiones parciales y total al analizar la reacción.

1. 4.91 moles de CO2 que se comportan como gas ideal son sometidos una serie de procesos termodinámicos reversible, como se menciona a continuación:

De un estado inicial de 30 ºC y 1.5 atm se comprimen mediante un proceso en el que E = -W hasta una presión de 3 atm, posteriormente el sistema absorbe 1200 calorías de calor en el que se cumple P/T = Cte., una vez alcanzado, el equilibrio la presión se reduce 1/3 mediante un proceso en el que P1V1 = P2V2, para que finalmente el sistema se expanda al doble del volumen por un proceso en el que Op = H, considerar Cp = 4.96 cal/molºK, calcular:

a) Escriba para cada cambio el tiempo de proceso que se trata

b) Los valores de P, V y T para cada estado termodinámico

c) Los valores de , Q, W y H para cada proceso

2. A partir de las siguientes reacciones y calores de reacción a 25 ºC

2C(s) + 2O2(g) 2CO2(g) H = -188.104 kcal

2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) H = -136.634 kcal

2C6H6(l) + 15O2(g) 12CO2(g) + 6H2O(l) H = -1561.96 kcal

Calcular:

El calor de formación molar para el Benceno (C6H6)

El calor de formación para 350 gramos de Benceno

El calor de formación molar a volumen constante para el Benceno a 100ºC si se sabe que Cp(C(s)) = 4.03 cal/molºK; Cp(H2(g)) = 6.52 cal/molºK; Cp (C6H6(l)) = 1.25 cal/molºK

3. Cuando se verifica la disociación del PCl5 a PCl3 y PCl2 en fase gaseosa, en un recipiente de 4 litros, se encontró que en equilibrio a 250 ºC la masa total de la sustancia presentes es de 41.7 gramos y su Kr = 0.042. Calcular:

a. La concentración de cada sustancia presente en el equilibrio b. Sus presiones parciales en el equilibrio

4. Cuando 0.025 gramos de Ba(OH)2 se diluyen con suficiente cantidad de H2O hasta que el volumen de la solución es de 3,000 litros, se presenta la siguiente disociación:

Ba(OH)2(ac) Ba++(ac) + 2OH-

(ac)

¿Cuál es el pH de la solución resultante?

5. Para la descomposición de cierta sustancia A Productos, se encontraron las fracciones descompuestas de A a diferentes tiempos como se indica a continuación:

Fracción descompuesta de A 0.148 0.274 0.382 0.551

(min) 20 40 60 100

Calcular: a) El período de vida media

b) La fracción de A no descompuesta para un tiempo de 1 hora 25 minutos.

1. Un mol de vapor a 426.6 ºC y 400 lb/in2 se someten a los siguientes procesos reversibles: a) primeramente a una expansión en la que el trabajo es igual al calor generado cuyo valor es 9350.66 Julios, b) Seguidamente el vapor se enfría en ausencia de calor mecánico y el valor de la energía interna es de –1278.26 cal, c) posteriormente se enfría siguiendo la ecuación V/T = Cte. (La entalpía en el proceso es de –838.5 Julios), d) de ahí se somete a una compresión en la que Q = 0 hasta una presión de 27.21 atm; posteriormente se realiza un proceso de enfriamiento donde q = H y la energía interna es de –257 cal. Obtener:

a. Los valores de la variables para definir cada proceso b. Las energías, entalpías, trabajo y calor para cada caso

2. Un intercambio de calor usa vapor que sale de una turbina para calentar aires en una planta de proceso. El vapor entra al intercambiador con un gasto másico de 1.2 kg/s, una presión de 200 kPa. El aire entra al intercambiador a 20ºC y 101 kPa y sale a una presión de 101 kPa. El gasto másico de aire es de 3 kg/s. Suponiendo que la superficie exterior del intercambiador está perfectamente aislado, calcular la temperatura del aire conforme abandona el intercambiador. Realice el diagrama de proceso. Datos: Hxvap = 164 kJ/kg.

3. cuando llegó al equilibrio la reacción N2O4 2NO2 a 25ºC y presión de 3.79 atm, en un reactor de 0.5 l, se determinó que las moles totales fueron de 0.07763 y el contenido del NO2 de 14.34 %mol. Calcular:

a) los gramos del reactivo alimentados

b) La composición en %mol, cuando se efectúa otro experimento a 25 ºC en el mismo reactor, al iniciar la reacción con 0.20 moles de NO2.

4. Cuando se preparó una solución de CH3COOH a 25ºC son 300 g del soluto y suficiente cantidad de agua hasta que el volumen es de 350 litros, se le adicionaron 20 litros de CH3COONa 0.0025 M, se sabe que a 25ºC la Ka = 1.8 10-5, por lo tanto calcule:

a) El pH de la solución final

b) ¿Qué es el efecto de ion común?

c) Teóricamente mencione lo más claro posible la diferencia de comportamiento entre el ácido de este ejercicio contra una disolución del ácido triprótico H3PO4.

1. Una mol de un gas monoatómico realiza el siguiente ciclo reversible:

Calcule para cada etapa y para el ciclo completo Q, W, E y H.

2. Con el calor generado por la combustión de 85 kg de propano (C3H8) a una temperatura de 500ºC ¿Cuánta agua se evaporará si previamente se calentó a su punto normal de ebullición y

se sabe que la eficiencia de transferencia de calor es del 80%?

Datos adicionales:

Sustancia Hfº (cal/mol) Cp (cal/molºK)

C3H8(g) - 24.82 2.41 + 57.195 10-3 T – 1.75 10-5 T2

CO2(g) - 94.051 10.57 + 2.1 10-3 T – 2.06 10-5 T2

H2O(g) - 57.798 7.3 + 2.46 10-3 T

O2(g) -------------- 6.117 + 3.167 10-3 T – 1.0 10-5 T2

3. Para la reacción gaseosa PCl3 + Cl2 PCl5 a 250ºC el valor de Kp = 0.555. Si en un recipiente de 4 litros a 250 ºC se colocan 41.7 gramos de PCl5 para iniciar la reacción. ¿Cuál será la nueva composición en % mol, si a la reacción en equilibrio se modificó reduciendo la presión total del sistema en 1/3 de su valor?

4. Se estima que con 175 mg de cloruro de amonio (NH4Cl) mezclados con 750 ml de solución de hidróxido de amonio NH4OH 0.2 M se obtiene una solución con un pH de 10.45 que servirá para calibrar un potenciómetro.

a) Demuestre por medio de los cálculos correspondientes si esto es correcto o no

b) En cualquier caso, exprese un comentario al respecto

5. Los siguientes datos se obtuvieron en la descomposición de una muestra de N2O5 a 45ºC al desarrollarse la siguientes reacción: 2N2O5 4NO2 + O2

(seg) 0 184 319 526 867 1198 1877 2315

O2 mol/lt 0 0.125 0.21 0.33 0.485 0.61 0.805 0.89

Si la concentración inicial del N2O5 es de 2.33 mol/lt, determinar:

a) El orden de reacción y la constante cinética

La concentración del NO2 a los 15 minutos.

1. Un ciclo de energía o potencia de Carnot trabaja con 0.908 kg de aire entre los límites de temperatura de 21.1 ºC y 260 ºC. La presión al inicio de la expansión isotérmica es de 28.1 kg/cm2 y al final es de 13 kg/cm2. Después sigue un proceso adiabático de expansión lenta hasta 2 kg/cm2, posteriormente hay una compresión isotérmica hasta 4 kg/cm2. Considere gas ideal y procesos reversibles, y que la composición del aire es 21% mol O2, 79% mol N2.

a) Determine el volumen final de la compresión isotérmica

b) Determine calor, trabajo, energía y entalpía para el ciclo

c) Si el ciclo fuera irreversible, calcular la eficiencia del ciclo comparada con el ciclo reversible

2. Determinar la cantidad necesaria de gas natural (92% CH4) por cada kg de vapor de agua sobrecalentada producida a 350ºC a partir de agua líquida a 20ºC. El calor latente de vaporización a 100ºC es de 540 cal/g, la transferencia de calor tiene una eficiencia del 100% y la reacción de combustión se lleva a cabo a 1500ºK

Reacción CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

Datos adicionales:

Sustancia Hfº (kcal/mol) Cp = a + bT (cal/molºK)

CO2(g) - 94.052 6.214 + 10.396 10-3 T

H2O(g) - 57.800 7.256 + 2.298 10-3 T

CH4(g) - 17.889 3.381 + 18.044 10-3 T

H2O(l) -------------- 18.0

3. Para el equilibrio 2NOCl(g) 2NO(g) + CL2(g), Kp = 1.7 10-2 a 240ºC. Si 0.0133 moles de NOCl puro se calienta a 240ºC de tal forma que se obtenga en el equilibrio una presión parcial de 0.0714 atm para el NO ¿Cuáles serán las presiones parciales para el Cl2 y el NOCl asi como la presión total?

4. Llene los espacios vacíos de la siguiente tabla, cada línea (a, b, c, d) se refiere a una solución diferente.

Solución Temperatura (ºC) [H+] [OH] pH

a) 25 1 10-6

b) 25 4.52

1.- 59 gramos de gas con un peso molecular de 40 gramos/mol se encuentran inicialmente a 25 ºC y 3 atmósferas, dicho gas se somete a los siguientes procesos consecutivos.

Primero se calienta isobáricamente hasta que el volumen alcanza 3.5 veces su volumen inicial, después se comprime adiabáticamente hasta la mitad del volumen inicial, en seguida el volumen se mantiene constante hasta una temperatura de 300 ºK y finalmente se realiza un proceso isotérmico hasta alcanzar una presión de 2 atm.

Considere que el Cv = 3/2 R y determine:

a. El trabajo, calor, energía interna y entalpía de cada proceso y los totales b. Elabore el diagrama P v.s. V correspondiente

2. Calcule el calor de reacción a volumen constante que resulta de reaccionar 600 gramos de metano a 250 ºC de acuerdo a la siguiente reacción en estado gaseoso:

Sustancia Hf (kCal/mol) 103 107

CH4 -17.889 3.422 17.845 -41.65

CH3CH3 -20.236 1.375 41.852 -138.27

H2 ----- 6.947 -0.199 4.208

3.- Para el equilibrio 2 NOCl 2 NO + Cl2 en estado gaseoso Kp = 1.7 10-2 a 240 ºC. Si 0.0133 moles de NOCl puro se calientan a 240ºC de tal forma que se obtenga en el equilibrio una presión parcial de 0.01714 atm para el NO. ¿Cuáles serán las presiones parciales para el Cl2 y el NOCl así como la presión total?

4. al mezclar 1200 ml de ácido nítrico (HNO3) 0.01135 M con 875.25 ml de hidróxido de sodio (NaOH) 0.0078 M se obtiene una nueva disolución.

Determine:

a. El pH de la solución resultante b. El pOH de cada solución

5. En un celda electrolítica formada por hierro (Fe) y el otro de cobre (Cu) sumergidos en una solución de sulfato de cobre (CuSO4) se hace pasar una corriente de 2.5 Amperios durante un tiempo de 0.2 hr.

a. Determine la celda electrolítica indicando cual es el cátodo y el ánodo b. Escriba las reacciones que se llevan a cabo en los electrodos c. Determine la masa de cobre depositada

P.A. O: 16 N:14 N:1 S:32 H:1 Cl:35.5 Cu:63.5 Fe:56 Na:23

1.- Conociendo las siguientes ecuaciones termoquímicas

H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) Hº = -57.80 kcal/mol

6CO2(g) + 3H2O(l) C6H6 + 15/2 O2(g) Hº = +757.5 kcal/mol

y que el calor de combustión del ciclo de hexano (C6H12(g)) es de –881.67 kcal/mol. Calcular la entalpía de la siguiente reacción a condiciones tipo

C6H6(l) + 3H2(g) C6H12(g).

2. Un horno industrial de flujo estable es diseñado para operar con gas metano (CH4) a una presión constante de 1 atmósfera. El gas metano entra al horno a 25ºC y se mezcla con oxígeno a la misma temperatura reaccionando según la reacción

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l)

Obteniéndose los gases de combustión a 400 ºK. El horno está diseñado para tener una relación de transferencia de calor de 47.8 kcal/seg. Calcule el gasto de CH4 necesario

El Cp está dado de acuerdo a la expresión Cp = a + bT + cT2 (cal/molºK)

Datos Hºf (kcal/mol) a b c

CH4 -17.889 3.38 18.04 10-3 - 4.30 10-6

O2 --------------- 6.148 3.102 10-3 - 0.92 10-6

CO2 - 94.051 6.214 10.396 10-3 -3.54 10-6

H2O - 31.83 7.256 2.29 10-3 0.283 10-6

3.- Cuando 1 mol de PCl5 se disocia, se encontró que en el equilibrio la temperatura es de 487ºC, la presión de 1 atmósfera y el contenido de Cl2 de 20% en volumen; si la reacción que se efectúa se representa por PCl5 PCl2(g) + Cl3(g). Calcular el Porciento del PCl2 que reacciona si a la mezcla de equilibrio se el adiciona 0.5 moles de Cl2 considerar que el volumen y la temperatura permanecen constante.

4. el metanol (CH3OH) puede ----------- de acuerdo con la reacción

CO(g) + 2H2(g) CH3OH H = -21.67 kcal/mol

Para esta reacción Kc = 1.377 a 127ºC

a. Calcular la producción en equilibrio de metanol, cuando reaccionan 1 kmol de CO y 2 kmol de H2 a 127ºC y 5 atmósferas

b. ¿Qué recomendación haría para que se incremente el rendimiento de la reacción por los dos factores que pueden modificar el equilibrio? (Why?)

1.- En una planta de hidrógeno utiliza el proceso de Bosch para producir 400 kg de hidrógeno por hora en base a la reacción:

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)

Los reactivos entran a 25ºC y los productos salen del lecho catalizador a 900 ºF. Todo el montaje del reactor está rodeado por un cubierta de agua. ¿Qué cantidad de calor se tiene que eliminar con agua de enfriamiento cada hora?

Compuesto Hºf (cal/mol); Cp = a + bT + cT2 (cal/molºC)

Datos Hºf (cal/mol) a b c

O2 --------------- 6.52 0.78 10-3 0.12 10-5

CO2 - 94051 10.57 2.1 10-3 -2.06 10-5

H2O - 57.798 7.30 2.46 10-3

CO - 26416 6.79 0.98 10-3 -0.11 10-5

2.- Para la disociación del N2O4(g) 2NO2(g) la Kc = 0.211 a 100ºC. Calcular las concentraciones y la presiones parciales en el equilibrio de productos y reactivos manteniéndose la misma temperatura y usando un reactor de 325 ml donde inicialmente se coloca 1 gramos de N2O4

3.- Para la obtención de Cl2 se tiene la siguiente reacción:

4HCl(g) + O2(g) 2Cl2 + 2H2O(g)

Se tiene una corriente de HCl y aire con la composición en % volumen de (15.0 Hcl, 51.35 N2 y 33.6 O2) la cual en equilibrio tiene 6% de Cl2 en volumen. Calcular:

a. La composición de la mezcla en equilibrio a 350ºC y 1 atmósfera b. El valor de Kc y de Kp

4.- La oxidación de SO2 a SO3 se efectúa en fase gaseosa según la reacción:

SO2 + ½ O2 SO3 a 610ºC

La constante de equilibrio Kp es de 8.5. Para realizar la conversión a SO3 se alimenta un reactor catalítico con un gas que proviene de quemadores de azufre y que contiene 12% de SO2, 8% mol de O2 y 80% mol de N2. Si la conversión del SO2 a SO3 es del 90%. Determinar la presión de equilibrio.

1.- La obtención del metanol es posible mediante la siguiente reacción:

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)

El sistema opera a una temperatura de 355 ºC y a una presión de 46 atmósferas. Calcular la cantidad de calor que debe removerse del reactor, si se obtienen 96 toneladas/día de metanol, usando los siguientes datos termoquímicos

Datos Hºf (cal/mol) Cp (kJulio/mol)

CH3OH(g) - 238.64 40.25 + 8.30 10-3T - 0.25 10-5T2

H2 ---------------- 27.28 + 3.26 10-3T - 0.50 10-5T2

CO - 110.52 28.41 + 4.10 10-3T - 0.46 10-5T2

2.- Calcular H a 427 ºC para la producción de 1 tonelada de NH3

Datos: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Hºf = 92.42 kilo Julios

Cp N2 = 6.5421 + 1.251 10-3T

Cp H2 = 6.9469

Cp NH3 = 6.1890 + 7.887 10-3T – 7.2801 105T-2

NOTA: El Peso atómico del Nitrógeno es 14 y del hidrógeno es 1.

¿Qué cantidad de agua podría elevar su temperatura desde 20 hasta 90ºC aprovechando el calor generado en la producción de 1 tonelada NH3 a 427 ºC?

Cp H2O = 1 cal/gºC H2O = 0.997 kg/lt

3.- Considere el siguiente sistema en equilibrio:

CO(g) + H2O CO2(g) + H2(g) Hrº = - 41180 Julios

En un reactor de volumen V (litros), se carga inicialmente una mezcla de vapor de agua y monóxido de carbono. Una vez que se alcanza el equilibrio a 1000 ºK la composición de la mezcla es:

Sustancia CO2 H2 CO H2O

% mol 27.1 27.1 22.9 22.9

P.M. 44 2 28 18

a. Calcule Kc, Kp y la eficiencia de la reacción b. ¿Qué cantidad de CO2 se obtiene por cada kilogramo de CO? c. Como se va afectando este sistema por cambios en la presión y en la temperatura,

según el principio de Le Chatelier d. A la misma temperatura, se repite el proceso con un carga inicial de 28 gramos de CO

y 36 gramos de agua. ¿Cuál será la eficiencia de la reacción?

4.- Para la reacción PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g) el valor de Kc es de 3 a 300 ºC. Si en un sistema cuyo volumen es de 17.5 litros la reacción se inicia con 104.25 gramos de PCl5 y la temperatura de 300ºC. Calcular:

a. Las concentraciones de las sustancia presentes en el equilibrio b. Las presiones parciales de las sustancia en el equilibrio

u1. Los calores de las reacciones siguientes a condiciones tipo son:

Na(s) + ½Cl2(g) NaCl(s) Hº = - 98,230 cal

H2(g) + S(s) + 2O2(g) H2SO4(l) Hº = - 193,910 cal

2Na(s) + S(s) + 2O2(g) Na2SO4(s) Hº = - 330,500 cal

½H2(g) + ½Cl2(g) HCl(g) Hº = - 22,060 cal

A partir de estos datos hallar el calor de reacción a volumen constante y 25ºC para el siguiente proceso:

2NaCl (s) + H2SO4(l) Na2SO4(s) + 2HCl(g)

2. ¿Cuál será la cantidad de calor de la reacción indicada para una temperatura de 250 ºC, dados los siguientes datos?

Reacción: H2(g) + ½ O2(g) H2O(g)

Compuesto (g) Hºf kcal/mol a b 103 c 107

H2 ----------- 6.947 -0.199 4.808

O2 ----------- 6.095 33.253 -10.171

H2O - 57.798 7.219 2.374 2.67

3. ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio en función de las concentraciones para un 35% de conversión cuando se introducen cantidades estequiométrica re reactivos en un reactor de 2 litro?

½ N2(g) + 3/2 H2(g) NH3(g)

4. A una temperatura dada se colocaron 1.80 gramos de agua y 5.68 gramos de Cl2 en un matraz de 2 litros estableciéndose el equilibrio de la reacción:

2H2O(g) + 2Cl2 4HCl(g) + O2(g)

La presión total fue de 2 atmósferas. Se descubrió que en el equilibrio, la concentración de O2 era de 0.48 gramos/litro. Calcular:

a. Kc b. Kp c. La presiones parciales en el equilibrio

1.- Los calores de formación de la glucosa y del ácido láctico a 298 ºK son –304.60 y –165.88 respectivamente. Las capacidades caloríficas de las dos sustancia son 52.31 y 30.5 cal/ºmol.

a. ¿Cuál es el calor de reacción a 25ºC para la formación del ácido láctico a partir de la glucosa?

b. ¿Cuál sería el valor que se podría estimar para este calor de reacción si este procediese a la temperatura fisiológica de 37.5ºC?

C6H12O6 2(CH3 – CH – COOH)

Glucosa |

OH

2.- a) Determine el calor de combustión del propano a 500 ºC a partir de la siguiente información:

Sustancia Hfº (kcal/mol) Cp (cal/molºK)

C3H8(g) - 24.820 2.410 + 57.195 10-3 T – 1.753 10-5 T2

CO2(g) - 94.051 10.57 + 2.1 10-3 T – 2.06 10-5 T2

H2O(g) - 57.798 7.3 + 2.46 10-3 T

O2(g) -------------- 6.117 + 3.167 10-3 T – 1.0 10-5 T2

b) Con el calor generado por la combustión a 500ºC, ¿Cuánta agua se evaporará si éste se encuentra en su punto normal de ebullición, y la eficiencia de transferencia de energía es del 85%?

Nota: Hv H2O = 429 cal/gramos

3.- En la obtención del amoniaco en un reactor de 15 litros de capacidad y 400ºC se introdujeron 28 gramos de N2 y 2 gramos de H2. La presión de equilibrio es de 3 atmósferas. Se encontró que la mezcla de equilibrio contenía 17.8% de NH3. Calcular:

a. Kc b. Kp c. Las concentraciones de cada componente en el equilibrio d. Las presiones parciales de cada componente en el equilibrio

4.- Para la reacción N2O4(g) 2NO2(g), Kp = 1.352. Si se alimentan 92 gramos de NO2(g) a 55ºC y se sabe que en el equilibrio la presión es de 3 atmósferas, en un reacote cuyo volumen es de 2 litros:

a. Determinar la composición del sistema en % vol en el equilibrio b. ¿Qué efecto tendría en la mezcla de equilibrio si la presión se disminuye la mitad?

1.- Se tienen 300 litros/horas de una solución de desperdicio al 14% en peso de ácido Clorhídrico con una temperatura de 45ºC, por norma ecologista no es permitido arrojar al caño soluciones ácidas o alcalinas, por lo que habrá que neutralizar la solución con NaOh al 18% en peso que tiene una temperatura de 30 º C, esto con el fin de evitar ser multado según los artículos ecologistas del Diario Oficial de la Federación.

a. Calcule la cantidad de calor generado en el proceso b. Si la temperatura máxima permitida en los efluentes de salida de las plantas es de

32ºC, calcule si es necesario agrega el agua fría (20ºC) al producto de la neutralización y cuanta. Reporte los resultados por hora/por día

Densidad solución alcalina = 1.1 g¨/cm3 Calor neutralizado = -13,600 calorías

Densidad solución ácida = 0.1 g /cm3 Cp Solución ácida = 1.05 cal/g ºC

Densidad del agua Cp Solución alcalina = 1.06 cal/g ºC

Cp Agua = 1.0 cal /g ºC

2. Obtenga la ecuación que represente la síntesis del H2SO4 a partir del azufre, oxígeno e hidrógeno (reacción de formación) y calcule el calor de formación a volumen constante a condiciones tipo, con la siguiente información disponible

Hºr (kcal)

a. S(s) + O2(g) SO(g) -71.03

b. SO3(g) SO(g) + ½ O2(g) 95.38 c. SO3(g) + H2O(g) H2SO4(l) -24.96 d. H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) -67.83

3.- Se cuenta con un reactor de oxidación catalítica para obtener bióxido de carbono de acuerdo a la siguiente reacción: CO(g) + ½ O2(g) CO2(g)

Si el reactor opera a P = 3.6 kg/cm2 (manométrica), T = 1250ºC

Calcular el calor que se requiere agregar o eliminar del reactor por cada kg de CO2(g) que se produce (indicar claramente se agrega o elimina calor y porqué)

Cp = a + bT + cT2 (cal/molºK)

a b 103 c 107

CO(g) 6.42 4.65 -1.96

O2(g) 6.148 3.02 -9.23

CO2(g) 6.214 10.296 -35.45

4.- Para la reacción:

Q(g) 2R(g) + 3S(g)

Se tiene que las concentraciones en el equilibrio son:

[ Q ] = 4.0

[ R ] = 4.0

[ S ] = 6.0

determine el valor de Kc, la concentración inicial de Q y el rendimiento de la reacción.

1.- La obtención industrial del carbonato de calcio (CaCO3)(g) se hace por medio del óxido de calcio (CaO)(s) y bióxido de carbono (CO2)(g)

a. Obtener el calor desprendido al obtenerse 50 toneladas de CaCO3(s) a 25ºC b. Si la reacción se llevara a 500ºC ¿Qué cantidad de calor sería el necesario para

producir las 50 toneladas de CaCO3(s)?

Calores de formación de CaO(s), CO(s) y CaCO3(s)

Hºf (k Julios)

Ca(s) + O2(g) CaO(s) -636

C(s) + O2(g) CO2(g) -394

Ca(s) + C(s) + 3/2 O2(g) CaCO3(s) -1210

Cp CaO(s) 11.67 + 1.03 10-3 T – 1.56 10-5 T2 cal/molºK

Cp O2(g) 7.16 + 1 10-3 T – 0.40 10-5 T2 cal/molºK

Cp CaCO3(s) 24.98 + 5.21 10-3 T – 6.20 10-5 T2 cal/molºK

2.- Cuando el 55% del calor liberado por la combustión de una cierta cantidad del C2H6 a 500ºC se utiliza para obtener 2000 g/min de vapor de agua, de H2O que se dispone inicialmente a 26ºC, calcular el costo en $/día de combustible (C2H6) gastado para calentar y evaporar el agua.

Sustancia Hfº (kcal/mol) Cp (cal/molºK)

C2H6(g) - 02.035 2.247 + 38.201 10-3 T

CO2(g) - 94.051 10.57 + 2.1 10-3 T – 2.06 10-5 T2

H2O(g) - 57.798 7.3 + 2.46 10-3 T

O2(g) -------------- 6.117 + 3.167 10-3 T – 1.0 10-5 T2

Hºv H2O = 540 cal/gramo, P.A. O = 12, H = 1

3.- La reacción de CH3COOH(l) + C2H5OH(l) CH3COOC2H5(l) + H2O(l) tiene una Kc = 3, cuando se verifica a 50ºC y 1 atm. Si se alimenta en cantidades estequiométrica los reactivos a un reactor de cuatro litros de capacidad, calcular:

a. La composición en %peso de la mezcla en equilibrio b. Kp para dicha reacción c. Las moles de alcohol etílico que no reacciona

4.- A un reactor de 35 litros de capacidad que opera a una temperatura de 450ºC, se introduce una cierta cantidad de HI, por lo que la presión resulta ser de 6.77 atm. La reacción gaseosa que se realiza en el sistema es: 2HI(g) H2(g) + I2(g); cuando se llegó al equilibrio se determinó que el contenido de HI dentro de la mezcla de gases es del 20% mol, calcular:

a. La composición en el equilibrio en %mol b. El calor de Kc y Kp para la reacción c. La concentración molar del I2 en el equilibrio d. El % de disociación del HI al alcanzar el equilibrio e. Las presiones parciales en el equilibrio f. Los gramos de HI que no reaccionan

P.A. Yodo (I) = 126.91 Hidrógeno (H) = 1

1.- La expansión de 30 litros/segundo que está a 50ºC y 5 atm, tiene lugar en dos etapas consecutivas. En la primera, la transferencia de calor es igual al trabajo desarrollado, siendo el volumen final el doble del inicial y el proceso es reversible. En la segunda etapa, el trabajo desarrollado es igual a la disminución de la energía interna del sistema, bajando su presión al final a una tercera parte de la inicial de esta segunda etapa.

Determinar los valores de Q, W, E y H para las dos etapas, suponiendo que la segunda etapa es: a) Reversible, b) Irreversible

Cp (aire) = 6.86 cal/molºK P.M. (aire) = 29 g/mol

2.- El ciclamato de sodio (C6H12NSO3Na) se usa como edulcorante, sin embargo su uso es restringido en otros países por se cancerígeno, en la combustión de dichos producto se liberan 770 kcal/mol

a. ¿Cuál es la entalpía de formación del ciclamato sódico? b. ¿Cuántos gramos de ciclmato sódico generarán por combustión el mismo calor que un

gramos de sacarosa?

C6H12NSO3Na(s) + 10¼ O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(g) + NO2(g) + ½Na2SO4(g) + ½SO3(g)

Combustión sacarosa

C12H22O11(s) + 12O2(g) 12CO2(g) + 11H2O(g)

Datos Adicionales

Hºf kcal/mol Hºf kcal/mol

CO2(g) -94.05 Na2SO4(g) -330.82

H2O(g) -57.8 SO3(g) -94.39

NO2(g) 7.56 C12H22O11 529.7

3.- El ácido sulfhídrico (H2S) se forma de las descomposiciones orgánicas. A 750ºC su constante de disociación Kc = 1.03 10-3 para la reacción H2S(g) H2(g) + ½S2(g)

a. ¿Cuál será la presión parcial del hidrógeno en un reactor, donde la presion inicial del H2S es de 12.2 atm?

b. ¿Cuál será la presión máxima que tendrá que resistir el reactor?

4.- Un recipiente de 6 m3 de capacidad contiene el 65% de su volumen de una solución de 0.0015 M de ácido fórmico (HCOOH), con = 1.11 g/ml, la cual está disociada en un 3.4%. Si se evapora 1,800 litros de H2O (solvente), considerar que la densidad se mantiene igual, calcular:

a. El pH de la solución concentrada b. El nuevo grado de disociación c. ¿Cómo demostraría que se trata de ácido débil?

5.- La siguiente reacción hipotética: A L + 3Z, se llevó a cabo partiendo de una concentración inicial de A de 15 mol/litro; el avance de la reacción se determinó conociendo las concentraciones molares del producto Z según los siguientes datos cinéticos:

[Z] mol/litro 5.4 13 18 21 25 27

(min) 10 30 50 70 90 100

Determinar: a) El orden y la constante cinética

b) ¿Cuál será la concentración de litros a los 120 min?

1.- Para un expansor centrífugo adiabático que maneja en forma irreversible 22.7 kg/min de aire desde 50 lb/in2 absolutas y 119 ºC hasta 14 lb/in2 y 26.7ºC, con un eficiencia del 80% con respecto del proceso reversible. Calcular:

a. El trabajo de expansión b. Demostrar si el proceso es completamente adiabático

c. Si el proceso no es completamente adiabático, determine la temperatura final del agua que pasa por un camisa de enfriamiento, que maneja 6.81 kg/min de agua con una temperatura inicial de 23.5ºC

Cp H2O = 1 kcal/kg ºK Cp (aire) = 7 cal/molºK

2.- La descomposición catalítica del alcohol metílico (CH3OH(l)) en CO(g) e H2(g)

CH3OH(l) CO(g) + 2H2(g)

Se desarrolla en condiciones de equilibrio a 190ºC y 760 mmHg

A partir de la siguiente información:

2H2O(l) = 2H2(g) + O2(g) Hº = 136656 calorías

CO(g) + ½O2(g) = CO2(g) Hº = -67623 calorías

2H2O(l) + CO2(g) = CH3OH(l) + 3/2O2(g) Hº = 182580 calorías

Cp H2 = 6.5 + 0.0009 T cal/molºK

Cp CO = 6.5 + 0.001 T cal/molºK

Cp CH3OH = 2 + 0.03 T cal/molºK

Determine el calor involucrado en la reacción a las condiciones de equilibrio considerando que reactivo y productos están a la misma temperatura.

1.- Una mol de gas ideal es comprimida adiabáticamente con una presión constante de oposición igual a 10 atm. Inicialmente el gas está a 27 ºC y 1 atm de presión final es de 10 atm. Calcular Q, W, E y H cuando el proceso se realiza en:

a. Una sola etapa b. Un número infinito de etapas

Considere que Cv = 5/2 (R)

2.- A partir de las siguientes reacciones a 25 ºC

Fe2O3(s) + 3 C (grafito) 2 Fe(s) + 3 CO(g) Hº = 117.3 kcal

FeO(s) + C (grafito) Fe(s) + CO(g) Hº = 37.3 kcal

C (grafito) + O2(g) CO2(g) Hº = -94.05 kcal

CO2(g) CO(g) + ½O2(g) Hº = 67.63 kcal

Determine los calores de formación a presión y a volumen constante para el Fe2O3(s) y el FeO(s)

3.- En un recipiente de 3.75 litro y a una temperatura de 290 ºC se introducen 0.23 moles de PCl5, llevándose a cabo la reacción PCl5 PCl3 + Cl2 (fase gas) para la reacción y a esa temperatura Kp = 1.8

¿Cuál será la composición en % mol después de que la presión total en el equilibrio se duplica?

4.- Calcular los gramos de acetato de sodio (CH3COONa) que deben estar disueltos en 25 litros de una solución Buffer qye es 0.0148 M con respecto al CH3COOH y "x"M con respecto al acetato de sodio. Se sabe que el pH de la solución buffer es de 4.75 y la Ka = 1.8 10-5.

5.- La descomposición de una sustancia se representa a partir de la siguiente ecuación:

A(g) B(g) + C(g) + D(g)

Los datos cinéticos que se obtienen después de que la presión inicial del reactivo es de 311.98 mmHg, se reportan como incrementos de presión en el sistema

(hora) 0.1083 0.2147 0.3317 0.8937

Icremento de P (atm) 0.126 0.232 0.33 0.615

a. Demostrar de qué orden es la reacción b. El tiempo de vida media

1.- En una refinería el evaporador de una torre de destilación calienta una mezcla de hidrocarburos de 40 a 80 ºC y de la última temperatura se evaporan; para los hidrocarburos el Cp = 3.68 cal/molºK y el calor latente de vaporización de 300 cal/mol; si la columna opera con 20000 kg/hr de la mezcla de hidrocarburos, calcular el Porciento de vapor de H2O usado como medio de calentamiento en la columna, si la refinería cuenta con un sistema de calderas que produce 250000 kg/hr de vapor ( Hv H2O = 539 cal/gramo)

2.- Vapor de peróxido de hidrógeno (H2O2) entra a un intercambiador de calor a 10 atm y 70ºC donde se efectúan la reacción a 600 ºK descomponiéndose en vapor de agua (H2O) y oxígeno, según la reacción H2O2(g) H2O(g) + ½O2(g)

El H2O(g) y el O2(g) salen del intercambiador de calor a 10 atm y 600 ºK y entran a una turbina perfectamente aislada en donde se expanden hasta una presión de 1 atm y 300 ºK. Determine:

a. La transferencia de calor al efectuar por mol de H2O2 en el cambiador de calor al efectuar la reacción

b. El trabajo desarrollado en la turbina, si el Cp de la mezcla de H2O(g) y O2(g) es de 6.8 cal/molºK.

Gas Hºf (cal/mol) Cp (cal/molºK)

H2O2 -31830 7.7

H2O -57797 7.25

O2 6.14

3.- En un recipiente vacío se introduce inicialmente PCl5(g) y se encontró que en el equilibrio la mezcla gaseosa contiene 35% en volumen de PCl3(g) a las condiciones de 250ºC y 2 atm. Calcular El % de PCl5 que se disociará si el sistema en equilibrio modifica su presión total a 0.2 atm, manteniendo la temperatura constante, la reacción que se efectúa es:

PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)

4.- De una solución 0.2 N de HCN y con pH = 6 se toman 100 ml, los cuales son diluidos con 900 ml de H2O ¿Cuál es el pOH de la nueva solución y cómo demostraría con cálculos si la solución corresponde a una electrolito fuerte o débil?

5.- Se ha encontrado que la cinética de una reacción se efectúa a una velocidad constante de 0.45 mol/lt seg. Si la reacción se inicia con 0.09 kg de una sustancia cuyo PM = 50 g/mol, contenida en un volumen de 1.5 litros, calcular:

a. El tiempo de vida media b. ¿Qué concentración se tendrá a los 5 minutos de iniciada la reacción?

Instrucciones:

1. Resuelva en la hoja de respuestas cada uno de los puntos que se le formularán

2. El peso atómicos de los elementos esta al final de la hoja

Práctica Nº3

a. ¿Cómo resulta ser el vapor de Qp con respecto al de Qv y a qué función termodinámica corresponde Qp?

b. ¿Por qué se agrega 1 ml de agua destilada dentro de la bomba? c. Durante la experimentación en la determinación del calor de combustión, se registraron

los siguientes datos:

o masa de naftaleno (C10H8) ---------------- 0.8g o longitud del alambre fusible -------------- 10 cm o capacidad del alambre --------------------- 2.3 cal/cm o volumen de agua en la cubeta ------------ 2000 ml o temperatura inicial ------------------------- 21 ºC o temperatura final --------------------------- 22.5 ºC o K calorímetro ------------------------------- 420 cal/ºC

Calcule: a) el calor molar de combustión a Vcte; b) El calor molar de combustión a Pcte

Reacción: C10H8(s) + 12 O2(g) 10 CO2(g) + 4H2O(l)

Practica Nº4

a. Enuncie el principio de Le Chatelier-Braun b. ¿Si en el experimento, se hubiese agregado más ácido acético, el valor de Kc

se modifica? c. Se hacen reaccionar 28.5 ml (30g) de ácido acético (CH3COOH) con 32 ml

(25.5 g) de etanol (CH3CH2OH) y 0.5 ml de H2SO4 como catalizador

Reacción: CH3COOH + CH3CH2OH CH3COOCH2 CH3 + H2O

Datos experimentales:

- volumen de NaOH 1 M requerido para titular la alícuota (10 ml) de producto final --- 36 ml

- volumen de NaOH 1 M gastado en la titulación de 0.5 ml de H2SO4 --------------------- 18 ml

Determine: a) El ácido acético remanente, b) La constante de equilibrio

c) La eficiencia de la reacción

Practica Nº5

a. ¿Qué importancia tiene para un Ingeniero Industrial conocer el concepto de pH y sus aplicaciones? Explique

b. ¿Cuál es la diferencia entre un electrolito fuerte y uno débil? c. ¿Cuál de la siguientes sustancia tiene mayor acidez? Justifique su respuesta

con los cálculos necesario para determinar el pH 1. HCl 0.005 M HCl H+ + Cl- 2. CH3COOH 0.1 M CH3COOH H+ + CH3COO-

Ka = 1.8 10-5

Pesos atómicos: H = 1, C = 12, O = 16, S = 32, Cl = 35.5