ESPOL / ICQA / Examen Final Química General I / 29 de agosto de 2007

Nombres Apellidos PARALELO No. LISTA

Nota: Para esta evaluación el signo coma (,) se tomará para representar miles, ejemplo: 10+3 = 1,000. El punto (.) se tomará para representar decimales, ejemplo: 10-1 = 0.1.

1. La constante de velocidad de primer orden de descomposición de un insecticida de jardín (X) en agua a 20ºC es de 0.725 año-1. Cierta cantidad del insecticida X es arrastrada por casualidad el 1 de agosto del 2007 al lago de la ESPOL en el Campus Prosperina y alcanza una concentración de 4.0 x 10 -7 g / cm3 de agua. Suponga que la temperatura media del lago es de 20ºC. En los espacios de la tabla proceda a calcular la concentración de X el 1 de agosto de 2008. Posteriormente, calcule cuanto tiempo en días tardará la concentración de X en descender a 2.0 x 10 -7 g / cm3 de agua.

DATOS:

Ecuación que relaciona la concentración de X al comienzo de la reacción, Xo, con su concentración

en cualquier otro tiempo t, Xt ln Xt = -kt + ln X0

Sustitución de datos del problema ln X1año = -0.725 año-1 x 1 año + ln 4.0 x 10 -7 0

Cálculos numéricos ln X1año = -0.725 -14.73 = -15.46

Valor de la Xt = 1 año X1año = 1.93 x 10-7 g / cm3 de agua

Determinación del tiempo t en años en que la concentración de X es de 2.0 x 10 -7 g / cm3 de agua

t = (ln X0 - ln Xt) / kt = ln (4.0 x 10 -7 ) - ln(2.0 x 10 -7 ) / 0.725 año-1

Cálculo del tiempo t en días en que la concentración de X es de 2. 0 x 10 -7 g / cm3 de agua

t X = (- 14.73 + 15.42) / 0.725 año-1 = 0.69 / 0.725 año-1

t X = 0.95 año = 0.95 año x 365 días / añot X = 347 días

2. En la primera columna de la tabla se representa gráficamente la variación de la energía potencial para la reacción de un solo paso C D. En la segunda columna determine el valor de la energía de activación para la reacción inversa: D C, esto tomando en consideración los datos de la gráfica.

DETERMINACIÓN y JUSTIFICACIÓN DE LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN PARA LA REACCIÓN D C:

La energía de activación (D C) es igual a 50 kJ.

JUSTIFICACIÓNEl valor de la energía potencial del intermediario (95 kJ)menos

el valor de la energía potencial del reactivo D (45 kJ) nos permite calcular la energía de activación para la reacción

D C

3. En la segunda columna se encuentra un conjunto de términos, ecuaciones y conceptos utilizados en los campos de la cinética y equilibrio químico, con su respectiva numeración en la primera columna. En la tercera columna se enlistan en forma aleatoria los significados de los términos, ecuaciones y conceptos de la columna vecina sin ninguna correspondencia. Su tarea consiste en escribir en la cuarta columna el número del término, ecuación o concepto que corresponda al significado pertinente de la tercera columna. Como ejemplo se encuentra escrito el número 22 en el lugar apropiado de la última columna.

noTérminos, ecuaciones y

conceptosCONJUNTO DE SIGNIFICADOS #

1 Catalizador Cambio en la concentración de un reactivo o producto por unidad de tiempo 22

2 Cociente de reacción, QCantidad que indica la extensión en la cual tiene lugar una reacción reversible; su magnitud es igual a la expresión de acción de masas en el equilibrio. Esta cantidad varía con la temperatura.

3

3 Constante de equilibrio, K Equilibrio en el cual los procesos tienen lugar continuamente, sin cambio neto. 8

4 Coordenada de reacción Secuencia de pasos por los cuales los reactivos se convierten en producto 15

5 Ecuación de ArrheniusSustancia que altera (normalmente aumenta) la velocidad a la cual tiene lugar una reacción.

1

6 Efecto del ión común El logaritmo negativo de la concentración (mol / L) del ión H3O+ 17

7 Enzima Tiempo requerido para que se convierta en producto(s) la mitad de ese reactivo. 23

8 Equilibrio dinámicoEquilibrios que implican sólo a especies en una única fase, es decir, todas gases, todas líquidos, todas sólidas.

11

9 Equilibrio QuímicoEstado de balance dinámico en el que las velocidades directa e inversa son iguales; no hay cambio neto en las concentraciones de los reactivos ni de los productos mientras un sistema está en equilibrio.

9

10 Equilibrios heterogéneosLa expresión de acción de masas (no necesariamente en equilibrio); su magnitud relativa a K determina el sentido en el que debe ocurrir la reacción para establecer el equilibrio.

2

11 Equilibrios homogéneosSupresión de la ionización de un electrolito débil por la presencia en la misma disolución de un electrolito fuerte que contiene uno de los iones del electrolito débil.

6

12 Inhibidores Velocidad de una reacción de primer orden con un solo reactivo 21

13 Intermediario de reacciónEcuación que relaciona la constante específica de velocidad con la energía de activación y la temperatura

5

14 Ley de velocidad Reactivo de una reacción catalizada por enzimas 20

15Mecanismo de una

reacción

Ecuación que relaciona la velocidad de una reacción con la concentración de los reactivos y la constante específica de velocidad; velocidad = k[A]x[B]y. Los exponentes de las concentraciones de los reactivos no necesariamente coinciden con los coeficientes de la ecuación química total ajustada. La expresión de ley de velocidad debe determinarse a partir de los datos experimentales.

14

16 Molecularidad Equilibrios que implican especies en más de una fase. 10

17 pH Reacciones que no llegan a completarse y que tienen lugar tanto en la dirección directa como en la inversa.

19

18 Principio de Le ChâtelierIndica el número de partículas individuales que participan en un paso elemental del mecanismo de reacción.

16

19 Reacciones reversiblesEspecie que se produce y que después es consumida por completo durante la reacción; normalmente de vida corta

13

20 SustratoSi un cambio (cambio de condiciones) se aplica a un sistema en equilibrio, el sistema se desplaza en el sentido que reduce el cambio aplicado.

18

21 v = k A Proteína que actúa como catalizador en un sistema biológico 7

22 Velocidad de reacciónEl avance a lo largo de un camino desde los reactivos hasta los productos; a veces llamada progreso de una reacción

4

23Velocidad media de un

reactivoSustancias que cuando se añaden a una reacción la desaceleran (catalizadores negativos)

12

4. Se estudió experimentalmente la isomerización del metil isonitrilo (CH3NC) a acetonitrilo (CH2CN) en fase gaseosa a 215ºC donde se obtuvieron los datos indicados en las dos primeras filas de la tabla. Con la información proporcionada calcule la velocidad media de reacción, M/s, en los intervalos de tiempo entre cada par de mediciones. Luego, grafique [CH3NC] en función del tiempo y proceda a determinar gráficamente la velocidad instantánea (M/s) a t = 5,000 s.

Tiempo (s) 0 2,000 5,000 8,000 12,000 15,000

[CH3NC] M 0.0165 0.0110 0.00591 0.00314 0.00137 0.00074

Velocidad Media (M/s) 2.75 x 10-6 1.70 x 10-6 9.23 x 10-7 4.43 x 10-7 2.1 x 10-7

DETERMINACIÓN CON LA AYUDA DEL GRÁFICO A SU IZQUIERDA DE LA

VELOCIDAD INSTANTÁNEA a t = 5,000 s:

velocidad instantánea (M/s) t = 5,000:

m = - (0.00675 – 0.00430) / (6,000 – 4,000)

= 1.23 x 10-6 (M/s)

5. En la tabla no 1, se presentan las palabras con que se describe el principio de Le-Châtelier en el texto QUÍMICA LA CIENCIA CENTRAL DE BROWN THEODORE L. El numero proporcionado entre el paréntesis indica la frecuencia con que aparece una determinada palabra en la definición referida. Usando las palabras de la tabla no.1 escriba en los casilleros de la tabla no. 2 la definición del principio de Le-Châtelier. A manera de ejemplo se ha ubicado la palabra SÍ en la primera celda de la tabla no.2.

Tabla no 1. Palabras con que se describe el principio de Le-ChâtelierCAMBIO COMPONENTES CONCENTRACIÓN CONTRARRESTE DE (6)* DESPLAZARÁEFECTO EL (2)* EN EQUILIBRIO (2)* ES LA

LOS MODO O PERTURBACIÓN PERTURBADO PORPOSICIÓN PRESIÓN QUE SE SÍ SISTEMA (2)*

SU TEMPERATURA UN (2)* UNO* frecuencia con que aparece la palabra en la definición del Principio de Le-Châtelier

Tabla no 2. Enunciación del principio de Le-Châtelier usando las 37 palabras de la tabla no.1.

SÍ UN SISTEMA EN EQUILIBRIO

ES PERTURBADO POR UN CAMBIO

DE TEMPERATURA, PRESIÓN O CONCENTRACIÓN

DE UNO DE SUS COMPONENTES,

EL SISTEMA DESPLAZARÁ SU POSICIÓN

DE EQUILIBRIO DE MODO QUE

SE CONTRARRESTE EL EFECTO DE

LA PERTURBACIÓN.

6. En la figura se presenta un dibujo para expresar la variación de las concentraciones versus tiempo para la reacción química de formación del amoniaco: 3 H2 (g) + N2 (g) <=> 2 NH3 (g). El primer segmento del gráfico muestra las concentraciones de los productos y los reactivos en un estado de equilibrio –Equilibrio Inicial-. Para el caso del incremento en la concentración del N2 –inicio del segundo segmento-, dibuje a mano alzada la variación de la concentración del producto y de los reactivos hasta alcanzar el nuevo equilibrio –equilibrio restablecido-. Finalmente, en el tercer segmento dibuje -con las líneas pertinentes- las concentraciones finales del nuevo equilibrio tanto para los reactivos y el producto.

7. Encierre con un círculo la(s) opción(es) dadas en la primera columna que favorecería(n) al desplazamiento hacia la posición de equilibrio para formar más CO2 gaseoso para la reacción endotérmica:

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

En la segunda columna –con no menos de siete palabras- presente las justificaciones correspondientes para cada una de sus opciones de cambio presentadas.

OPCIONES de CAMBIO (perturbaciones)

JUSTIFICACIÓN

Disminuir el volumen del sistema Disminuir el volumen del sistema a temperatura constante equivale a aumentar la presión del CO2 (g), particular que donde Q > Kp,

con la consecuente formación de más CaCO3 (s).

Reducir la temperatura del sistema

Disminuir la temperatura del sistema equivale a retirar el reactivo calor, particular que con lleva a la disminución del producto CO2

(g) y a un desplazamiento hacia la izquierda con la consecuente formación de más CaCO3 (s).

Disminuir la presión del sistema Disminuir la presión del sistema equivale a disminuir la

concentración de CO2 (g) con el correspondiente desplazamiento de la reacción hacia la derecha.

Disminuir la concentración de CaO (s) en el sistema

La disminución de la concentración de CaO (s) no influye en el valor de la presión de CO2 (g), particular que no altera la posición

de equilibrio.

Aumentar la concentración de CaCO3

(s) en el sistema

El incremento de la concentración de CaCO3 (s) no influye en el valor de la presión de CO2 (g), particular que no altera la posición

de equilibrio.

8. Las medidas de descomposición del NO2 (para formar NO y O2) a 383ºC se presentan en la tabla no.1:

Tabla no. 1. Descomposición del NO2 a 383ºC a cinco intervalos de tiempoTIEMPO, s 0 5 10 15 20NO2, M 0.10 0.017 0.0090 0.0062 0.0047

Usando el sistema coordenado de la tabla no.3 demuestre gráficamente y justifique que la reacción es de segundo orden. Para esto, en la tabla no. 2, llene los recíprocos de las concentraciones para los tiempos pertinentes (Pregunta A.). Luego, conteste las preguntas B y C de la primera columna de la tabla no.3. Tabla no. 2. Elaboración de datos presentados para la descomposición del NO2 a 383ºC para demostrar gráficamente que la reacción es de segundo orden.

TIEMPO, s 0 5 10 15 201 / NO2 , M-1 10 59 111 161 213

Tabla no. 3 Preguntas A, B y C a ser contestadas y gráfico para presentar datos elaboradosPREGUNTAS Gráfico para presentación de datos elaborados

A. ¿Justificación sobre el orden dado para la reacción?

La reacción es de 2 orden puesto que la correlación 1 / NO2 versus tiempo nos da una línea recta con

pendiente positiva.

B. ¿Cuál es el valor de constante específica de velocidad de la reacción?

Al tomar de la gráfica los puntos 20; 213 y 0; 10 obtenemos que el valor de la pendiente (k) es igual a

10.15 M-1 s-1.

C. ¿Cuál es la correspondiente ley de velocidad?

- d NO2 / dt = k x NO22

9. En la tabla conteste lo solicitado para la reacción 2HF (g) H2 (g) + F2 (g) cuyo valor Kc es igual a 1.0 x 10-13. Para la reacción referida se detectaron a un tiempo determinado las concentraciones de los productos y reactivos que se detallan correspondientemente en la segunda fila. Para estos valores de concentraciones determine sí el sistema se encuentra en equilibrio:

DETERMINACIÓN VÍA CÁLCULOS SÍ EL SISTEMA SE ENCUENTRA EN EQUILIBRIO PARALAS CONCENTRACIONES PRESENTADAS A CONTINUACIÓN:

Concentración a un tiempo determinado [ HF] = 0.500 M [ H2] =1.00 x 10-3 M [ F2] = 4.00 x 10-3 M

Expresión matemática para Kc

Kc = (H2 F2 ) / (HF2)

Expresión matemática para Q

(para concentraciones iniciales):

Q = (H2 F2 ) / (HF2)

Valor de Q

Q = (1.00 x 10-3 x 4.00 x 10-3 ) / (0.500)2

Q = 1.6 x 10 -5

Q versus Kc

Q KcValor de Kc:

Kc = 1.0 x 10 -13

CONCLUSIÓN RESPECTO A SI EL SISTEMA SE ENCUENTRA EN EQUILIBRIO PARA LAS CONDICIONES DADAS:

Al tiempo referido el sistema no se encuentra en equilibrio (Q Kc) y la reacción se desplazará de izquierda a derecha –formación de reactivo-, es decir: para alcanzar el equilibrio el H2 (g) y F2 (g) deben reaccionar para formar más HF (g).

10. Se mezclan en un recipiente de 1.00 litro ciertas cantidades de hidrógeno y de yodo a 229ºC -en estado gaseoso-Cuando se establece el equilibrio (primer equilibrio), están presentes las siguientes concentraciones de los reactivos y productos:

CONCENTRACIONES EN EQUILIBRIO a 229ºC(primer equilibrio)

[HI] [H2] [I2]0.490 M 0.080 M 0.060 M.

Posteriormente se añade 0.300 moles adicionales de HI (perturbación). Proceda a calcular las concentraciones de reactivos y productos que estarán presentes cuando se restablezca otra vez el equilibrio –luego de la perturbación-. Para esto proceda a contestar en forma secuencial lo solicitado en la tabla:

Balancear la ecuación: _ H2 (g) + _ I2 (g) _ HI (g)

Escribir la ecuación para Kc:

Kc = HI2 / H2 I2

Determinación del valor numérico de Kc:

Kc = (0.490)2 / (0.080) x (0.060) = 50

Sub tabla para calcular Q : H2 (g) + I2 (g) 2HI (g)

Concentraciones del 1er equilibrio 0.080 M 0.060 M 0.490 M

[mol / L] añadidos para perturbar el 1er equilibrio 0 M 0 M 0.30 M

Concentraciones nuevas “sin equilibrar”

(luego de la perturbación)

0.080 M 0.060 M 0.790 M

Escribir la ecuación para Q:

Q = [HI]2 / [H2] [I2]

Determinación del valor de Q considerando las concentraciones luego de la perturbación:

Q = 0.790 M 2 / 0.080 M 0.060 M = 130

Comparación de Q y Kc y registro de conclusiones para la segunda fase de cálculos:

Q K, particular que destaca que la reacción se mueve hacia la izquierda –formación de hidrógeno (+ x M) e yodo (+ x M).

concentraciones H2 (g) + I2 (g) 2HI (g)

INICIALES 0.080 M 0.060 M 0.790 M

Cambio (por perturbación) + x M + x M - 2 x M

“segundo” equilibrio (0.080 + x ) M (0.060 + x ) M (0.790 - 2 x ) M

Cálculo de las nuevas concentraciones de equilibrio empleando Kc:

Kc = 50 = (0.790 - 2 x )2 / (0.080 + x ) (0.060 + x ) = (0.624 – 3.16 x + 4 x2) / (0.0048 +0.14 x + x2) =

50 = 46 x2 +10.2 x -0.38 x1 = 0.032 y x-2 = -0.25

[H2] = (0.080 + x ) M = (0.080 + 0.032) M = 0.112 M

[I2] = (0.060 + x ) M = (0.060 + 0.0032) M = 0.092 M

[HI] = (0.790 - 2 x) M = (0.790 – 0.064) M = 0.726 M

[H2] = 0.112 M [I2] = 0.092 M [HI] = 0.726 M