Guía Teorico

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Guía Teórico – práctica Química General E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía de ejercicios Nro. 0: Revisión A. Estructura Atomica 1) Completar el cuadro con todos los datos que faltan. Realizar las configuraciones electrónicas de los elementos eléctricamente neutros. Indicar para cada uno de ellos grupo y período al cual pertenecen. Elemento Símbolo Z Aluminio 13 Be Nro. De Nro. de protones electrones Nro. De neutrones 14 4 Bi Calcio 9 10 Plata 47 61 92 12 Boro 5 Sr S 45 38 2- 38 Ag 47 201 9 Kr Cesio Nitrógeno 10 36 84 55 133 7 7 17 Fe 35 26 30 Potasio 20 Cu 2+ 29 31 31 1 39 63 25 Ni trivalente 75 80 - Catión 93 54 Cl 108 41 Xenón F 16 49 + Hg divalente 88 18 Cd Catión 5 16 35 2+ monovalente 24 8 Estroncio Anión 146 Magnesio 2+ 0 12 Fluor Br No 20 6 O Cant. De cargas 126 20 U Tipo de ion 9 83 C A Depto. de Qca. General e Inorgánica 59 E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL B. Magnitudes Atomico Moleculares 1) El átomo neutro de un elemento gana un electrón. El ión resultante posee 18 electrones y su núcleo contiene 18 neutrones. Con estos datos calcular: A) Nro. Atómico del elemento B) Nro. Másico. C) El ión formado ¿es catión ó anión, cual será el signo y la magnitud de su carga? 2) Con las masas atómicas correspondientes, calcular las masas moleculares correspondientes. F2 O2 Na2O Cl2 I2 Ba2O Br2 N2 Sr2O H2 Cl2O 3) Calcular los masas moleculares con las respectivas masas atómicas: Na2SO4 Al2(SiO3)3 H2SO4, LiH2PO4 CuSO4 .5H2O Ca3(PO4)2 Na2B4O7 .10H2O 4) Que masa tiene: i. 0.3 moles de ácido acético iii. 5 moles de H2O (C2H4O2) iv. 4,6 moles de HCl ii. 0.2 moles de ácido sulfúrico v. 3 moles de pentóxido de fósforo (P2O5) (H2SO4) vi. 1,2 moles de Cl2 5) Cuantos moles hay en: i. 10 gr de H2O iv. 8,56 gr de P2O5 ii. 30 gr de NaCl v. 980 gr de H2SO4 iii. 4,5 gr de N2 vi. 10,4 gr de CaSO4 .4H2O 6) Que masa de azufre hay en: i. 4,8 gr de SO ii. 0,64 gr de SO2 iii. 160 gr de SO3. 7) Que masa de Cl2 tienen 6,02 x 1025 moléculas? 8) Cuantos átomos y/o moléculas hay en: i. 2 gr de Ar ii. 5 gr de O2 iii. 3 gr de Cu 9) Cuantos gramos de carbono hay en: a. 0,01 mol de H2CO3 c. 0,14 gr de CO b. 8,8 gr de CO2 d. 3,1 gr de H2CO3 10) Que masa de O2 tiene el mismo número de moléculas que 2 gr de Cl2? 11) Que masa deCl2 tiene el mismo número de átomos que 500 gr de O2? 12) Que masa de N2 tiene el mismo número de moléculas que 25 gr de He? 13) Cuantos moles de He tienen la misma masa que 0,2 moles de O2? 14) Cuantas moléculas de N2 tienen la misma masa que 0,10 moles de Cl2? 15) La masa atómica relativa del Na es 23, que masa posee un átomo de Na? 2 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 16) La masa molecular relativa del O2 es 32, cuánto pesa una molécula de O2? 17) Cuantos átomos hay en 10 gr de Au? 18) Cuantas moléculas hay en 1 lts de agua? 19) Calcular el número de moléculas presentes en: i) 10 gr de CO2 ii) 8 moles de CO2 20) Clasificar los siguientes enunciados en verdaderos o falsos justificando la elección: i. 32 gr de azufre (S) contiene el mismo número de átomos que 1 gr de H2 ii. 10 gr de H2 y 10 gr de O2 contienen el mismo número de átomos. iii. La masa atómica de un elemento es la masa en gramos de un átomo de ese elemento. iv. El número de átomos que hay en 10 gr de N2 es igual al número de moléculas que hay en 5 gr del mismo. v. 1 gr de azufre (S) contiene menos átomos que 1 gr de potasio (K). 21) Un mol de I2 (iodo) posee una masa de 254 gr, si su molécula es diatómica, cuanto pesa un átomo de iodo. 22) La masa del átomo de un elemento de molécula tetra atómica es de 5,15 x 10-23, ¿cuánto pesa un mol? 23) Cuantos moles de átomos y moles de moléculas que hay en 142 gr de Cl2. 24) Qué peso tiene 3/4 moles de P4 25) Se tienen 1,34 x 1024 moléculas de H2O (agua). Calcular: A) Masa molecular absoluta del agua. B) Numero de moles, numero de átomos de H2. 26) Cuantos átomos y moles de átomos hay en: i) 46 gr de Na ii) 135 gr de Al iii) 112 gr de Fe. 27) Cuantos gramos de Sulfato cúprico (CuSO4) deben tomarse para obtener: i) 8 x 1014 moléculas de dicha sal ii) 6 x 1036 átomos de oxígeno. 28) Se tienen 1,5 moles de metano (CH4). Calcular: i) Masa de metano ii) Masa de C e H2 hay iii) Moléculas de metano. 29) Calcular el número de moles correspondiente a: i) 100 g de CO2 ii) Mil millones de moléculas de una sustancia. 3 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 31) Calcular la masa correspondiente a: 3.1023 moléculas de O2 32) Cuáles de los siguientes items representa mayor masa de NH3. Justificar i) 6.1023 moléculas ii) 18,7 g iii) 0,9 moles C. Ejercicios sencillos de estequiometria 1) ¿Cuántos gramos de bromuro de plata, AgBr, se pueden obtener si se hacen reaccionar 50 g de bromuro de magnesio, MgBr2, con 100 g de nitrato de plata, AgN03? ¿Cuántos gramos el reactivo en exceso permanecen sin reaccionar? Resp.: 102 g de AgBr, 7,7 g de AgN03 2) Se preparó tetracloruro de carbono, CCl4, haciendo reaccionar 100 g de disulfuro de carbono, CS2, con 100 gramos de cloro gaseoso elemental, Cl2. Según estos datos, calcule el porcentaje de rendimiento si se obtuvieron 65,0 g de CCl4. Resp.: 89,9% 3) ¿Cuántos moles de P205 pueden obtenerse a partir de 2,00 g de fósforo y 5,00 g de oxígeno? Resp.: 0,0323 mol 4) Un método de laboratorio para preparar 02 (g) es el siguiente: a) ¿Cuántos moles de oxígeno se producen cuando se descomponen 32,8 g de KCl03? b) ¿Cuántos gramos de KCl03 deben descomponerse para obtener 50,0 g de oxígeno? c) ¿Cuántos gramos de KCl se forman al descomponerse el KCl03 y producir 28,3 g de oxígeno? R: (a) 0,401 mol (b) 128 g (c) 44 g 5) ¿Cuántos gramos de Ag2C03 deben haberse descompuesto si se obtuvieron 75,1 g de plata según la ecuación: R: 96,0 g 6) La caparazón de las tortugas contiene el mineral malaquita cuya fórmula es CuC03.Cu(0H)2. Entonces, a) ¿Cuál es el porcentaje de cobre en la malaquita? b) ¿Qué masa de malaquita deberá procesarse para obtener 100 g de Cu? R: (a) 57,48% (b) 173,98 g 7) Un tubo de ensayo que contiene KClO3 se calienta hasta que se descompone totalmente, según la reacción: R: 19,23 g 4 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 8) ¿Cuántos gramos de NO pueden producirse a partir 1,0 mol de amoníaco y oxígeno? R: 24,0 g a) ¿Cuál sería el rendimiento de la reacción si a partir de 10 kg de óxido férrico y 10 Kkg de CO, se obtienen 2,5 kg de Fe? R: (a) 23,67 kg de CO (b) 531,57 g de Fe (c) 6,99 kg de Fe (d) 35,7 %. 5 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía Teorico - practica Nro. 1: Disoluciones Contenidos 1) Soluciones a) Definiciones. i) Soluto – Solvente b) Concentración de las soluciones i) Expresión de las concentraciones ii) % (m/m), % (m/v), %(v/v) iii) Molaridad, Molalidad, Normalidad iv) ppm, ppb c) Diluciones i) Expresión de diluciones, preparación de diluciones Objetivos Para aprobar este tema deberás: a) Calcular porcentajes (m/m), (m/v) y (v/v) Contenidos previos Sistemas materiales, Composición porcentual, Cálculo de porcentajes, Magnitudes atómico moleculares, concepto de mol, concepto de equivalente gramo. 6 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL A. Introducción Las soluciones son mezclas homogéneas de sustancias en iguales o distintos estados de agregación. La concentración de una disolución constituye una de sus principales características. En la naturaleza, la materia se presenta, con mayor frecuencia, en forma de mezcla de sustancias puras. Las disoluciones constituyen un tipo particular de mezclas. Las soluciones forman parte de los hechos cotidianos, están presentes al respirar, ya que el aire es una solución de varios gases, al ingerir agua potable, ya que siempre contiene una serie de sustancias disueltas; cuando se utilizan aleaciones como bronce, latón, acero, en los fluidos que recorren nuestro organismo transportando los nutrientes necesarios para la vida. Combinación, Mezcla Y Disolución Conceptos fundamentales La separación de un sistema material en los componentes que lo forman puede llevarse a cabo por métodos mecánicos o por métodos químicos. Los primeros incluyen una serie de operaciones tales como filtración, destilación o centrifugación, en las cuales no se produce ninguna alteración en la naturaleza de las sustancias, de modo que un simple reagrupamiento de los componentes obtenidos tras la separación dará lugar, nuevamente, al sistema primitivo. Los segundos, sin embargo, llevan consigo cambios químicos; la materia base sufre transformaciones que afectan a su naturaleza, por lo que una vez que se establece la separación, la simple reunión de los componentes no reproduce la sustancia original. Las mezclas son sistemas materiales que pueden fraccionarse o separarse en sus distintos componentes por métodos físicos. En cierto tipo de mezclas la materia se distribuye uniformemente por todo el volumen constituyendo un sistema homogéneo. Cuando una sustancia sólida se mezcla con un líquido de tal forma que no puede distinguirse de él, se dice que la sustancia ha sido disuelta por el líquido. A la mezcla homogénea así formada se la denomina disolución (sl). En este caso la sustancia sólida recibe el nombre de soluto (st) y el líquido se denomina disolvente (sv). La noción de disolución puede generalizarse e incluir la de gases en gases, gases en líquidos, líquidos en líquidos o sólidos en sólidos. En general, el soluto es la sustancia que se encuentra en menor proporción en la disolución y el disolvente la que se encuentra en mayor proporción. Cuando dos sustancias líquidas pueden dar lugar a mezclas homogéneas o disoluciones, se dice que son miscibles. 7 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Los esquemas que siguen son modelos de cuatro soluciones formadas por los mismos componentes, los círculos negros representan al soluto y los blancos al solvente, indicar si las soluciones son iguales y justificar. Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv = Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv = Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv = Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv = A la relación que existe entre la cantidad de soluto y de solvente o entre la cantidad de soluto y solución, se llama concentración Dichas cantidades se pueden expresar en unidades de masa o de volumen. La composición de las soluciones Formas de expresar la concentración Existen diferentes formas dé expresar la concentración de una disolución. Las que se emplean con mayor frecuencia supone el comparar la cantidad de soluto con la cantidad total de disolución, ya sea en términos de masas, ya sea en términos de masa a volumen o incluso de volumen a volumen, si todos los componentes son líquidos. En este grupo se incluyen las siguientes: Porcentaje en masa. Expresa la masa en gramos de soluto disuelta por cada cien gramos de disolución. Su cálculo requiere considerar separadamente la masa del soluto y la del disolvente siendo la masa de la disolución la suma de la del soluto y la del disolvente. % ( m / m) = masa de soluto × 100 masa de solución Porcentaje en volumen. Expresa la masa en gramos de soluto disuelta por cada cien cm3 de disolución. Su cálculo requiere considerar separadamente la masa del soluto y la del disolvente siendo la masa de la disolución la suma de la del soluto y la del disolvente. Para calcular el volumen a que equivale dicha masa se utiliza la densidad, sabiendo que la densidad es: δ = mv % (m / v) = 8 masa de soluto × 100 volumen de solución Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen 1. QUÍMICA GENERAL Leer atentamente el texto y responder: El bronce y el oro 18 kilates son ejemplos de soluciones sólidas de metales denominadas aleaciones. El bronce es una aleación formada por cobre y estaño. El oro 18 kilates es una aleación de oro y cobre, aunque también puede estar formado por oro y plata o por oro y platino. El valor 24 es la unidad de medida de comercialización para el oro. Así “oro 24 kilates” significa que por 24 pares de ese material, 24 son de oro. De la misma manera, “oro 18 kilates” expresa que por cada 24 partes de ese material, solo 18 son de oro. El resto, es decir, 6 partes son de cobre o de plata. El oro 24 kilates es oro puro, es decir se trata de una sustancia pura y no de una solución sólida. A. ¿Cual es el soluto y cual es el solvente del oro 18 kilates? B. Calcular el % m/m del oro 18 kilates. C. Averiguar la masa de oro que habrá en un anillo de oro 18 kilates de 6 g. 2. La siguiente tabla resume los datos obtenidos en una experiencia cuando se agregan distintas masas de sulfato cúprico a 1000 g de agua a 25°C y 1 atm de presión. Completar, analizar los datos y sacar conclusiones. Masa de sulfato cúprico inicial (gr) Masa de agua (sv) (gr) Masa de solución (sl) (gr) Masa de sulfato cúprico disuelta (st) (gr) Masa de sulfato cúprico sin disolver (gr) A 50 0 B 190 0 C 210 D 300 90 E 450 240 1000 % m/m 0 Los grados Gay Lussac indican la concentración de alcohol en % m/v. Calcular la masa de alcohol existente en un vaso de cerveza de 250 cm3 sabiendo que la graduación alcohólica es de 4°GL. 9 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Aplicación: cálculo de concentraciones 1. Se mezclan 5,00 g de cloruro de hidrógeno (HCI) con 35,00 g de agua, formándose una disolución cuya densidad a 20 ºC es de 1,060 g/cm3. Calcúlese: a) El % (m/m) b) El % (m/v) c) La concentración en gramos por litro Resolución: a) Se trata de calcular el número de gramos de soluto por cada cien gramos de solución, es decir: b) Calculamos el volumen correspondiente a 40 g de solución δ = m v ⇒ v = mδ v = 40 g 1,060 g / cm 3 = 37,7cm 3 Ahora calculamos el número de gramos de soluto por cada 100 cm3 de solución. g de HCl 5,00 g ⋅ 100 cm 3 = ⋅ 100 cm 3 = 13,26 % (m / v) de HCl 3 cm de disolución 37,7 cm 3 c) Habiendo calculado la masa de soluto que hay por cada 100 cm3 de solución, es sencillo calcular la masa de soluto que hay por cada 1000 cm3 de solución: g de HCl 5,00 g 3 ⋅ = ⋅ 1000 cm 3 = 132,6 % (m / v) de HCl 1000 cm 3 3 cm de disolución 37,7 cm 10 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen Molaridad. QUÍMICA GENERAL Es la forma más frecuente de expresar la concentración de las disoluciones en química. Indica el número de moles de soluto disueltos por cada litro de disolución; se representa por la letra M. Una disolución 1M contendrá un mol de soluto por litro, una 0,5 M contendrá medio mol de soluto por litro, etc. Molaridad = Nro. de moles de soluto Litros de solución Molalidad. Indica el número de moles de soluto disuelto en cada kilogramo de disolvente: molalidad = Nro. de moles d soluto Kgr. de solvente Aplicación: Cálculo De Concentraciones Se mezclan 5,00 g de cloruro de hidrógeno (HCI) con 35,00 g de agua, formándose una disolución cuya densidad a 20 ºC es de 1,060 g/cm3. Calcúlese: a) molaridad. b) molalidad. Molaridad. m Mr n = nro. de moles ⇒ n = Molaridad = m Mr Nro. de moles de soluto = litros de solución litros de solución Sustituyendo resulta: M = 5 g 36,5 = 3,63M 0,03774lts donde 36,5 es la masa molecular del HCI y, por tanto, la masa de su mol expresada en gramos. Molalidad. De acuerdo con su definición: Molalidad = m Mr Nro. de moles de soluto = Kg de solvente Kg de solvente sustituyendo se tiene: M = 11 5 g 36,5 = 3,91m 0,035 Kg Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Partes por millón (ppm) Es una unidad de medida de concentración. Se refiere a la cantidad de unidades de la sustancia (agente , etc) que hay por cada millón de unidades del conjunto. Por ejemplo en un millón de granos de arroz, si se pintara uno de negro, este grano representaría una (1) parte por millón. Se abrevia como "ppm". Es un concepto análogo al de porcentaje, sólo que en este caso no es partes por ciento sino por millón (tanto por mil). De hecho, se podría tomar la siguiente equivalencia: 10.000 ppm = 1% Es decir que 10.000 ppm equivalen al uno por ciento. De lo anterior, se puede deducir que esta unidad es usada de manera análoga al porcentaje pero para concentraciones o valores mucho más bajos. Por ejemplo cuando se habla de concentraciones de contaminantes en agua o en aire, disoluciones con muy bajas concentraciones o cantidad de partículas de polvo en un ambiente, entre otros. Un ejemplo podría ser las mediciones de concentración de un contaminante en el aire del ambiente cuyo valor máximo permisible sea 500 ppm. Tratar de escribir eso en porcentaje sería poco práctico pues sería mucho menor a 1%. En el caso de disoluciones acuosas, una parte por millón (1 ppm) equivale a un miligramo de soluto por litro de disolución. O lo que es lo mismo, un microgramo de soluto por mililitro: Un concepto análogo se utiliza para "Partes por billón" Dilución Es muy frecuente preparar disoluciones a partir de otras disoluciones preparadas previamente, y de concentración conocida, por dilución. En un proceso de dilución se conserva el número de moles de soluto moles de soluto en la disolución inicial = moles de soluto en la disolución final 12 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen Ejemplos: QUÍMICA GENERAL ¿Qué volumen de una disolución de glucosa(aq) 0,25 M se necesita para preparar 750 ml de otra disolución 0,013 M por dilución? • Podemos despejar la fórmula: ¿Que concentración tiene la disolución resultante de diluir 39 ml de disolución de glucosa(aq) 0,25 M hasta 750 ml? 13 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 1) El Caristop® es una pasta dental bifluorada que contiene 2.500 ppm de ión flúor, F-(ac). Calcule la concentración de fluoruro en la disolución, expresada en g/L. Resp: 2,5 g/L 2) La concentración del agua lavandina s de 3.5 %m/v de hipoclorito de sodio. ¿Cuál la masa de hipoclorito de sodio que contiene un envase de 5 litros de lavandina. Resp.: 3) Un médico ordena inyectar a un paciente suero glucosado. La solución utilizada posee una concentración de 5.5 g de glucosa/100 cm3 de solución y el enfermo requiere 1.72 g de glucosa por hora. ¿Cuál es el tiempo que debe demorar en pasar un frasco de suero que contiene 250 cm3 de solución fisiológica. Resp.: 4) Calcular las concentraciones en %m/m de las siguientes soluciones: a) 30g de st en 350g de sv. Resp.: b) 120g de st en 2.5Kg de sl. Resp.: c) 2800g de sv en 3200g de sl Resp.: 5) Indicar como puede prepararse 2500g de una solución de concentración 35% m/m 6) Calcular en qué masa de cada una de las soluciones habrá 120g de soluto: a) Sl. A 30% m/m Resp.: b) Sl. B 5% m/m Resp.: 7) 1 cm3 de solución acuosa de cloruro de sodio, cuya densidad es de 1,15 g/cm3 contiene disueltos 0,23 g de sal. Calcule la concentración de la solución. En: a) gr de soluto/100 g de solución b) gr de soluto/100 g de disolvente. Rta.: a.- 20 g b.- 25 g 8) Calcular la masa en gramos de Na2CO3 es necesario para preparar 0.5 litros de solución 35% Rta.: 9) Calcular la concentración en %(m/m) de una solución preparada disolviendo 500 mg de glucosa en 0.50 Kg de agua. Rta.: 10) Con 40 g de cloruro de amonio se desea preparar una solución acuosa al 18% en peso. Calcule a) Masa de sl que puede prepararse. b) Volumen de agua en que deberá disolverse la masa de sal. Rta.: a.- 222,2 g b.- 182,2 cm3 11) Calcule el porcentaje en peso de soluto en una solución acuosa de ácido nítrico que contiene 354 g de ácido/dm3 de solución y cuya densidad es 1,18 g/cm3. Rta.: 30% 12) Se disuelven 24gr de glucosa en 60gr de agua. Calcular la composición de la solución resultante expresada en: a) Gramos de soluto /100gr de solución. b) Gramos de soluto /dm3 de solvente. Rta.: a) 28.6gr b) 400gr 14 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 13) La composición de una solución acuosa de cloruro de níquel(ll) es 320,0gr de sal /dm3 de solución. Su densidad es de 1.280gr/cm3. Expresar la composición de esa solución en: a) Gramos de soluto /100gr de solución. b) Gramos de soluto /dm3 de solvente. Rta.: a)25gr b) 33.3gr 14) Se desean preparar 500 cm3 de una solución de cloruro cúprico en agua al 30% en peso (densidad 1,36 g/cm3) a) Calcule las masas de sal y de agua necesarias. b) Expresar dicha composición en g de sal/dm3 de solución. Rta.: a) 204 gr de sal y 476 g de agua b) 408 g/dm3 15) Calcule qué volumen de una solución acuosa de metanol al 20% en peso cuya densidad es 0,97 g/cm3, contiene 300 g de dicho alcohol. Rta.: 1546,4 cm3 16) Se tiene una solución acuosa de ácido ortofosfórico que contiene 25gr de ácido en 100gr de agua y cuya densidad es 1.11gr/cm3. Expresar la composición en: a) Gramos de soluto /dm3 de solución b) Gramos de soluto /100gr de solución. Rta.: a) 222.4gr b) 20gr 17) Una sl acuosa de H2SO4 de concentración 10% tiene una densidad de 1,04 g/cm3. Calcular su concentración en: a) g de st/100 g de sl. c) g de st/100 cm3 de sl b) g de st/100 cm3 de sv d) g de st/1000 cm3 de sv Rta.: 3 18) Se quiere preparar 500 cm de sl aq. de H2SO4 al 30% densidad 1,20 g/cm3. Calcular la concentración expresada en: a) g de st/100 g de sl. c) g de st/100 cm3 de sl b) g de st/100 cm3 de sv d) g de st/1000 cm3 de sv Rta.: 19) Una solución de sal en agua posee una densidad de δ= 1,085 g/cm3 contiene 20 g de sal en 80 g de solución. Expresar la concentración en a) gr de sal/100 g de agua. c) % (m/v) b) % (m/m) d) gr de sal/100 ml de agua. Rta.: 20) Una solución acuosa de cloruro de amonio contiene 10.07 g de sal por litro de solución. Su densidad es de δ= 1,007 g/cm3. Expresar la concentración en: d) gr de sal /1000 g de agua a) % (m/m) e) gr de sal /100 cm3 de agua b) gr de sal /100 g de agua c) % (m/v) Rta.: 15 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 21) Una sl de 7 gr de HCl en 500 gr de agua tiene una densidad de δ= 1.06 g/cm3. Expresar la concentración en: a) Gr de ácido por litro de sl. c) Gr de ácido por 100 g de sv b) Gr de ácido por litro de sv d) Gr de ácido por 100 cm3 de sv Rta.: 22) Una solución de KCl en agua tiene 2.5 g de sal en 40 g de sl. Expresar la concentración en: a) % (m/m) b) Cuantos gramos de sal y agua se deberá añadir a la sl para obtener 100 g de sl de la misma concentración? Rta.: a) 6.25% b) 3.75 g de sal y 56.25g de agua 3 23) Se tiene una solución al 5% de densidad δ= 1.05 g/cm . Expresar su concentración en: a) Gr de st/ 100 gr de sv c) Gr de st/ 100 cm3 de sl b) Gr de st/ 100 cm3 de sv d) Gr de st/ 100 gr de sl Rta.: 24) Hallar la concentración en %(m/v) de una solución ácida al 30% siendo la densidad de la solución de 1.20 g/cm3. Rta.: 36% (m/v) 25) Calcular las concentraciones en %(m/m) de las siguientes soluciones a) 40 g de st en 250 g de sv Rta.: b) 100 g de st en 2500 g de sl Rta.: c) 2500 g de sv en 3800 g de sl Rta.: 26) calcular las masas de soluto y solvente existentes en 250 g de una solución cuya concentración es de 35% m/m Rta.: 27) Calcular en que masas de cada una de las siguientes soluciones habrá 120 g de st. a) 30% b) 5% Rta.: 28) Se tiene una sl de ácido nítrico comercial al 63%, que posee una densidad δ = 1.2 g/cm3. Calcular: a) Gr de st/ 100 gr de sv c) Gr de st/ 100 cm3 de sl d) Gr de st/ 100 gr de sl b) Gr de st/ 100 cm3 de sv 29) Calcular la molaridad de la solución de HCl preparada diluyendo a 25ml una porción de 10ml de una solución 38.32% de HCl densidad 1.19gr/ml 30) ¿Cuántos gramos de Na2HPO4 . 12H2O se necesitan para preparar 500ml de solución 1M? 31) ¿Cuál es el porcentaje de H2SO4 en una solución 10M cuya densidad es de 1.29gr/ml? ¿Y en una solución 1M de densidad 1.03gr/ml? 16 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 32) Determinar si las afirmaciones siguientes son verdaderas o falsas y justificar: a) Un recipiente que contiene una solución 2M de sacarosa siempre tiene mayor masa de soluto que otro que contiene una solución 1M de la misma. b) Un recipiente que contiene 1lt de solución acuosa 0,50M siempre tiene el doble de la masa de soluto que otro recipiente que contiene 1lt de solución acuosa 0,25M c) Para expresar la Molaridad conociendo la Molalidad, el único dato que se necesita es el Mr del soluto. d) Decir que una solución tiene una densidad de 1,085gr/cm3 significa que 1085gr de soluto ocupan un volumen de 1000 cm3. e) Al evaporar parte del solvente de una solución de un soluto no volátil disminuye la concentración. f) Si se tiene una solución 1,00M de cloruro de sodio, para obtener una solución 0.50M deben agregarse 500 cm3 de solvente. 33) Señalar y justificar cuales de las siguientes soluciones de hidróxido de sodio es la mas concentrada: a) 0,0020M d) 0,551gr/250cm3 de solución 3 b) 1,008gr/dm de solución e) 0,005gr/ml de solución 3 c) 1,001gr/100cm de solución Rta.: el ítem c) 34) Se dispone de una solución alcohólica 2,00M de soluto de Mr = 84,0. Determinar que masa de soluto hay presente en: a) 500cm3 de solución b) 1000ml de solución c) 3,00lt de solución Rta.: a) 84.0gr b) 168.0gr c) 504.0gr 35) ¿Cuántos ml de sl de HNO3, δ = 1,409 g/cm3, 69%, se necesitan para preparar 10 dm3 de HNO3 0,5 M? 36) Determinar a qué volumen debe diluirse 200 cm3 de una sl 1 M de sulfato de sodio para obtener una sl 0,5 M 37) Tengo una sl de ácido Fosfórico (H3PO4) 0,84M de densidad 1,0055 g/cm3 Expresar la concentración de dicha solución en: a) % (m/m) c) Molalidad b) %(m/v) d) Masa de st/1000 g de sv 38) Se disuelven 180 g de NaOH en 400 g de agua. La densidad de la sl resultante es de 1,34 g.cm-3. Calcular a) % m/m. c) Molaridad b) G st/lt de sl d) Molalidad Rta.: a) 10.74 % b) 415.9 g c) 10.4 M d) 10.4 N e) 11,25 m 3 39) Se dispone de ácido sulfúrico concentrado de densidad δ= 1.24 g/cm y 92 % de ácido. Calcular: a) El volumen de este ácido que hay que tomar para preparar 500 cm3 de un ácido 0.5N b) Cuanto hay que diluir el ácido concentrado para obtener un ácido 2m Rta.: a) 10.74 ml b) 17.4 ml 17 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ejercitación de diluciones 1) A 60 gr de una sl al 25% de NaCl se la quiere llevar a una sl al 5%. Que cantidad de solución se puede preparar? Rta.: 300 gr 2) ¿Cuántos gramos de st se necesitan para preparar 20 cm3 de sl 5% (m/v)? ¿Qué Molaridad y normalidad tiene la solución obtenida si el soluto es CaCl2? Rta.: 3) Calcule la masa de solución de cloruro de aluminio al 16% en peso habrá que diluir con agua para obtener 2 Kg. de una solución al 3% en peso de dicha sal. Rta.: 375 g 4) ¿Cuántos gramos de Na2HPO4 . 12H2O se necesitan para preparar un litro de solución al 10% si la densidad seria de 1,09gr/cm3. Calcular también el volumen de agua necesaria para preparar dicha solución. (densidad del agua = 1gr/cm3) Rta.: 5) ¿Cuántos gramos de Na2HPO4 . 12H2O se deben disolver en un litro de agua para obtener una solución al 10%? Rta.: 6) Cuantos ml de agua hay que agregar a 800ml de solución de HNO3 65%, densidad 1.40gr/ml para obtener las siguientes soluciones: a) 10% b) 12M densidad 1.35gr/ml Rta.: 7) Calcular: a) ¿Cuántos gr de KCl hay que disolver para preparar 1Lt de solución de concentración 1mg Cl-/ml? b) ¿Cuál es la concentración de iones potasio en la solución (mg K+/ml)? c) ¿Cuántos equiv. gr de K+ hay en 25ml de solución? Rta.: 8) Si se toman 50 ml de una solución NaCl 0,4M y se llevan a un volumen final de 1l ¿Cuál es la concentración final? 9) ¿Qué volumen de HCl 6M debe usarse para preparar 500 ml de una solución de HCl 5 mM? 10) ¿Cuál sería la concentración final de una solución preparada al diluir 45,0 ml de KOH 4,2 M en un volumen final de 300 ml? 11) Si se cuenta con una solución 2,2 M de NaCl, ¿Cuántas diluciones seriadas 1/10 deben realizarse para llegar a una solución de concentración 22 μM? Indique que volúmenes utilizaría si las diluciones se realizan en tubos eppendorfs con Vfinal=1,5ml. 18 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ejercicios varios 12) Se quieren preparar 2,5 litros de una solución de HCl 10,0% m/v y se dispone de una solución del mismo soluto 30,0% m/v. Indicar qué volumen de la solución más concentrada se necesita y qué volumen de agua es necesario agregar para obtener la solución deseada. 13) En el laboratorio se necesita preparar 400 ml de una solución 10,0% m/m de HCl, cuya densidad es 1,02 g/ml. a) ¿Cuáles son las masas de soluto y solvente necesarias?. b) ¿Cuál es la concentración en gramos de soluto/100 g de solvente? c) ¿Cuál es la concentración en % m/v? d) ¿Cuál es la molaridad? 14) Se tiene una solución acuosa de glucosa 20,0% m/m, calcular: a) La masa de soluto que contiene 400 g de solución. b) La masa de soluto que se encuentra disuelta en 400 g de solvente. c) Si se preparan 550 ml de la solución de glucosa 20% m/m y luego se derraman 100 ml por descuido del laboratorista sobre la mesada, ¿qué ocurre con la concentración de la solución que quedó dentro del recipiente? 15) ¿Cuántos gramos de permanganato de potasio (KMnO4) estarán disueltos en 200cm3 de una disolución acuosa con una concentración de 5,2 g/l? a) Cuantos ml de agua hay que agregar a 800ml de solución de HNO3 65%, densidad 1,40gr/ml para obtener las siguientes soluciones: b) 10% c) 12M densidad 1.35gr/ml 16) ¿En qué volumen de solución de HCl al 20,4% p/p y densidad 1,1 g/mL hay 12,24 g de ácido clorhídrico? 17) Un vinagre tiene 6.02% m/m de ácido acético CH3CO2H. ¿Cuántos gramos de ácido acético hay en una botella de vinagre de 355 ml?. Suponga una densidad de 1.01 g/ml 18) Se recomienda que el agua potable contenga 0.0016 ppc de fluoruro para prevenir las caries dentales. Si un depósito contiene 1000 dm3 de agua ¿cuántos gramos de fluoruro se necesitan para que su concentración sea la correcta? 19) A 300 g de una solución 8 % P/P se le agregan 100 g de agua. Calcula el porcentaje p/p de la solución final. 20) Una muestra de cloruro de sodio, NaCl, que pesa 0.0678 g se coloca en un matraz volumétrico de 25.0 ml y se afora con agua destilada. ¿Cuál es la molaridad de la disolución resultante? 19 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 21) ¿Cuántos mililitros de NaCl 0.163 M se requieren para obtener 0.0958 g de cloruro de sodio? 22) Se tiene una solución acuosa de glucosa 20,0% m/m, calcular: a. La masa de soluto que contiene 400 g de solución. b. La masa de soluto que se encuentra disuelta en 400 g de solvente. c. Si se preparan 550 ml de la solución de glucosa 20% m/m y luego se derraman 100 ml por descuido del laboratorista sobre la mesada, ¿qué ocurre con la concentración de la solución que quedó dentro del recipiente? 23) ¿Cuántos moles de cloruro de sodio deben colocarse en un matraz volumétrico de 50 ml para obtener una disolución 0.15 M de NaCl? ¿A cuántos gramos de cloruro de sodio equivalen? 24) El ácido acético glacial, CH3COOH tiene una concentración 99.5% m/m y una densidad de 1.05 g/cm3. Determina la concentración molar, normal y % m/v de este ácido. ¿Qué volumen es necesario para preparar 1 litro de solución al 30%? 25) Una solución se preparó disolviendo 16.0 g de cloruro de calcio, CaCl2 en 72.0 g de agua, y tiene una densidad de 1.180 g/ml. ¿Cuál es la concentración % m/m y % m/v, M y m de la disolución? 26) ¿Cuántos gramos de NaOH húmeda* se necesitan pesar para preparar 250 ml de una disolución 1.5M? (*)La sosa contiene 10% en masa de agua. 27) Se quiere preparar un volumen de 8dm3 de una disolución de KNO3 al 20% en masa y una densidad de 1.1326 g/ml a 20°C. 28) ¿Qué volumen de agua y qué masa de nitrato de potasio se debe mezclar? 29) ¿Cuál es la molaridad y cuál es la molalidad de la disolución preparada? 30) ¿En cuántos ml de la disolución hay 0.0025 moles de nitrato de potasio? 31) Dos disoluciones acuosas “A” y “B” de nitrato de calcio tiene una concentración diferente. a. ¿Cuántos gramos de nitrato de calcio puro hay en 200 ml de la disolución “A”?. Se sabe que la densidad y % en masa para esta disolución son 1.1636 g/ml y 20% respectivamente. b. ¿Cuál es la densidad, % en masa, molalidad y molaridad de la disolución “B”?. Se sabe que 400 ml de esa disolución tienen una masa de 504 gramos y que por cada kilogramo de disolvente hay 2.61 moles de nitrato de calcio. 2) En un litro de una disolución hay 200 g del soluto “X”. Si la disolución contiene 18% en masa de “X”, ¿Cuál es la densidad de la disolución, expresada en g/ml? 20 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 3) ¿Qué cantidad de fósforo contiene el esqueleto humano, sabiendo que por término medio pesa 11 kilogramos, y que su contenido en fosfato de calcio es 58%? 32) Completa la siguiente tabla para disoluciones acuosas de ácido sulfúrico. Densidad g/rnl Molaridad M 1.24 1.30 1.60 1.15 4.08 Molalidad rn % en masa % en masa del ácido del agua sulfúrico 39.19 53.65 79.18 33) En los siguientes enunciados indique con una F si la oración es falsa y con una V si es verdadera. Justifique su respuesta anexando los cálculos realizados. a) Si se tiene una disolución con una concentración 25% m/m, eso quiere decir que se tuvo que disolver una masa de 25 g del soluto en 100 ml del disolvente (suponga que el disolvente es agua) ____________ b) Si se pesaron 0.7 g de NaCl y se disolvieron en 100 ml de agua, la concentración de la disolución es de 0.7% m/v ____________ c) Se pesaron 14.8 g de acetato de sodio y se disolvieron en 125 ml de agua, por lo tanto tenemos una concentración de 11.84% v/v y de 10.59% m/v _____________ d) Se disolvieron 25 ml de un soluto que tiene una densidad de 1.25 g/ml en 200 ml de agua. La concentración es de 15.61% v/v y de 18.5 % m/m _____________ e) Se disolvieron 3 g de un compuesto líquido que tiene una densidad de 1.31 g/ml en 25 ml de agua. Su concentración es de 9.15 % v/v ___________ f) Para calcular la concentración porcentual no es necesario conocer la masa molar del soluto. ____________ 34) Complete el siguiente cuadro. Incluya los cálculos realizados. Soluto H2SO4 HCl NaOH KOH H2CO3 H3PO4 Ca(OH)2 HBr 21 Masa del soluto (g) 30 25 45 75 Vol. de Molaridad Normalidad disolución M N (ml) 233 0.5 50 0.1 350 0.01 0.75 2500 350 1000 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 35) Calcule el volumen de H2SO4 que se necesita para preparar 300 ml de una disolución 0.75N. Considere que el H2SO4 tiene una densidad de 1.4 g/ml y 80% de pureza. 36) Se tomaron 5 ml de H2SO4 cuya densidad es de 1.8 g/ml y 90% de pureza, y se aforaron hasta un volumen final de 500 ml, calcule la concentración de la disolución en % m/m, molaridad y normalidad. 37) Se tienen 160 g de una disolución de NaCl al 11.25% m/m. La disolución tiene una densidad de 1.33 g/ml. Calcule: a) Molaridad b) Molalidad c) %p/v d) Volumen de la disolución 38) Una disolución de H2SO4 que contiene 487.6 g de H2SO4 por cada litro de disolución tiene una densidad de 1.329 g/ml. Calcule: a) la molaridad b) la molalidad c) la normalidad d) ¿Qué volumen de la disolución anterior se debe tomar para preparar 100 ml de una disolución 0.1M?. 39) Se disuelven 3 g de nitrato de sodio en agua hasta llegar a 250 ml de disolución. La densidad de esta disolución es igual a 1.12 g/ml. Determine la concentración: a) molar b) normal c) porciento en peso d) molal 40) Para preparar la disolución A se pesa 1 g de NaOH y se afora hasta un volumen final de 20ml. Para preparar la disolución B se toman 10 ml de la disolución A y se llevan a un volumen final de 25ml. Para preparar la disolución C se toman 10 ml de la disolución B y se llevan a un volumen final de 25ml. Calcule la concentración de las soluciones A, B y C. 41) En el laboratorio se prepara una disolución (a la que llamaremos disolución A) pesando 5 g de cromato de potasio y agregándole agua hasta llegar a 1 l de disolución. De esta disolución A, se toma una alícuota de 100 ml y se coloca en un matraz aforado de 250 ml, agregándole agua hasta la marca de aforo (disolución B). Finalmente, de la disolución B se toma una alícuota de 25 ml y se coloca en un vaso de precipitado. a. b. c. d. ¿Cuál es la concentración molar de la disolución A? ¿Cuál es la concentración normal de la disolución B? ¿Cuál es la concentración en porcentaje en peso de la disolución A? ¿Cuántos moles de cromato de potasio hay en la disolución A, en la disolución B y en el vaso de precipitado donde se colocó la alícuota final? e. ¿Cuál es la concentración molar de la disolución que se encuentra en el vaso de precipitado que contiene la alícuota final? 22 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía Teórico - practica Nro. 2: Leyes de los gases Teoría cinética de los gases Es un modelo que intenta dar respuesta al comportamiento de los gases a partir de las siguientes hipótesis: Los gases están formados por partículas pequeñas, tan alejadas entre sí que el volumen de las mismas es despreciable con respecto al espacio vacío entre ellas. No existen fuerzas de interacción entre ellas. Las partículas se mueven continuamente al azar y en línea recta, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. Estos choques determinan la presión que el gas ejerce dentro del recipiente. Ley de Boyle – Mariotte  Si a temperatura constante reducimos el volumen de una masa gaseosa, las partículas poseen menor espacio por donde moverse y entonces chocan mas frecuentemente contra las paredes del recipiente, por lo que la presión observada es mayor. Es decir que: a T = cte, la presión es inversamente proporcional al volumen P *V = k (m, T ) Ley de Charles – Gay lussac  Al aumentar la temperatura de una masa de gas, si mantengo el volumen constante, las partículas se mueven con mayor energía chocando mas frecuentemente y violentamente contra las paredes del recipiente, originando mayor presión. Es decir que: a V = cte, la presión es directamente proporcional a la temperatura P = k (m, V ) T  La otra ley se expresa a P = cte, el volumen es directamente proporcional a la temperatura V = k (m, P) T Explicarla según la teoría cinética de los gases. Estas tres relaciones se pueden combinar obteniendo una generalización llamada Ec. De estado del gas ideal P *V = k ( m) T Un gas que cumple esta relación se denomina gas ideal. 23 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía de ejercitación 1) Un gas ocupa un volumen de 500lts a 10atm de presión. Si la temperatura Permanece constante, ¿cuál será su volumen si la presión disminuye a 2.4atm?. Rta: 2083.33lts. 2) En un recipiente se encuentra cierta masa de un gas a una temperatura de -10°C y una presión de 1.6atm. Si el volumen se mantiene cte. Y la temperatura se eleva a 35°C, ¿cuál será la presión soportada? Rta: 1.87atm 3) Un recipiente contiene 10lts de oxígeno a 5°C. ¿A qué temperatura se duplicara el volumen del gas si se mantiene la presión constante? Rta: 556K 4) Un gas ocupa un volumen de 100lts a una presión de 6atm y una temperatura de 21°C. ¿Cuál será su volumen si se lo somete a una presión de 10atm calentándose a 48°C? Rta:65.51lts 5) Un recipiente contiene 54lts de nitrógeno medidos a 3atm de presión y 40°C de temperatura. ¿Cuál será su volumen en CNPT. ? Rta: 141.29lts 6) A 0°C y 2atm de presión, un gas ocupa un volumen de 40lts. ¿Cuál será la presión que soportara si se lo lleva a un volumen de 50lts calentándolo simultáneamente a una temperatura de 430K? Rta. : 2.52atm 7) Cierta masa gaseosa ocupa un volumen de 80lts a 15°C y 2atm. ¿A que temperatura en °C habrá que llevarlo para que su volumen sea 94lts si la presión en el estado final es de 2.54atm? Rta. : 156.76°C 8) Hallar el número de moles de moléculas del gas del ejercicio anterior. Rta. : 6.8 moles 9) Para un cierto estado de un gas, la expresión P.V/T vale 4.1lt. atm/K. ¿Cuántos moles de moléculas constituyen la masa gaseosa? Rta. : 50 moles 10) En un recipiente una masa de hidrogeno ocupa un volumen de 200cm3 a 27°C y 1000mmHg de presión, ¿Cuál será el volumen que ocupa a 97°C y una presión de 500mmHg? Rta. : 11) ¿Que volumen ocupara un mol de hidrogeno a 27°C y 2atm de presión? Rta. : 12) ¿Qué volumen ocupan 2.5moles de amoniaco a 177°C y 1.5atm de presión? Rta. : 13) 12lts de una gas soportan una presión de 1.2atm. ¿Cuál será el volumen que ocupara la misma masa de gas si manteniéndose la temperatura constante se la lleva a una presión de 1.8atm? Rta. : 24 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 14) Una gas ocupa un volumen de 50ml medidos a una temperatura de 20°C. ¿Qué volumen ocupará a 5°C si se mantiene la presión constante? Rta. : 15) Cierta masa de gas ocupa un volumen de 40ml medidos a 15°C. Expresar en °C la temperatura a la que deberá ser llevada esa misma masa gaseosa para que su volumen se reduzca a la mitad si la presión es constante. Rta. : 16) A 20°C una cierta masa gaseosa soporta una presión de 8atm. Si se calienta hasta llegar a una temperatura de 80°C, ¿Cuál será la presión suponiendo que el volumen permanece constante? Rta. : 17) Un gas ocupa un volumen de 80lts medidos a 3atm de presión y 19°C de temperatura. ¿Cuál será su volumen cuando se lo someta a una presión de 7atm y se lo calienta a una temperatura de 25°C? Rta. : 18) ¿A qué temperatura se hallan 12 moles de moléculas de una gas sometido a una presión de 4atm en un recipiente de 21lts. ? Rta. : 19) Un compuesto gaseoso tiene la formula C8H18. Calcular el volumen que ocupara 1gr de dicho compuesto a 735mmHg y 99°C. Rta. : 20) Calcular cuántos moles de nitrógeno contiene un tanque de 500lts de dicho gas a 117°C y 700mmHg. Rta. 21) Calcular el volumen que ocupa 0.7moles de gas a 27°C y 1.5atm Rta. 22) Calcular la masa molecular relativa de un compuesto, sabiendo que 3gr del mismo ocupan 5lts medidos a la presión de 1.2atm y 142°C. Rta. 23) Calcular cuántos gramos de dióxido de carbono hay en 2.5lts de dicho gas medido a 72°C y 2atm de presión. Rta. 24) Si el volumen molar de un gas en CNPT es de 22.4lts, ¿cual será el volumen molar a 25°C y 1atm? Rta. 25) ¿Qué volumen ocupa 8gr de oxígeno en CNPT?. Idem para 64gr de CH4 Rta. 26) En un recipiente de 25lts, se colocaron 2 moles de hidrogeno a 17°C. ¿Qué presión se obtuvo? Rta. 27) ¿Qué presión ejercerá 21.5gr de nitrógeno en un recipiente de 20lts a 27°C? Rta. 25 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 28) En un recipiente de 4lts hay argón a 0.80atm y 27°C. ¿Cuántos moles de argón hay? Rta. 29) ¿Qué temperatura tiene el sistema formado por 65gr de oxigeno que ocupa 68.4lts y ejerce una presión de 700mmHg? Rta. 30) Si una masa de 20gr de un gas ocupa un volumen de 15lts a 1atm y 25°C, ¿cuál es la masa molecular de dicho gas? Rta. 31) La densidad de una sustancia gaseosa es 1.15gr/lt a 27°C y 1.10atm ¿Cuál es la masa molecular? Rta. 32) Si la masa molecular relativa del metano es 16, ¿cuál es su densidad en CNPT? Rta. 33) La densidad de un gas en CNPT es de 1.25gr/lt. ¿Cuál es la densidad a 1.20atm y 25°C? Rta. 34) 1.120gr de una sustancia pura se transforma en vapor a una temperatura de 120°C a la presión normal. El volumen del vapor en esas condiciones es de 175ml. Calcular: a) Masa molecular de la sustancia. b) Numero de moléculas contenidas dentro del recipiente. c) Masa molecular absoluta de la sustancia. Rta. 35) Calcular la densidad del oxígeno en: a) En CNPT. b) A 100°C y 3atm. Rta. 36) En CNPT una cierta masa de un gas ocupa un volumen de 40lts. Calcular la temperatura en °C a que debería llevarse una masa doble del mismo gas para que la presión ejercida sea de 700mmHg siendo el volumen constante. Rta. 37) Un recipiente de 2.5lts contiene 1.520gr de una sustancia simple constituida por moléculas diatómicas en estado gaseoso a una temperatura de 273°C y 740mmHg. Calcular: a) Masa molecular de dicho gas. b) Numero de moles contenidos en el recipiente. c) Masa atómica absoluta del elemento que constituye dicha sustancia. Simple. Rta 38) Calcular la masa de un litro de hidrogeno si: a) El volumen se mide a 127°C y 2atm de presión. b) El volumen se mide en CNPT. c) Calcular el número de moléculas de dicho gas contenido en los ítems anteriores. Rta 39) Se encontró que un gas posee una densidad 2.5 veces mayor que la del oxígeno en iguales condiciones de presión y temperatura. ¿Cuál es la masa molecular relativa de dicho gas? Rta 26 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 40) Una masa de 0.13gr de un gas ocupa un volumen de 0.20lts a una temperatura de 27°C a presión normal. Se lo lleva a una temperatura T2 permaneciendo la presión constante y ocupa un volumen doble. Calcular: a) Valor de T2. b) Numero de moles de gas que contiene el recipiente. c) Masa molecular relativa de dicho gas. d) Densidad en CNPT. e) Masa molecular absoluta. Rta 41) Una vasija abierta cuya temperatura es de 10°C se calienta a presión constante hasta 400°C. Calcular la fracción del peso del aire inicialmente contenido en la vasija, que es expulsado. Rta 42) ¿Cuántos globos esféricos de goma de 6lts de capacidad, pueden llenarse en CNPT con el hidrogeno procedente de un tanque que contiene 250lts del mismo a 20°C y 5atm de presión?. Rta 43) Una mezcla de oxígeno y nitrógeno ocupan un recipiente de 2lts a 27°C ejerciendo una presión de 0.8atm. ¿Cuántos moles hay en total?. Si hay el doble de moles de oxigeno que de nitrógeno, ¿cuántos moles hay de cada gas?. Rta 44) En un recipiente de volumen fijo de 4lts se colocan 0.20 moles de hidrogeno y 0.40 moles de nitrógeno. La temperatura es de 27°C, ¿qué presión ejercería cada gas si el otro no estuviera en el recipiente? ¿Cuál es la presión ejercida por los gases? Rta 45) En un recipiente de 10lts se colocan 0.60 moles de Ar y 0.40 moles de H2 a una temperatura de 17°C. ¿Cuál es la presión soportada por el recipiente? Rta 46) Una solución gaseosa tiene 2.0gr de He y 4.0gr de Ne Si el volumen es de 15lts y la temperatura de 27°C, ¿cuál es la presión que ejerce cada gas y cual es la presión total? Rta 47) Dentro de un globo hay 0.40 moles de oxígeno y 1.20 moles de nitrógeno a una temperatura de 30°C, la presión ejercida por el oxígeno es de 0.60atm. Calcular: a) Volumen del globo. b) La presión total. c) La presión que ejerce el nitrógeno. Rta 48) En un tanque hay 4gr de hidrogeno y 64gr de oxigeno. La presión total es de 1.2atm a 25°C de temperatura. Calcular las presiones parciales de cada componente. 49) Un matraz de volumen 1500cm3 contiene 400mgr de oxigeno y 60mgr de hidrogeno a una temperatura de 100°C. Calcular: a) Presión total dentro del matraz. b) Presión parcial del oxigeno 50) . Una masa de aire a15°C, ocupa un volumen de 5,5 m3 ejerciendo una presión de 0,86kgf/cm2. ¿Cuál será su volumen a 30°C si ejerce una presión de 1,02kgf/cm2? Rta. : 4,878 m3 27 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 51) Un gas ocupa un volumen de 2 litros en un cilindro a presión constante y a 27°C, calcular el volumen de ese gas a 252°C. Rta. : 3,5 litros 52) Sobre un gas que se encuentra dentro de un recipiente hermético y que está a 57°C, se ejerce una presión de 152 cmHg, Suponiendo que el volumen no varía, determinar la presión que actuará sobre dicho gas, si la temperatura aumenta hasta 180°C. Rta. :208,6 cmHg 53) Un gas que se encuentra en un recipiente ocupa un volumen de un litro a una presión de, dos atmósferas y una temperatura de -13°C. Calcular el volumen en litros que ocupará dicho gas, si la presión aumenta a 5 atm y la temperatura se eleva hasta 97°C. Rta. 0,569 litros 54) El volumen de un gas es de 500cm3 y está contenido en un recipiente a una presión de 80cmHg y O°C de temperatura. Determinar cuál será la presión en atmósferas que adquiere dicho gas, si el volumen disminuye a 1/4 de litro y la temperatura es 37°C. Rta. 2,31 atm 55) Un gas a 18°C y 750 mmHg ocupa un volumen de 150 cm3. ¿Cuál será su volumen a 65°C si se mantiene constante la presión? Rta. 174,2 crTi3 56) Una masa de hidrógeno en CNPT. ocupa un volumen de, 50 litros ¿Cuál será el volumen a 28°R y 720 mmHg? Rta, 59,5 litros 57) Un recipiente contiene 80 dm3 de gas a una presión de 20 atm, manteniendo T cte., ¿Qué presión será necesaria para disminuir el volumen a 16 dm3? Rta.: 100 atm 58) Un cilindro contiene aire a 760 mmHg. Luego se hunde un pistón de radio 5 cm hasta que la presión del aire encerrado es de 120 mmHg. ¿Cuánto vale la fuerza ejercida sobre el pistón? Rta. : 128 Kgf 59) Un recipiente contiene 5 dm3 de aire a P = 1 atm. ¿Qué volumen ocupará si se lo comprime a una P de 10 atm a T = cte.? Rta. : 0,5 dm3 60) ¿Cuánto vale la fuerza ejercida por la presión atmosférica sobre el pistón del problema 2. Rta. : 81 Kgf 61) ¿Cuánto vale la fuerza aplicada para hundir el pistón del problema 2. Rta. : 47 Kgf 62) Un tubo cilíndrico vertical se tapa a la presión atmosférica de 750 mmHg con un émbolo que se desliza hasta que la presión del aire encerrado lo detiene. La superficie De la tapa es de 200 cm2 y pesa 10 Kgf. ¿Qué presión tiene el aire encerrado? Rta. : 786,8 mmHg 63) En una pistola de aire comprimido, se comprime 100 cm3 de aire a 1 atm de presión hasta un volumen de 20 cm3. ¿Qué fuerza ejerce el aire comprimido sobre el proyectil de sección 5 mm2? Rta. : 0,258 Kgf 28 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 64) Un recipiente de 1340 cm3 se cierra a una presión de 760 mmHg y se lo abre en otro lugar donde la presión es de 720 mmHg a la misma temperatura. ¿Entra ó sale aire?. ¿Cuánto aire entra ó sale? ¿Cuál es el ρ del aire del segundo lugar si la ρ del primer lugar es de 1,3 gf/dm3? Rta. : salen 74,4 cm3; ρ = 1,23 gf/dm3 65) A 765 mmHg se llena de aire un cilindro de 15 dm3. ¿Qué volumen ocupará a 2,5 atm y a la misma temperatura? Rta. : 6 dm3 66) ¿Cuál es el ρ del aire comprimido del problema anterior? Rta. : 3,25 gf/dm3 29 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía de ejercicios Nro. 3: Estequiometria Para realizar los problemas de esta serie, se requiere • Estar familiarizado con los conceptos de masa atómica relativa, masa molecular relativa. mol, masa molar y volumen molar. • Saber utilizar la Tabla Periódica de los Elementos. • Conocer la ecuación general de los gases ideales y reconocer su ámbito de aplicación. • Reconocer las distintas formas de expresar la concentración de una solución y cómo convertirlas entre si. • Manejar la nomenclatura de las sustancias químicas inorgánicas (IUPAC y tradicional). • Saber igualar ecuaciones químicas. • Comprender la información cuantitativa que proporciona una ecuación química. • Reconocer en una reacción química el reactivo limitante. • Comprender los conceptos de pureza de un reactivo y de rendimiento de una reacción, y su aplicación en cálculos estequiométricos. Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos. A escala microscópica una reacción química se produce por la colisión de las partículas que intervienen ya sean moléculas, átomos o iones, aunque puede producirse también por el choque de algunos átomos o moléculas con otros tipos de partículas, tales como electrones o fotónes. Este choque provoca que las uniones que existían previamente entre los átomos se rompan y se facilite que se formen nuevas uniones. Es decir que, a escala atómica, es un reordenamiento de los enlaces entre los átomos que intervienen. Este reordenamiento se produce por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, sin embargo los átomos implicados no desaparecen, ni se crean nuevos átomos. Esto es lo que se conoce como ley de conservación de la masa, e implica los dos principios siguientes: El número total de átomos antes y después de la reacción química no cambia. El número de átomos de cada tipo es igual antes y después de la reacción. En el transcurso de las reacciones químicas las partículas subatómicas tampoco desaparecen, el número total de protones, neutrones y electrones permanece constante. Y como los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa, la suma total de cargas no se modifica. Esto es especialmente importante tenerlo en cuenta para el caso de los electrones, ya que es posible que durante el transcurso de una reacción química salten de un átomo a otro o de una molécula a otra, pero el número total de electrones permanece constante. Esto que es una consecuencia natural de la ley de conservación de la masa se denomina ley de conservación de la carga e implica que: La suma total de cargas antes y después de la reacción química permanece constante. Las relaciones entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y por lo tanto pueden ser determinadas por una ecuación (igualdad matemática) que las describa. A esta igualdad se le llama ecuación estequiométrica. 30 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 1) Dada la siguiente reacción química: Hidrógeno( g ) + Nitrógeno( g ) → Amoníaco( g ) a) Escribir e igualar la reacción química correspondiente. b) Identificar los enlaces o uniones que se rompen, y aquellos que se forman. c) Establecer una relación cuantitativa entre las masas de las sustancias que intervienen en la reacción. d) ¿Qué ley gravimétrica se verifica? e) ¿Cómo se denominan este tipo de reacciones, en las que se obtiene una sustancia compuesta a partir de otras? 2) Con el objeto de interpretar el significado estequiométrico de la ecuación 2ZnS + 3O2 ( g ) → 2 ZnO + 2 SO2 ( g ) Completar el siguiente cuadro: Magnitud REACTIVOS PRODUCTOS Cantidad de sustancia (moles) Cantidad de sustancia Masa (g) Volumen (dm3) en CNPT 3) Si 0.5 moles de ortofosfato de potasio (K3PO4) reaccionan con cloruro de calcio (CaCl2), calcular: a) Gramos de CaCl2 que reaccionan. b) Los moles de cada uno de los productos que se obtienen. 4) Se quiere obtener 30gr de cobre tratando óxido cúprico con amoniaco. La reacción es la siguiente: CuO + NH 3  → N 2 + H 2 O + Cu a) Equilibrar la reacción. b) Calcular los gramos de reactivos que deben utilizarse. 5) 4 moles de cobre reaccionan con 16gr de ácido nítrico según la ecuación: → Cu ( NO3 ) 2 + NO + H 2 O Cu + HNO3  a) Equilibrar la reacción. b) Calcular los moles de todas las sustancias que están presentes cuando se completa la reacción. 6) Calcular cuántos gramos, moles y litros medidos en CNPT pueden obtenerse por la combustión de 10gr de carbono. 31 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 7) 289gr de fósforo reacciona con suficiente oxígeno a 27°C 800 mmHg, obteniéndose P4O10. a) Escribir la ecuación balanceada que interpreta el proceso. b) Calcular el volumen de oxigeno que se consume medidos en las condiciones del problema. 8) Se desea obtener sulfato de aluminio mediante neutralización. a) Calcular la masa de hidróxido de aluminio que debe neutralizarse. b) El numero de moles de ácido sulfúrico que debe agregarse. 9) Calcular los gramos y los moles de ácido clorhídrico necesaria para neutralizar 0.5 moles de: a) Hidróxido de aluminio. b) Hidróxido de sodio. c) Hidróxido de calcio. 10) Se hacen reaccionar nitrato de plata con 10gr de cromato de potasio obteniéndose 3gr de nitrato de potasio según la reacción: AgNO3 + K 2 CrO 4  → KNO3 + Ag 2 CrO 4 Sabiendo que el cromato de potasio se halla en exceso, calcular: a) ¿Cuantos gramos de nitrato de plata reaccionan? b) ¿Cuantos gramos de cromato de potasio quedan sin reaccionar? c) ¿Cuantos gramos de cromato de plata se obtienen? 11) Calcular cuántos gramos de Zn reaccionan con 150gr de ácido sulfúrico para dar sulfato de Zn e hidrogeno. 12) Con los datos del problema anterior, calcular cuántos moles de sulfato de Zn e hidrogeno se obtienen. 13) Se combinan S y O2 en presencia de un catalizador, obteniéndose 50gr de anhídrido sulfúrico. Calcular: a) Gramos de azufre que reaccionan. b) Litros de oxigeno consumido en CNPT. 14) Se hacen reaccionar bromo liquido con carbonato de sodio obteniéndose bromato de sodio, bromuro de sodio y anhídrido carbónico gaseoso. En el proceso se recogen 20 litros de CO2 medidos a 27°C y 1140mmHg. a) ¿Escribir la ecuación química que representa al proceso? b) ¿A cuántos litros de CO2 medidos en CNPT corresponden? c) ¿Cuántos ml de bromo reaccionaron. Densidad del bromo=3,12 gr/ml d) ¿Cuantos moles de bromuro de sodio se formaron? e) Cuántos gramos de carbonato de sodio debieron reaccionar? 15) Se combina nitrógeno con oxígeno en presencia de un catalizador para dar anhídrido nítrico. ¿Cuántos moles de nitrógeno se necesitan para obtener 40 litros de anhídrido nítrico a 27° y 2 atmósferas de presión? 16) Reaccionan totalmente 12gr de C con suficiente cantidad de oxígeno. Calcular los litros que se obtienen de anhídrido carbónico y el volumen de oxigeno consumido si ambos se determinan a 37°C y 770 mmHg. 32 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 17) Se neutralizan 200gr de ácido sulfúrico con hidróxido de sodio. Calcular: a) Moles y gramos de sulfato de sodio formado b) Moles y gramos de hidróxido de sodio que reaccionan 18) Calcular los gramos de hidróxido de calcio y ácido nítrico que se necesitan para obtener 2Kgr de nitrato de calcio. 19) Calcular el volumen de ácido sulfúrico (pureza 98%, densidad 1,8 gr/ml) necesario para obtener 100gr de sulfato de aluminio. 20) ¿Cuantos gramos de ácido fosfórico e hidróxido de calcio se necesitan para obtener 50gr de fosfato monoácido de calcio? 21) Se neutralizan 15gr de ácido clorhídrico con hidróxido de sodio, calcular: a) Gramos y moles de cloruro de sodio formado. b) Gramos y moles de hidróxido de sodio que reaccionan. 22) Calcular los gramos de ácido carbónico e hidróxido de sodio necesarios para obtener 300gr de bicarbonato de sodio. 23) En un erlenmeyer se coloca 50gr de ácido nítrico y 50gr de hidróxido de sodio. Calcular: a) Reactivo en exceso. b) Gramos de nitrato de sodio que se forma. c) Gramos del reactivo en exceso que queda sin reaccionar. 24) Se mezclan 10gr de ácido carbónico con 10gr de hidróxido de calcio. Calcular la composición final del sistema. 25) Calcular los gramos de óxido de calcio necesarios para obtener 50gr de carbonato de calcio. 26) Sabiendo que 32gr de azufre se combinan con 56gr de hierro, calcular: a) Calcular cuántos gramos de azufre se combinan con 30gr de Fe. b) ¿Qué masa de sulfuro de hierro se formará? 27) Se hacen reaccionar 4 moles de ácido fosfórico con hidróxido de aluminio. a) Escribir la reacción balanceada. b) Calcular los gramos de sal formada. c) Indicar los moles de base necesarios para la reacción. d) Calcular los gramos necesarios para la reacción. 28) Cuando se hace reaccionar 109,5gr de ácido clorhídrico con cinc, se obtiene cloruro de cinc y se desprende hidrogeno. a) Escribir la ecuación balanceada correspondiente. b) Calcular la cantidad de cinc que reaccionaria con el ácido presente. c) Calcular los gramos de cloruro de cinc formados. d) Calcular el volumen de hidrogeno desprendido en CNPT. 33 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 29) Dada la ecuación: Se pide: K + H 2 O → KOH + H 2 a) b) c) d) Equilibrar la ecuación. Calcular el peso de agua que reacciona con 195gr de potasio. Calcular los gramos de KOH formados. Calcular el volumen de hidrogeno desprendido en CNPT. 30) Se necesita obtener 1,775gr de cloro en estado gaseoso a partir de: MnO2 + ClH → Cl2 + MnCl2 + H 2O a) b) c) d) Equilibrar la ecuación Calcular los gramos de dióxido de manganeso necesarios. El volumen de cloro desprendido en CNPT. Calcular los gramos de agua obtenidos. 31) 24 moles de ácido nítrico reaccionan con cantidad suficiente de carbonato de potasio desprendiéndose CO2 y obteniendo la sal correspondiente y agua. Calcular a) Moles de carbonato de potasio que reaccionan. b) Masa de sal obtenida. c) Numero de moléculas de agua originadas por la reacción. d) Volumen de dióxido de carbono desprendidos a 27°C y 912 mmHg de presión. 32) Calcular: a) el número de moles de átomos de Mg que se combinan con HCl cuando se forman 19,06gr de cloruro de Mg. b) El volumen de hidrogeno que se desprende si se lo mide a 836 mmHg y temperatura normal. 33) Se quiere obtener 18,3gr de anhídrido carbónico, calcular la masa de carbono y los moles y volumen de oxigeno necesarios. 34) Calcular el volumen de oxigeno que se desprende en CNPT. al calentar 100gr de nitrato de potasio por reducción a nitrito de potasio y oxígeno. 28) La soda cáustica se prepara comercialmente haciendo reaccionar carbonato de sodio con Ca(OH)2 (cal apagada). ¿Cuántos gramos de NaOH se obtienen tratando 1Kgr de carbonato de sodio con hidróxido de calcio? 35) La ecuación de obtención de fósforo mediante un horno eléctrico es: Ca 3 ( PO4 ) 2 + SiO 2 + C → CaSiO3 + CO + P4 Determinar: a) Numero de moles de moléculas de fósforo obtenidos por cada mol de moléculas de fosfato de calcio usado. b) Masa de fósforo obtenido por cada mol de moléculas de fosfato de calcio usado. c) Masa de fósforo obtenido por cada gramo de fosfato de calcio usado. d) Numero de moles de moléculas de SiO2 y C necesarios por cada mol de moléculas de fosfato de calcio usado. 34 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 36) 24 moles de ácido nítrico reaccionan con cantidad suficiente de carbonato de potasio desprendiéndose CO2 y obteniendo la sal correspondiente y agua. Calcular a) Moles de carbonato de potasio que reaccionan. b) Masa de sal obtenida. c) Numero de moléculas de agua originadas por la reacción. d) Volumen de dióxido de carbono desprendidos a 27°C y 912 mmHg de presión. 37) Se descompone clorato de potasio obteniéndose cloruro de potasio y oxígeno. Calcular: a) Cantidad de clorato de potasio necesario para obtener 400 ml de oxigeno medidos a: 21° y 640mmHg. b) Moles de moléculas de cloruro de potasio formados simultáneamente. 38) Reaccionan óxido férrico y ácido clorhídrico. Calcular: a) Masa de óxido que reaccionara con 50ml de solución de ácido clorhídrico de conc. 4% de densidad: 1.02gr/ml. b) Masa de cloruro férrico formado. c) Números de equivalentes gramos e cloruro férrico correspondiente a la masa calculada en "b". d) Suponiendo que el volumen final de la solución de sal fuera 100ml, calcular la normalidad. 39) Se hacen reaccionar 408gr de óxido de aluminio con suficiente cantidad de ácido sulfúrico. Calcular: a) Numero de moles de moléculas de reactivos. b) Masa de sal formada. c) Volumen de una solución al 20%, densidad: 1.23gr/ml que se pueden preparar a partir del sulfato de aluminio formado. d) Molaridad y normalidad de la solución anteriormente formada. 40) Se hacen reaccionar Fe con 100ml de solución de sulfato cúprico 0.5N. Calcular: a) Numero de equivalentes gramos de sal reaccionante. b) Masa de hierro Sulfato cúprico que reaccionaron. c) Numero de moles de iones cúprico que se transformaron en Cu metálico. 41) Calcular la masa de sulfuro ferroso de 94,5% de pureza que reaccionan con ácido clorhídrico para obtener 1,6lts de hidrogeno medido a 27° y 1 atm de presión. 42) De acuerdo al problema anterior, calcular la normalidad de la solución de cloruro ferroso resultante si su volumen es de 1500ml. 43) Calcular la masa de caliza de riqueza en carbonato de calcio 88.2% se necesitan para obtener por calcinación 150lts de dióxido de carbono en CNPT si el rendimiento de la reacción es del 96%. 44) Se mezclan dos soluciones conteniendo respectivamente: 25gr de carbonato de sodio y 0,4 equiv. Gr de ácido clorhídrico. Calcular: a) Masa de reactivo en exceso. b) Normalidad de la solución de cloruro de sodio obtenida, si su volumen es de 800ml. c) Volumen de CO2 desprendido medidos a 27° y 1 atm de presión. 45) Se hacen reaccionar 19.6gr de H2SO4 con 80gr de Zn. Determinar reactivo en exceso y limitante y cantidad de cada uno. 35 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 46) Dada la ecuación SO2 + O2 → SO3 Calcular: a) Volumen de O2 que reaccionan con 8 moles de moléculas de SO2 trabajando en CNPT b) La masa de SO3 obtenido 47) Un volumen de 30litros de Cl2 reacciona con H2 para dar HCl. Calcular: a) Masa de H2 empleada. b) Volumen de HCl obtenido en CNPT. c) Numero de moles de moléculas de H2 empleados 48) Una masa de 20gr de ácido nítrico reacciona con hidróxido de sodio. Calcular: a) La masa y numero de moles de sal obtenida. b) Masa de hidróxido empleada. c) Numero de moles de moléculas de agua que se obtienen. 49) Se quieren obtener 200gr de Na2SO4. Calcular: a) La masa de ácido sulfúrico empleada. b) Numero de moles de molécula de base consumidas. 50) Una masa de 750gr de carbonato de calcio se descompone según la siguiente reacción: CaCO3 → CaO + CO2 a) Calcular el volumen de CO2 desprendidos a 27° y 5atm. 36 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 51) Se hacen reaccionar un mol de moléculas de ácido perclórico con 32gr de hidróxido de magnesio. Calcular la cantidad de reactivo en exceso expresándolo en moles y masa. 52) ¿Cuantos gramos de amoniaco se obtienen a partir de 15 moles de moléculas de H2? 53) ¿Qué masa de O2 se combina con 460gr de sodio para formar el respectivo óxido? 54) Calcular cuántos dm3 de O2 medidos en CNPT se necesitan para la combustión completa del metano CH4 produciendo CO2 y H2O. 55) Se hacen reaccionar 12dm3 de H2 medidos en CNPT. Con la cantidad necesaria de N2. ¿Cuál es el volumen de NH3 medidos en CNPT se obtienen? 56) Si se quiere preparar 0.02 moles de hidróxido de potasio, calcular: a) ¿Que masa de cada reactivo será necesario? b) ¿Cuantos moles de moléculas se requieren? c) ¿Cuantas moléculas de agua reaccionan? 57) En un proceso para obtener amoniaco gaseoso, se tratan 25 kg de cal (80% de pureza en hidróxido de calcio) con exceso de cloruro de amonio. La ecuación correspondiente es Ca (OH ) 2 + 2 NH 4 Cl → 2 NH 3 + CaCl 2 + 2 H 2 O Calcular a) el volumen de amoniaco en m3, obtenido a 27 °C y 1 atm b) la masa de agua formada, en kg. Respuesta: a) 13.3 m3 b) 9,70 kg 58) Industrialmente se puede obtener dióxido de azufre (gaseoso) por oxidación de sulfuro de cinc, según la ecuación química del problema 2. Si se quiere obtener 33,6 dm3 de dióxido de azufre en CNPT mediante este proceso, calcular: a) La masa de sulfuro de cinc que debe emplearse b) El volumen de oxígeno en CNPT que reaccionará. c) La cantidad de óxido de cinc, en moles, que se obtendrá d) La masa de blenda (mineral que contiene un 73% de ZnS) que debería usarse para obtener el volumen indicado de dióxido de azufre. e) La masa de ácido sulfúrico que podría obtenerse, por oxidación con oxígeno de ese volumen de dióxido de azufre a trióxido de azufre, y posterior reacción de éste con agua. 59) Al reaccionar soda Solvay técnica (91 % de pureza en Na2CO3) con suficiente cantidad de HCI se obtuvieron 50 dm3 de CO2 (g) a 27 °C y 1 atm. La ecuación que representa el proceso es Na 2 CO3 + HCl → NaCl + CO2 ( g ) + H 2 O Calcular a) la masa de soda Solvay empleada, expresada en g b) las cantidad de HCI consumida, expresada en moles c) la masa de agua obtenida, expresada en g d) el número de iones Na+ contenido en el NaCI obtenido. Respuesta: a) 236,7 g ; b) 4,06 moles ; c) 36,5 g ; d) 2,44. 1024 iones. 37 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 60) En un recipiente de 45,0 dm3 lleno de F2 (g) en CNPT, se introducen 28,0 g de Li (s) (75 % de pureza). Se hacen reaccionar, obteniéndose LiF(s) a 27 °C. Despreciando los volúmenes ocupados por los sólidos, calcular: a) la presión en atmósferas que soporta el recipiente luego de la reacción. b) la masa de LiF obtenida, expresada en g. Respuesta: a) 0,27 atm; b) 78,0 g 61) Se hacen reaccionar 6,35 g de Cu con exceso de ácido sulfúrico, según Cu ( s ) + H 2 SO4 → CuSO4 (aq ) + SO2 ( g ) + H 2 O 62) ¿Cuántos gramos de hierro deben quemarse en una atmósfera de oxigeno para formar 4,85 g de Fe2O3? a) ¿Cuántos moles de oxígeno se consumen? 63) Un tanque contiene 70,0 kg. de amoníaco para utilizarlo como fertilizante; si para su obtención se partió de la siguiente reacción: AlN + H2O → NH3 + Al(OH)3 Calcular: a) ¿Qué masa de AlN se necesita? b) ¿cuántos moles de Al(OH)3 se forman? 64) El PCl3 puede prepararse haciendo reaccionar P4 con Cl2 gaseoso de acuerdo a la siguiente ecuación: P4(s) + Cl2(g) → PCl3(g) a) ¿Cuántos moles de fósforo son necesarios para preparar 5,49 g de PCl3? b) ¿Qué volumen de Cl2 (CNPT) se consumirá en el proceso? c) ¿Qué masa de PCl3 se obtendrá a partir de 10,0 g de fósforo? 65) ¿Cuántos moles de oxigeno se necesitan para preparar 142 g de P4O10(s) a parte de fósforo blanco (P4)? a) ¿A qué masa de oxígeno corresponde? b) ¿Cuál es el volumen de oxígeno necesario medido a 540 mm de Hg y 14,0°C? Resp.: a) 2,50 mol; b) 80 g; c)83 dm3 66) Un tubo de ensayo que contiene clorato (V) de potasio se calienta hasta la descomposición total de esta sustancia según la reacción: clorato (V) de potasio → cloruro de potasio + oxígeno (g) El tubo (más su contenido inicial) tenía una masa de 21,68 g, y la pérdida de masa ha sido de 0,960 g. ¿Cuál es la masa de sustancia que reaccionó y cuál es la masa del tubo de ensayo? 67) Se hacen reaccionar 197 g de MnO2 y 6,00 moles de HCl disueltos en agua según la reacción: MnO2 + HCI → MnCl2 + Cl2 + H2O a) b) c) d) Nombrar cada uno de los compuestos según la nomenclatura moderna. ¿Cuál de los reactivos se consume totalmente? ¿Qué masa de cloro se forma? ¿Cuántos moles de aniones cloruro origina la reacción? 38 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 68) Luego de completarse la reacción: Mg3N2+H2O → Mg(OH)2+NH3 se obtuvieron 0,100 mol de amoníaco y sobraron 1,80 g de agua. Calcular: a) Las masas iniciales de cada reactivo. b) El volumen de amoníaco obtenido, medido a 20,0°C y 2,00 atmósferas. 69) ¿Cuántos gramos de SO3 (g) pueden prepararse a partir de 24 g de SO2 (g) y 8,0 g de O2 (g)? 70) Se hace reaccionar 1,0 mol de HClO4 con 32,0 g de Mg (OH)2. HClO4 + Mg(OH)2→ Mg (CIO4)2 + H2O Calcular: a) La cantidad de reactivo que está en exceso, expresada en gramos y en moles. b) El número de moles de Mg(CIO4)2 que se forman. 71) El motor de un cohete se alimenta con butano (C4H10). ¿Cuántos kg. de oxígeno se consumen por cada 1,00 kg de butano para una combustión total de éste? C4H10+O2 → CO2+H2O 72) Se obtuvieron 27,216 toneladas de (NH4)2SO4 (para usar como fertilizante) según la reacción: NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 3 Si se utilizaron 9.500 m de amoníaco medido a 0 ° C y 1,000 atmósferas, calcular: a) Si la reacción fuera total, la masa de sulfato (VI) de amonio que se debería obtener a partir del volumen de amoniaco que reaccionó. b) El rendimiento de la reacción. 73) La siguiente reacción tiene un rendimiento del 95 %. Na2CO3 + Ca(OH)2 →CaCO3 + NaOH Si se parte de 36,00 g de Na2CO3: a) ¿Qué masa de NaOH se forma? b) ¿Cuántos moles de Ca(OH)2 intervienen en la reacción? c) Nombrar cada uno de los compuestos según la nomenclatura moderna. 74) Se hace reaccionar 80,0 dm3 de SO3 (a 27,0° C y 2,00 atmósferas) con 400 g de Ca(OH)2 para obtener CaSO4 y H2O. La reacción tiene un rendimiento del 84 %. a) Nombrar cada una de las sustancias según la nomenclatura moderna, b) ¿Cuál es el reactivo en exceso y en qué cantidad? c) ¿Qué masa de CaSO4 se obtiene? d) ¿Cuántos átomos de oxígeno hay en la masa de agua obtenida? 75) Se hace reaccionar 150,0 g de AgNO3 con un exceso de HCl. Si se producen 122,1 g de AgCl, ¿cuál es el rendimiento de la reacción? AgNO3 + HCI → HNO3 + AgCl R: 96,5 % 39 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 76) Se mezclan 2 soluciones que contienen 7,00 g de CaCl2 y 14,0 g de AgNO3 respectivamente. El rendimiento de la reacción es del 80,0 %. a) Si alguno de los reactivos está en exceso, ¿cuál es y en qué cantidad respecto de la relación estequiométrica? AgNO3 + CaCl2 → Ca(NO3)2 + AgCl 77) Según la siguiente reacción: Na2CO3 + Ca(OH)2 → NaOH + CaCO3 Se desea obtener NaOH para ser utilizado en la preparación de jabones. Si se hace llegar a un apagador de cal 900 kg de una muestra de Na2CO3 que posee una pureza del 90 %, junto con el otro reactivo, calcular: a) La masa de la muestra que reacciona con el Ca(OH)2 b) La masa de CaCO3 que precipita. c) El número de moles de NaOH que se obtienen. 78) ¿Cuántos cm3 de CS2 (93,0 % de pureza), cuya densidad es de 1,26 g/cm3, deben quemarse para obtener 12,8 g de SO2? CS2(s) + O2(g) → CO2(g) + SO2(g) 79) Se desea fertilizar 30 hectáreas dedicadas a cultivo, con NaNO3. Son necesarios 13,608 kg de dicho fertilizante, que pueden obtenerse según la siguiente reacción: HNO3 + NaCl → NaNO3+HCI Calcular: a) La masa de NaCl 90,0 % de pureza que necesita. b) Los moles de HCl que se forman. c) Nombrar cada uno de los compuestos según la nomenclatura moderna. 80) Se hizo reaccionar 40 g de KOH impuro con HCl, obteniéndose 40 g de KCl. KOH + HCl → KCl + H2O Calcular: a) La masa de KOH puro que reaccionó con el ácido. b) La pureza de la muestra. c) El número de átomos de oxigeno que intervinieron en la reacción. 40 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía teórico - práctica Nro. 4: Cinética y Equilibrio químico Cinética Química Para que un proceso químico sea observable es preciso que se produzca con cierta rapidez. Así, por ejemplo, a pesar de los elevados porcentajes de oxígeno y nitrógeno existentes en la composición del aire, la reacción: N 2 + O2 2NO tiene lugar con tal lentitud, que es prácticamente inobservable. En ocasiones, por el contrario, una reacción puede verificarse con tal rapidez que se convierta en explosiva. La combustión del hidrógeno constituye un ejemplo típico de este tipo de reacciones. Una reacción química cuyo ritmo de transformación sea lento, no suele tener ningún interés en la industria química, ya que, por lo general, lo que se busca con la reacción es la obtención de un determinado producto en cantidades apreciables. Lo anterior pone de manifiesto la necesidad de conocer la rapidez con la que los reactivos se transforman en productos en una reacción química, es decir, su velocidad. La parte de la química que se preocupa del estudio de la evolución de las reacciones químicas, de su velocidad y de la influencia de los diferentes factores que pueden afectarla recibe el nombre de cinética química. VELOCIDAD DE LOS PROCESOS El concepto de velocidad de reacción Se define la velocidad v de una reacción, como la cantidad de reactivo que se consume, o la de producto que se forma, por unidad de volumen en la unidad de tiempo. Dado que la cantidad de sustancia por unidad de volumen en una disolución, se denomina concentración, y teniendo en cuenta que, por lo general, tanto los reactivos como los productos se hallan en disolución, ya sea líquida, sólida o gaseosa, la velocidad de reacción representa la variación de concentración de una cualquiera de las sustancias que intervienen en la reacción por unidad de tiempo. Para una reacción del tipo: A+B C+D donde A y B representan los reactivos y C y D los productos, la velocidad se puede expresar, recurriendo a la notación de incrementos, en la forma: y se mide en mol/l s. v= ∆[ ] ∆t es la rapidez con que varía algo, la anterior expresión indica que v es, en efec- to, la rapidez con la que varía (aumenta) la concentración ([ ]) del producto C con el tiempo. Junto con la anterior, son expresiones equivalentes de la velocidad: 41 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL dado que, si la masa se mantiene constante, la velocidad con la que aparecen los productos tiene que ser igual a la velocidad con la que desaparecen los reactivos. El signo negativo se introduce para compensar el que corresponde a la disminución de la concentración de los reactivos; de este modo, el valor de la velocidad resulta igual y positivo cualquiera que sea la sustancia A, B, C o D elegida. Para una reacción como la de síntesis del yoduro de hidrógeno: H2 + I 2 2Hl por cada mol de hidrógeno molecular H2 que se consume, se producen dos moles de yoduro de hidrógeno Hl; como ambos procesos se dan al mismo tiempo, la velocidad de aparición del producto es, en este caso, el doble de la de desaparición de uno cualquiera de los reactivos. La velocidad de reacción ha de ser única y viene dada por cualquiera de las ecuaciones siguientes: Para una reacción más general, del tipo: aA + bB cC + dD el resultado anterior puede expresarse en la forma: Factores que modifican la velocidad de una reacción Un modo de explicar el mecanismo mediante el cual las reacciones químicas se llevan a efecto es admitiendo que tales procesos son el resultado del choque entre las moléculas de las sustancias reaccionantes. Sólo cuando dicho choque es suficientemente violento se romperán las moléculas y se producirá la reordenación entre los átomos resultantes. El desarrollo riguroso de estas ideas básicas constituye la llamada teoría de colisiones. Nos apoyaremos, en lo que sigue, en esta interpretación de las reacciones químicas para describir cómo intervienen diferentes factores en la modificación de la velocidad de reacción. Efecto de la concentración Por la misma razón que son más frecuentes los accidentes de tráfico en las, «horas punta», cuanto mayor sea el número de moléculas de los reactivos presentes en un mismo volumen más fácilmente podrán colisionar. Asimismo, cuanto mayor sea el número de colisiones que se producen en la unidad de tiempo, tanto más probable será la realización de un choque eficaz, esto es, de un choque que dé lugar a la transformación de las moléculas. De esta forma se explica el hecho experimentalmente observado, de que al aumentar la concentración de los reactivos aumente la velocidad de la reacción química. Efecto de la temperatura De acuerdo con la teoría cinético-molecular de la materia, las moléculas constituyentes de cualquier tipo de sustancia se hallan en continua agitación vibrando o desplazándose con una energía cinética que es directamente proporcional a la temperatura absoluta T a la que se encuentre dicha sustancia. 42 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Experimentalmente se observa que la velocidad de una reacción aumenta bastante rápidamente con la temperatura. Considerando conjuntamente la teoría cinética y la teoría de colisiones es posible explicar tal comportamiento. Al aumentar la temperatura, la energía cinética de las moléculas de los reactivos aumenta, con lo que los choques son más violentos poniéndose en juego en un mayor número de ellos la energía suficiente como para superar esa barrera que constituye la energía de activación. El efecto conjunto de estos procesos individuales se traduce en que una mayor cantidad de reactivos se transforma en la unidad de tiempo, es decir, la velocidad de reacción aumenta notablemente. Efecto del catalizador Se entiende en química por catalizador toda sustancia que incrementa la velocidad de una reacción sin verse ella misma alterada al final del proceso. El efecto del catalizador es, en cierto sentido, inverso al efecto de temperatura; en vez de aumentar la energía cinética de las partículas para poder salvar la cresta de la energía de activación, rebaja la altura de ésta, con lo cual hace más sencillo el proceso de transformación, pudiéndose en ocasiones llevar a cabo incluso a temperatura ambiente. El catalizador se combina con alguno de los reactivos, dando lugar a un producto intermedio de vida transitoria que reacciona con el resto con mayor facilidad. Una vez concluida la reacción se recupera, pudiendo ser nuevamente empleado. Efecto del grado de división Cuando el sistema está constituido por reactivos en distinto estado físico, como sólido y líquido por ejemplo, el grado de división del reactivo sólido influye notablemente en la velocidad de la reacción. Ello es debido a que, por verificarse la reacción a nivel de la superficie del sólido, cuanto más finamente dividido se encuentre éste, tanto mayor será el número de moléculas expuestas al choque y, por consiguiente, el número de choques eficaces aumentará. Equilibrio Químico La idea de reacción química lleva a veces a suponer que el proceso progresa de los reactivos hacia los productos, y que se detiene cuando se agota el reactivo que se encuentra en menor proporción. Este tipo de reacciones se denominan irreversibles. Sin embargo, con mayor frecuencia sucede que, a medida que los productos van haciendo su aparición en la reacción, tanto mayor es su capacidad para reaccionar entre sí regenerando de nuevo los reactivos. Cuando esto es posible en una reacción química, se dice que es reversible y se representa mediante una doble flecha, indicando así que la reacción puede llevarse a efecto tanto en un sentido como en el inverso: Reactivos Reacc. directa Reacc. inversa Productos Cada proceso posee una velocidad propia que va variando con el tiempo. Así, en los comienzos, la velocidad de la reacción directa es mucho mayor que la de la reacción inversa, debido a la diferencia de concentraciones entre reactivos y productos; pero a medida que estos últimos se van formando los reactivos van desapareciendo, con lo cual ambas velocidades se aproximan hasta hacerse iguales. 43 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL A partir de tal instante sucede como si la reacción estuviera detenida, pues las proporciones de reactivos y productos se mantienen constantes. Se dice entonces que se ha alcanzado el equilibrio químico. El equilibrio químico tiene un carácter dinámico, pues no implica que la reacción se paralice en ambos sentidos como podría pensarse, sino que, en cada unidad de tiempo, se forman y desaparecen el mismo número de moléculas de cualquiera de las sustancias que intervienen en el proceso. Si algunos de los productos pueden desprenderse y abandonar el sistema, se rompe el equilibrio y la reacción se verifica sólo en un sentido, hasta que los reactivos se hayan transformado totalmente. Por ejemplo, la reacción de oxidación del hierro por vapor de agua a alta temperatura, es reversible cuando se lleva a cabo en un recipiente cerrado: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 Pero debido a que el hidrógeno es un gas más ligero que el aire, si se abre el recipiente, lo abandonará, con lo cual ya no será posible el proceso inverso y el equilibrio quedará definitivamente roto. La reacción de formación o síntesis de yoduro de hidrógeno (HI) a partir de sus elementos: H2 + I 2 2HI constituye otro ejemplo de reacción reversible. Para estudiarla en el laboratorio se emplean recipientes cerrados de modo que la cantidad total de materia no varíe. 44 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Modificaciones del equilibrio El principio de Le Chatelier La composición de un sistema gaseoso en equilibrio depende de la presión, la temperatura, el volumen y las cantidades iniciales de las sustancias reaccionantes. Si se altera algunos de los factores que influyen en el equilibrio, la composición del sistema cambiará hasta alcanzar un nuevo estadio de equilibrio. Existe un principio muy general que determina las posibilidades de variación de los equilibrios químicos. Fue propuesto a finales del siglo pasado por el químico francés HenriLouis Le Chatelier (1850-1936), por lo que se conoce como principio de Le Chatelier. Se puede enunciar en los siguientes términos: «Cuando sobre un sistema químico en equilibrio se ejerce una acción exterior que modifica las condiciones del sistema, el equilibrio se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar la perturbación introducida.» He aquí algunos casos concretos de aplicación. Si en un sistema en equilibrio químico se aumenta la concentración de los reactivos, el equilibrio se desplazará hacia la derecha a fin de provocar la transformación de aquéllos en productos y recuperar así la situación inicial. La ruptura del equilibrio de la reacción: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 provocada por la pérdida de H2, puede explicarse en términos análogos, ya que al disminuir la concentración de H2 la reacción se desplaza hacia la derecha para producir más hidrógeno, oponiéndose, de este modo, a dicha perturbación. Una modificación de la temperatura del sistema en equilibrio puede producir igualmente un desplazamiento del mismo en un sentido o en otro. Así, por ejemplo, la reacción: N2O4 + calor 2NO2 es endotérmica, por lo que un aumento de la temperatura desplazará el equilibrio en el sentido de la reacción directa, pues es en el que absorbe calor. La reacción inversa se verá favorecida por un enfriamiento, pues en este sentido se produce calor. También los efectos de variaciones de presión, cuando el sistema posee componentes gaseosos, repercuten por análogas razones sobre el equilibrio. Así, por ejemplo, en la síntesis del amoníaco: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) un aumento de presión desplazará el equilibrio hacia la derecha, ya que el número de moléculas en el segundo miembro es inferior y, por tanto, ejercerán una presión menor sobre el recipiente. Variación de la presión total o del volumen Si a temperatura constante se produce un aumento de la presión externa, el volumen del recipiente disminuye. 45 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL La ley del equilibrio químico El principio de Le Chatelier permite predecir en qué manera se desplazará el equilibrio químico de una reacción reversible, pero no en qué medida. Una descripción cuantitativa del equilibrio fue efectuada por primera vez en 1870 por los químicos noruegos Guldberg (1836-1902) y Waage (1833-1918), que la expresaron en forma de ley. Así, para una reacción genérica del tipo: aA + bB cC + dD la ley de Guldberg y Waage se expresa matemáticamente en la forma: en la cual los coeficientes estequiométricos a, b, c y d que se obtienen tras ajustar la reacción, aparecen como exponentes de las concentraciones de reactivos y productos; K toma, para cada reacción, un valor constante y característico que sólo depende de la temperatura y que se denomina constante de equilibrio. La ley de Guldberg y Waage se conoce también como Ley de acción de masas (L.A.M.) debido a que, en el enunciado original, sus autores aludieron a conceptos tales como «fuerzas de acción» y «masas activas». Aunque el descubrimiento de esta ley fue el resultado de análisis de datos experimentales, algunos años más tarde pudo ser explicada teóricamente a partir de las leyes de la termodinámica. La Ley de acción de masas permite hacer cálculos y predicciones sobre el equilibrio. Así, el efecto de la concentración puede explicarse como sigue: si en un sistema en equilibrio se aumenta la concentración de un reactivo, [A] por ejemplo, la reacción ha de desplazarse hacia la derecha en el sentido de formación de los productos para que el cociente representado por K se mantenga constante. APLICACIÓN DE LA LEY DE ACCIÓN DE MASAS La reacción: 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) presenta una constante de equilibrio K = 6,45.105 (a 500 K de temperatura). Determinar cuál ha de ser la concentración de oxígeno para que se mantenga el equilibrio en un sistema en el que las concentraciones de NO y NO2 son iguales. De acuerdo con la ley de acción de masas: y dado que en el sistema considerado [NO2] = [NO], resulta: es decir: 46 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL APLICACIÓN DE LA LEY DE ACCIÓN DE MASAS (II) La constante de equilibrio, a 600 K, de la reacción de descomposición del amoníaco: vale K = 0,395. Si en un recipiente de 1,00 l de capacidad y a 600 K se introducen 2,65 g de NH3 a igual temperatura, calcular cuáles serán las concentraciones en el equilibrio. La cantidad de NH3 inicial expresada en moles será: y, puesto que el volumen del sistema es de un litro, la concentración inicial de NH3 será: [NH3] = 0,156 mol/l Pero conforme la reacción avance, la concentración irá disminuyendo hasta reducirse al valor de equilibrio. Si suponemos que se han descompuesto x moles/l de NH3, de acuerdo con la ecuación química de partida, se habrán formado Según la ley de acción de masas, se cumplirá la relación: Inicial Equilibrio 0.156 moles 0.156-x 0 ½x sustituyendo los valores de las concentraciones resulta: Operando y sustituyendo el valor de K, se tiene: que, reordenada, equivale a la ecuación de segundo grado: 2 1,30 x + 0,395 x - 0,0616 = 0 cuya solución aceptable es: 47 x = 0,114 Depto. de Qca. General e Inorgánica 0 3/2x E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Por tanto, las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio serán las siguientes: [NH3] = 0,156 - x = 0,156 - 0,114 = 0,042 mol/l [N 2 ] = 1 / 2x = 1 / 2 ⋅ 0.114 = 0.057 mol / l [H 2 ] = 3 / 2x = 3 / 2 ⋅ 0.114 = 0.171 mol / l 48 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL E j e r c i t a c i ó n E q u i l i b r i o Q u í m i c o 1. Siendo a 425°C las concentraciones de hidrogeno, yodo e Ioduro de hidrógeno en una reacción en equilibrio de 0,00114 M, 0,00114 M y 0,00841 M respectivamente, hallar el valor de la constante de equilibrio Respuesta: 0,0184 2. Para la reacción I 2 + H 2 ↔ 2 HI K= 62,5. 3. Al alcanzar el equilibrio se han hallado 0,4 mples de yodo y 3 moles de HI en un volumen total de 25 lts.. ¿Cuántos moles de hidrógeno hay en el sistema? Respuesta: 0,36 moles 4. A 425°C tenemos la siguiente reaccion 2 HI ↔ H 2+ I 2 K= 0,0184. Si se colocan 0,018 moles de HI en un recipiente de 10 lts. ¿Cuántos moles de yodo hay en equilibrio? Respuesta: 2.10-3 5. En un recipiente de 10,0 dm3 se coloca cierta cantidad de ozono a una temperatura T. El sistema evoluciona como se muestra en el gráfico, alcanzando el equilibrio representado por a. Calcular el valor de Kc a la temperatura T b. El valor de Kc a la temperatura T ¿aumenta, disminuye o no cambia con el aumento del volumen del recipiente? Respuesta: a) Kc = 43,2 6. En un recipiente rígido de 10,0 L se hacen reaccionar 10,0 moles de H2(g) con 10,0 moles de N2(g) A cierta temperatura el sistema alcanza el equilibrio representado por 3H2(g) + N2(g) 2NH3(g) en el que la [NH3] es 0.500 M. a. Representar gráficamente la concentración de cada sustancia en función del tiempo. b. Calcular el valor de Kc a esa temperatura. Respuesta: b) Kc = 21,3 49 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 7. En el gráfico se representan las concentraciones molares de reactivos y productos en función del tiempo, para una determinada reacción química, a una temp. T a. Indicar cuál de las siguientes ecuaciones simbólicas representa la reacción química. a ) A( g ) ↔ B ( g ) + 2C ( g ) b) 2 A( g ) ↔ B( g ) + C ( g ) c) A( g ) ↔ B) g ) + C ( g ) b. Calcular el valor de Kc. Respuesta a) ecuación a b) Kc = 0,333 8. ¿Por qué se dice que el equilibrio químico es dinámico? 9. Escriba la expresión de K para cada una de las reacciones. (1) 2 NO2 (g) 2NO(g) + O2 (g) (2) CO(g) + H2O(g) CO2 (g) + H2 (g) (3) 2 H2S (g) + 3 O2 (g) 2 H2O (g) + SO2(g) (4) PCl5 (g) PCl3(g) + Cl2 (g) 10. Ordene las siguientes reacciones de acuerdo con su tendencia creciente a producirse: a) H2O (g) H2O (l) Kc = 782 b) F2(g) 2 F(g) Kc = 4.9 10 -21 c) C(grafito) + O2 (g) CO2(g) Kc = 1.3 10 69 11. ¿Qué relación existe entre el cociente Q y K? ¿Por qué se compara K y Q? 12. Dado el siguiente equilibrio: PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) Δ H= 22.1 kcal ¿Cómo afectarían al equilibrio cada uno de los siguientes estímulos? (i) aumento de temperatura, (ii) aumento de la presión, (iii) aumento de la concentración de PCl5, (iv) adición de un catalizador. 50 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 13. Se mezclan hidrógeno y yodo a 400 °C en un recipiente de 1.00 litro. Al alcanzarse el equilibrio las concentraciones de las especies presentes son [HI] = 0.49 M [H2]= 0.08 M y [I2]= 0.06M. Si se añaden 0.300 moles de HI en exceso ¿cuáles serán las concentraciones al restablecerse el equilibrio?. Rta.: [H2]= 0.113 M [I2]= 0.093 M [HI]= 0.724 M 14. A 25 C la constante de equilibrio Kc de la siguiente reacción vale 4.66 10-3. Si se inyectan 0.8 moles de N2O4 en un recipiente de 1.00 litros a 25°C. ¿Cuáles serán las concentraciones de equilibrio de ambos gases? ¿Cuáles serán las nuevas concentraciones de equilibrio si se disminuye el volumen a la mitad y se mantiene la misma temperatura? Rta.: [N2O4] = 0.77 M [NO2] = 6. 10-2 M [N2O4] = 1.56 M [NO2] = 0.086 M 15. La constante de equilibrio Kc de la disociación del pentacloruro de fósforo vale 4.0 10-2 a 250 C. ¿Cuántos moles y gramos de PCl5 deben colocarse en un matraz de 3.0 litros para obtener una concentración de Cl2 0.15 M. Rta.: 2.13 moles de PCl5 y 445.67 g 16. A 400 °C una mezcla gaseosa de hidrógeno, iodo y ioduro de hidrógeno en equilibrio contiene 0.0031 moles de H2, 0.0031 moles de I2, y 0.0239 moles de HI por litro. Calcular a) el valor de la constante Kc, la presión total de la mezcla y las presiones parciales de cada uno de los componentes, c) El valor de la constante Kp. Rta.: Kc= 59.4 b) 1.661; 0.17 y 1.318 atm. c) Kp= 59.4 17. Dado el equilibrio: se observa que a una temperatura determinada, añadiendo inicialmente 0.6 mol/litro de NO y Br2 la concentración de NOBr en el equilibrio es 0.18 mol/litro. Hallar el valor de Kc a esa temperatura. 2 NO ( g ) + Br2 ( g ) ⇔ 2 NOBr ( g ) Rta.:Kc= 0.36 18. Al calentar pentacloruro de antimonio se disocia en tricloruro de antimonio y cloro. A 182 °C y una atmósfera se disocia en un 29.2% a. Calculen Kp y Kc para la disociación de dicho compuesto a la temperatura dada. b. Averigüen la presión a la que se disociará en un 60% SbCl 5 (g) ⇔ SbCl 3 (g) + Cl 2 (g) Rta.: a) Kp 0.094 Kc= 2.5 .10-3 b) 0.166 atm. 19. Expliquen razonadamente el efecto sobre el equilibrio: 2 C (s) + O2(g) 2 CO(g) ∆H = -221 KJ a. Si se añade CO. b. Si se eleva la temperatura 51 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 20. Considerando el siguiente equilibrio: 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g) a. Sugiéranse alguna forma de aumentar la presión del sistema de modo que en el equilibrio: i. disminuya el número de moles de SO3(g) ii. aumente el número de moles de SO3(g) iii. permanezca invariable el número de moles de SO3(g) 21. A 300 C el valor de Kc para la reacción PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) Es 0.56. En un recipiente de 10 litros hay una mezcla formada por 0.9 moles de Cl2 , 1.8 moles de PCl3 y 0.24 moles de PCl5 a. ¿estará el sistema en equilibrio? b. Si no lo está, en qué sentido evolucionará? Si no estuviera en el equilibrio recalcule las concentraciones finales. Rta.: a) Q= 0.67 , b) evolucionará en el sentido del PCl5 22. Considerando el siguiente equilibrio: 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g) a. Sugiéranse alguna forma de aumentar la presión del sistema de modo que en el equilibrio: i. disminuya el número de moles de SO3(g) ii. aumente el número de moles de SO3(g) iii. permanezca invariable el número de moles de SO3(g) 23. A 30 ºC el valor de Kc para la reacción PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) Es 0.56. En un recipiente de 10 litros hay una mezcla formada por 0.9 moles de Cl2 , 1.8 moles de PCl3 y 0.24 moles de PCl5 a. ¿estará el sistema en equilibrio? b. Si no lo está, en qué sentido evolucionará? Si no estuviera en el equilibrio recalcule las concentraciones finales. Rta.: Q= 0.67, b) evolucionará en el sentido del PCl5 24. En un recipiente de dos litros a 1800 ºC hay en equilibrio 0.6 moles de CO2, 0.6 moles de H2, 1.2 moles de CO, y 1,2 moles de vapor de agua. La reacción que se produce es: CO2(g) + H2(g) CO(g) + H20 (g) a. Calcular Kc y Kp a 1.800 ºC b. Averiguar el número de moles de CO2(g) que se deben añadir para aumentar la concentración de CO hasta 0.8 mol/litro. Rta.: [CO]= 0.6 mol/litro [H2O] = 0.6 moles/litro; [CO2] =0.3 molar; [H2]= 0.3 molar/litro; Kc=Kp= 4 3 moles de CO2 (g) 52 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 25. En un recipiente de 8 litros se introducen 0.58 moles de CO2 y 0.31 moles de H2, se calienta hasta 1250 ºC y se establece el equilibrio de la reacción en fase gaseosa CO 2 (g) + H 2 (g) ⇔ CO(g) + H 2O(g) Analizando la mezcla se encuentra que hay 0.36 moles de CO2 a. Calcular las cantidades de los restantes gases en el equilibrio. b. Determinar el valor de KC a dicha temperatura. c. Una vez alcanzado el equilibrio y sin modificar la temperatura se añaden 0.18 moles de H2. ¿Cuál será la composición de la mezcla una vez restablecido el equilibrio? Rta.: a) 0.09 moles de hidrógeno 0.02 moles de CO y de H2O - Kc = 1.49 26. A 27 ºC y una atmósfera de presión el N2O4 se encuentra parcialmente disociado según: N2O4(g) 2 NO2(g) si en estas condiciones la densidad de la mezcla gaseosa es 3.12 g/litro, calcular Kc. Rta.: 6.05 10-3 27. En un matraz de un litro, a 400 °C se introducen 0.03 moles de HI gaseoso y se cierra. Una vez alcanzado el equilibrio el HI se ha disociado parcialmente en H2 y I2 gaseosos, siendo la fracción molar de HI en la mezcla 0.8. Calcular: a. el valor de la constante de equilibrio kc b. La presión total de la mezcla y la presión total de cada gas c. El valor de la constante de equilibrio Kp Rta.: a) Kc = 0.0156 b) 1.65 atm; c) Kp = 1.56 10 -2 53 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía teórico - práctica Nro. 5: Equilibrio acido - base Introducción Los solutos que son solubles en agua pueden clasificarse como electrolitos y no electrolitos. Electrolito: son aquellas especies que en disolución acuosa conducen la corriente eléctrica. Presentan un comportamiento anormal respecto a las propiedades coligativas. Los electrolitos fuertes son sustancias que conducen bien la electricidad en disoluciones acuosas diluidas. Los electrolitos débiles conducen la electricidad muy poco en disoluciones acuosas. La corriente eléctrica se conduce a través de la disolución acuosa por movimiento de iones. No electrolito: son aquellas especies que en disolución acuosa no conducen la corriente eléctrica. Presentan comportamiento normal respecto de las propiedades coligativas. La disociación es el proceso por el cual un compuesto iónico se separa en sus iones en disolución, por ejemplo NaCl. La ionización es el proceso por el cual un compuesto molecular se separa formando iones en disolución, por ejemplo HCl. En 1884 Svante Arrhenius presentó su teoría de disociación electrolítica, y enunció la teoría de las reacciones ácido base, considerando ácido a las sustancias que contiene hidrógeno y en disolución acuosa producen iones H+; y base a las sustancias que contienen el grupo hidroxilo y producen iones HO- en disolución acuosa. Aunque Arrhenius describió a los iones H+ en agua como iones aislados (protones), sabemos que en solución existen en forma de H(H2O)n en donde n es un número entero y pequeño (entre 1 y 6). Esto es debido a la atracción de los iones H+ sobre el oxígeno de las moléculas de agua. Nosotros usaremos la expresión H+ por simplicidad, pero tendremos presente que se halla hidratado. En 1923 J. N. Brønsted y T. M. Lowry presentaron independientemente sus teorías ácido base, pero como resultaron muy parecidas, la unificaron como la teoría de Brønsted y Lowry. En ese mismo año G. N. Lewis presentó una teoría ácido base más completa. Un ácido es cualquier especie que puede aceptar compartir un par de electrones. Una base es cualquier especie que puede donar un par de electrones. Dado que muchas reacciones químicas importantes ocurren en disolución acuosa, o en contacto con el agua, usaremos la teoría de Brønsted y Lowry debido a que resulta especialmente útil. Para resolver problemas de equilibrio, en los que se deba conocer las concentraciones de las especies en el equilibrio, habrá que plantear un sistema de ecuaciones con tantas ecuaciones como especies existan en el equilibrio. Las ecuaciones del sistema proceden de: a) Las constantes de equilibrio. b) Los balances de masas. c) El balance de cargas si es necesario. El balance de cargas sólo será necesario en el caso de que no puedan plantearse suficientes balances de masas. Por ejemplo, en los equilibrios ácido-base, cuando entre las especies cuya concentración se deba determinar estén H+ y OH-. En este caso, otra alternativa es plantear el balance de protones. 54 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Los pasos para la resolución de los problemas de equilibrio pueden resumirse en: a) Plantear los equilibrios que tienen lugar. b) Identificar las especies. c) Plantear las constantes de equilibrio. d) Plantear los balances de masa. e) Plantear el balance de carga si es necesario. La resolución directa del sistema de ecuaciones obtenido nos conducirá a la solución del problema. Sin embargo, el sistema suele ser muy complejo, por lo que se debe proceder a reducir el número de ecuaciones, y realizar una serie de simplificaciones que dependerán del tipo de problema y de las condiciones en el equilibrio. Ejemplos Determinación del pH de una disolución de ácido débil, HA, de constante ácida Ka y concentración c. A. Plantear equilibrios y sus constantes H++ A- HA K a = [H + ][A - ]/[HA] (1) H+ + OH - H2O B. Especies: HA, K w = [H + ][OH - ] (2) A-, H+ y OH-. C. Balance de masas: c = [HA] + [A - ] (3) D. Balance de cargas (es necesario pues H+ y OH- están entre las especies a determinar): [H+] = [OH - ] + [A - ] (4) E. Reducir el sistema de ecuaciones a una sola ecuación. Considerando que la sl tendrá características acidas, considero balance de carga (ec. 4) queda: [OH-] << [H+], luego el [H+] = [A - ] Luego, de la ec. 3 queda c = [HA] + [H + ] entonces [HA] = c - [H + ] reemplazando en la ec 1 queda: K a = [H + ] 2 / c - [H + ] - Suponer que el ácido es débil y la disociación ha sido pequeña, por lo tanto [HA] >> [A ]. Si la concentración total es grande habrá bastante ácido sin disociar. Luego la ec 4 queda: K a = [H + ] 2 / c Despejando [H+] de la ec. anterior, queda: 2 [𝐻+ ] = √𝐾𝑎 ∙ 𝑐 Esta última ecuación es un buen medio para obtener una aproximación del pH para la disolución de un ácido débil. Luego de calcular [H+] confirmo las apreciaciones realizadas, considerando que están correctamente hechas si: c / [H + ] >> 10 2 55 Depto. de Qca. General e Inorgánica H+ / OH >> -10 2 E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ejercitación Equilibrio Iónico 1. Ordena las siguientes frutas según su acidez creciente (justifica en cada caso las respuestas): a) manzana de pOH = 3 b) limón cuya concentración de iones hidronio es 0,01 M c) pera de pH = 4 2. Calcule el pH de las siguientes soluciones acuosas a) ácido clorhídrico 10% m/m = 1.08 g/cm3 b) NaOH 5 % m/m =1.02 g/cm3 c) HNO3 0.15M d) KOH 0.05 molal =1.01 g/cm3 3. Calcula las concentraciones molares de las siguientes soluciones: a) 600 ml de solución acuosa que contiene 0,5 moles de HCl. b) 3,4 l de solución acuosa que contiene 0,58 g de hidróxido de magnesio (Mg(OH)2) c) 350 ml de solución acuosa que contiene 0,4 g de ácido perclórico (HClO4) 4. Calcula para las soluciones mencionadas en el ejercicio anterior el pH de cada una. 5. Calcula el pH y pOH de las siguientes soluciones: a) solución 0,045 M de ácido clórico b) solución 6,7.10-4 M de hidróxido de calcio. 6. Calcula el pH de una solución de ácido nitroso que contiene 3,5 g del ácido en 300 ml de solución. 7. Calcula el pH de una solución de hidróxido de bario que contiene 25 g de este soluto en 2,5 l de solución. 8. Calcula la concentración de cada una de estas soluciones: d) hidróxido de bario de pH=12,35 a) ácido clorhídrico de pH=2,3 e) ácido nítrico de pOH=11,9 b) hidróxido de potasio de pH=9,45 f) hidróxido de sodio de pOH=10,24 c) de ácido sulfúrico de pH=3,47 9. Calcula el pH y pOH de una solución que contiene 68 g de hidróxido de aluminio en 4,5 l de solución. 10. Calcula el pH y pOH de una solución 3,5 . 10-3 M de ácido ortofosfórico (H3 P O4). 56 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 11. Calcula la concentración en % m/m de una solución de ácido sulfúrico cuyo pH es 2,35 12. Calcula la concentración molar de una solución de hidróxido de calcio cuyo pH es 11,5. 13. Escribe las ecuaciones y las expresiones de la constante de acidez o basicidad correspondiente a la reacción ácido-base de cada una de las especies: a) HAc c) NH4 e) CH3NH2 b) HCN d) NH3 14. El ácido benzóico es un ácido débil usado para la conservación de jugos de frutas. Se disuelven 1,20 moles del ácido en agua hasta obtener 1500 cm3 de solución. Calcular el pH de la misma sabiendo que Ka = 6,16. 10-5 15. Se tiene una solución de metilamina (CH3 NH2) 5 . 10-3 M. Calcula el pH de la solución y la concentración de metilamina en el equilibrio sabiendo que Kb = 4,17. 10-4 16. Se tiene una solución de ácido nitroso (HNO2) 0,031%m/v de pH 2,74. a) Determinar Ka del ácido. b) Calcular la concentración del ácido nitroso en el equilibrio c) Calcular el porcentaje de ionización (α) 17. Si se colocan en un recipiente 30 ml de una solución de ácido sulfúrico 0,025M y 45 ml de otra solución de hidróxido de sodio 0.05 M. Calcula el pH de la solución final. 18. Si se colocan en un recipiente 250 ml de una solución de ácido nítrico 0,25M y 450 ml de otra solución de hidróxido de calcio 0.25 M. Calcula el pH de la solución final. 19. El ácido ascórbico es la vitamina (C5H7O4COOH). Escribir la ecuación de ionización del mismo y calcular el pH de una solución de este ácido de concentración 0,001 M. Ka= 7,94. 10-5 20. El pH de una solución de piridina de concentración 0,02M es 8,8. Indica si es una base fuerte o débil 21. Una disolución acuosa de ácido metanoico (ácido fórmico), cuya constante de diso-4 ciación es Ka =1,77.10 , tiene un grado de disociación (α) = 0,0412. Calcule: a) ¿Cuál es la concentración molar de dicho ácido? b) ¿Cual es el pH de dicha disolución? c) ¿Cuantos mililitros de ácido fórmico 1M habría que tomar para preparar100 ml de la sl original? 22. Calcúlese el pH y el grado de disociacion del acido benzoico en una disolucion de 100 ml que contiene 1,22 g de ácido benzoico y 2,88 g de benzoato sodico. 23. ¿Cuál será el pH después de añadir a la disolucion anterior 10 ml de acido clorhdrico 0,1 N? Ka = 6,3.10-5. 57 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 24. Calcule el pH de la disolucion y el grado de disociacion del acido nitroso, en una disolución obtenida al disolver 0,47 gramos de dicho acido en 100 ml de agua. a) ¿Cuantos gramos de hidróxido de sodico se necesitaran para neutralizar 25 ml de la disolución anterior? DATOS: Ka=5,0.10-4 25. El acido cloroacetico (ClCH2-COOH) en concentracion 0,01M y a 25ºC se encuentra disociado en un 31 %. Calcule: a) La constante de disociacion de dicho acido. b) El pH de la disolucion. 26. Se añaden 7g. de amoníaco en la cantidad de agua necesaria para obtener 500 ml de disolucion. Calcule: a) el pH de la disolucion resultante. b) ¿que volumen de acido clorhídrico 0,1 N se necesitara para neutralizar a 250 ml de la disolucion anterior? Datos: Constante de ionización del amoníaco: 1,5·10-5 27. La constante de disociacion del NH4OH, vale Kb = 1,8·10-15 y Kw = 10-14. Calcular: a) La [H+] de una disolucion de NH4Cl, 1,8 M. b) Calcular el pH de esta disolucion. 58 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía teórico - práctica Nro. 6: Hidrólisis de sales Acido +Base Sal +H2O HX + MOH MX + H2O HX + B BHX Las ecuaciones ionicas son: H+ + X- + M+ + OH- M+ + X- + H2O H+ + X- + B + Los iones M y BH+ + X- X- pueden o no reaccionar con las moléculas de agua. Caso 1: Sal proveniente de ácido y base fuerte. En solución esta tendrá pH neutro Caso 2: Sal proveniente de ácido débil y base fuerte El anion NaX X- + Na+ 2H2O OH- + H3O X- en sl acuosa, regenera el ácido en una reacción llamada hidrólisis. X- + H2O HX + OH- (1) - Luego, la solución acuosa tendrá reacción básica debido a los OH liberados. La constate de la reacción (1) será: [𝐻𝑋 ] ∙ [𝑂𝐻 − ] [𝐻𝑋] ∙ [𝑂𝐻− ] 𝐾𝑐 = − ⇒ 𝐾𝑐 ∙ [𝐻2 𝑂] = = 𝐾ℎ (2) [𝑋 ] ∙ [𝐻2 𝑂] [𝑋 − ] HX + H2O - X + H3O + Trabajando un poco la expresión de Ka tenemos Reemplazando en (2) queda [𝐻3 𝑂+ ] [𝐻𝑋] = − [𝑋 ] 𝐾𝑎 [𝐻3 𝑂+ ] ∙ [𝑂𝐻 − ] [𝐾𝑤 ] = 𝐾ℎ = 𝐾𝑎 𝐾𝑎 59 Depto. de Qca. General e Inorgánica 𝐾𝑎 = [𝑋 − ]∙�𝐻3 𝑂+ � [𝐻𝑋] E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ejemplo: Calcular la concentración de H3O+ y el pH de una solución 10-3 M de una sal NaX X- + Na+ NaX 2H2O + H3O+ X- + H2O HX + OH- [𝐻𝑋] ∙ [𝑂𝐻 −] 𝐾ℎ = [𝑋 −] 𝐾𝑤 = [𝐻3 𝑂+ ] ∙ [𝑂𝐻 −] - En solución tenemos las siguientes especies: X ; Na+: H3O+; OH-; HX [X −] + [OH−] = [𝑁𝑎+] + [H3 O+] BC [X −] + [𝐻𝑋] = [𝑁𝑎+] = 𝑐𝑖 = 10−3 BM Si la hidrólisis genera oxhidrilos, podemos considerar Luego el BC queda: [OH−] ⋙ [H3 O+] 𝑎𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑣𝑒𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑟) [X −] + [OH−] = [𝑁𝑎+ ] = 10−3 𝑀 Igualando con el BM obtenemos: [X− ] + [𝐻𝑋] = [X −] + [OH−] Quedando (1) [𝐻𝑋] = [OH− ] Y de (1) [X− ] = 10−3 𝑀 − [OH −] Reemplazando en la Kh obtenemos: 𝐾ℎ = Datos: [𝑂𝐻 −] ∙ [𝑂𝐻 −] [𝑂𝐻 −]2 = 10−3 𝑀 − [OH− ] 10−3 𝑀 − [OH− ] Ka= 10-8 Kw= 10-14 [𝐾𝑤 ] [𝑂𝐻− ]2 −6 𝐾ℎ = = 10 = −3 10 𝑀 − [OH− ] 𝐾𝑎 Considero ci >> [OH − ] por ser Kh pequeña, luego puedo despreciar [OH − ] del denominador de la ec. anterior. Despejando y realizando los cálculos, queda: [𝐎𝐇 −] = 𝟑, 𝟏𝟔 ∙ 𝟏𝟎−𝟓 60 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Se deben realizar las verificaciones correspondientes, son válidos los desprecios si sucede que: [𝑂𝐻 − ] [ H3 Luego O+ ] > 100 (a) De acuerdo a la ec.: a queda De acuerdo a la ec.: b queda 𝑐𝑖 [𝑂𝐻 − ] 3,1∙10−5 3,2 ∙10−10 1∙10−3 3,1 ∙10−5 > 100 (b) = 96875 ≫ 100 = 32,26 < 100 en este caso debo resolver la ecuación cuadrática correspondiente, es decir El resultado es: 10−9 − 10−6 ∙ [OH− ] − [𝑂𝐻 − ]2 = 0 [OH− ] = 3,11−5 Sal proveniente de ácido fuerte y base débil Ejemplo: Hallar el pH y [OH − ] de una disolución 0.01 M de NH4Cl. El equilibrio de disociación sería: NH4+ + Cl- NH4Cl 2H2O OH- + H3O+ NH4+ + H2O NH4OH + H+ En este caso el balance de cargas sería: [H3O+] + [NH4+] = [OH-] + [Cl-] BC Este balance difiere del visto en el ejemplo anterior debido a que el ácido está cargado. Pero si tenemos en cuenta que: [Cl-] = [NH4+] + [NH3] = 10-2 BM Resolver: 61 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ejercitación de Hidrolisis de sales 1. A 25ºC una disolución acuosa de cloruro amónico tiene un pH = 6,21. Calcular: a) pOH b) La constante de hidrólisis. c) El grado de hidrólisis. d) La molaridad de la disolución. 2. Calcular el pH y el porcentaje de hidrólisisexistente en las siguientes disoluciones: a) 0,100M NaAc b) 1.10-3M NaAc c) 0,2M NH4Cl d) 2.10-3M NH4CL 3. Los arándanos necesitan un suelo bastante ácido para prosperar. Razona cuál de los siguientes fertilizantes nitrogenados es el más adecuado para cultivarlos: a) Nitrato de amonio, NH4NO3. b) Carbonato de amonio, (NH4)2CO3. c) Disolución acuosa de amoníaco, NH3. d) Nitrato de sodio, NaNO3. Rta.: NH4NO3 4. El benzoato de sodio, NaC7H5O2, se utiliza como preservativo de los alimentos (código E-211). Calcula el pH de una disolución 0,30 mol L-1 de dicho compuesto. La constante de acidez del ácido benzoico, HC7H5O2, es 6,5.10−5. Rta.: pH = 8,83 . 62 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Guía teórico - práctica Nro. 7: Soluciones Buffer La capacidad reguladora de una solución es una medida de la resistencia al cambio de pH que se produciría por el agregado de pequeñas cantidades de ácidos y /o bases fuertes, y es máxima cuando Ca = Cb Una solución que contiene concentraciones equimolares de un ácido débil y su base conjugada, tendrá un pH = pKa y en esa situación la variación de pH por el agregado de una pequeña cantidad de ácido o base fuerte, es mínima. © Ed. Santillana. Química 2º Bachillerato Muchas de las reacciones químicas que se producen en solución acuosa necesitan que el pH del sistema se mantenga constante, para evitar que ocurran otras reacciones no deseadas. Las soluciones reguladoras o “buffer” son capaces de mantener la acidez o basicidad de un sistema dentro de un intervalo reducido de pH, por lo cual tienen múltiples aplicaciones, tanto en la industria como en los laboratorios. Estas soluciones contienen como especies predominantes, un par ácido / base conjugado en concentraciones apreciables. (Mayores que 10–2 M) Se puede preparar disolviendo en agua cantidades adecuadas de un ácido débil y una sal de su base conjugada, (o una base débil y una sal de su ácido conjugado); también se puede obtener una solución reguladora haciendo reaccionar parcialmente (por neutralización) un ácido débil con una base fuerte, o una base débil con un ácido fuerte. Una vez formada la solución reguladora, el pH varía poco por el agregado de pequeñas cantidades de un ácido fuerte ó de una base fuerte, y pierde su capacidad reguladora por el agregado de agua (dilución). 63 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ecuación de Henderson - Hasselbach o Ecuación Buffer Consideremos un ácido monoprótico débil: HA, de constante Ka, con una concentración Ca, y una sal de su base conjugada NaA de concentración Cb. Dado que la especie química A está presente en la solución como el anión A – y como el ácido HA, se puede expresar la condición de conservación de materia: Para que la solución funcione como reguladora efectiva, Ca y Cb deben ser mayores de 10–2 Ca M y además se debe cumplir que 0,1 < < 10 Cb En consecuencia se puede desestimar [H3O+] y [HO-] frente a Ca y Cb, por lo cual la expresión anterior se reduce a: 64 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ejemplo El ácido sórbico, HC6H7O2, es un ácido monoprótico débil cuya Ka es 1,7.10−5. Una de sus sales, el sorbato de potasio (KC6H7O2), se añade al queso, y a otros alimentos, para evitar la formación de moho. a) Calcula el pH de una disolución que contiene 27,8 g de sorbato de potasio en 0,500 L de disolución. Los iones K+ no sufren hidrólisis, ya que proceden de una base fuerte. Sin embargo, los iones C6H7O2 tienen carácter básico, ya que son la base conjugada del ácido sórbico, HC6H7O2, que es un ácido débil Para que el cociente que aparece en la ecuación anterior sea 5,9.10−10, el valor de x debe ser muy pequeño. Por tanto, podemos hacer la aproximación: 65 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL Ahora te toca a vos 1. Calcule la variación de pH que se producirá por el agregado de 0,010 mol de NaOH a un litro de solución reguladora 0,100 M de ácido acético y 0,100 M de acetato de sodio. Ka = 1,82 x 10–5 2. ¿Cuántos moles de NH4Cl hay que agregar a un litro de solución 0,150 M de NH3 para obtener una buffer de pH 9,20? a) ¿Cuál es la variación de pH si se agregan 0,010 moles de HCl? b) ¿Cuál será el pH después de añadir a la disolución anterior 10 ml de ácido clorhídrico 0,1 N? Ka = 6,3.10-5. Datos: pKb = 4,74 pKw = 14,00 3. El acido acetico es un acido debil. Su constante de disociacion es aproximadamente 2·10-5 Calcular: a) El pH de una disolucion de dicho acido 0,5 M. b) El pH de una disolucion amortiguadora 0,5 M de acido acetico y 0,5 M de acetato sodico. 4. Calcular el pH de una solución que contiene ácido acético 0.2 M. (Ka=1.8·10-5) y su sal acetato de sodio 0.3 M Rta.: 4,91 5. Calcular el pH del sistema amortiguador NH3 0.15 m (Kb = 1,8·10-5) y NH4Cl 0,35 M 6. Cuál es el pH de una solución preparada por adición de 25 g de ácido acético (Ka = 1.8·10-5) y 25 g de acetato de sodio a suficiente agua para formar 4 L de solución. Rta.: 4,6 7. Cuál es el pH de una solución formada por adición de 0,5 moles de cloruro de amonio y 0.03 moles de amoniaco (Kb = 1,8·10-5) a agua suficiente para formar 2.5 L de solución 8. Cuál es la relación de HCO3- a H2CO3 en la sangre para que su pH sea de 6.4 Rta.: 1,1 9. Un buffer formado por cantidades iguales de sal y ácido tiene un pH 7.8. Determine el pK del ácido. Rta.: 7,8 10. Un litro de solución amortiguadora contiene 0.120 moles de ácido acético y 0.1 moles de acetato de sodio. a) Cuál es el pH de la solución tampón Rta.: 4,66 b) Cuál es el pH después de añadir 0.01 moles de HNO3 Rta.: 4,58 c) Cuál es el pH después de añadir 0.01 moles de NaOH Rta.: 4,74 66 Depto. de Qca. General e Inorgánica E.T. Nro. 27 Hipólito Yrigoyen QUÍMICA GENERAL 11. Calcular el pH y % de ionización de una solución de ácido benzoico C6H5COOH, sabiendo que en 100 ml de ella hay 6 g de ácido. Ka = 6,4·10-5 Rta.: pH=2,25 1,14% 12. Calcular el pH y % de ionización de una solución 0,2 M de amoníaco NH3. Kb=1,75·10-5. Rta.:pH=11,27 0,935% 13. A 25ºC una solución 10-3 M de NH3 está ionizada un 13%.Calcular la concentración de todas las especies en el equilibrio, la constante de ionización del amoníaco y el pH de la solución. Rta.: [NH4+] = [OH-] = 1,3·10-4 M , [NH3] = 8,7·10-4 M Kb = 1,9·10-5 , pH = 10,1 14. Se dispone de una solución 5,57·10-3 M de ácido fórmico HCOOH cuyo pH es 3. La constante del ácido a 25ºC es Ka = 2,14·10-4.Calcule el % de ionización del ácido. Rta.: 17,95% 15. Una solución amortiguadora contiene 0,1 mol de CH3COOH y 0,13 mol de CH3COONa en 1 litro. Ka = 1,8·10-5. Calcule: a) pH de la solución amortiguadora. b) pH, después de agregar 0,02 mol de KOH c) pH, después de agregar 0,02 mol de HNO3 Rta.: 4,86 Rta.: 5,0 Rta.: 4,71 16. Calcule los moles de NaBrO que se deben agregar a 1l de una solución 0,05 M de HBrO para formar una solución buffer de pH= 9,15. Rta.:0,18 mol 67 Depto. de Qca. General e Inorgánica