1. Realice una experiencia de clase: haga reaccionar 5 ml de ácido acético diluido al 10 % con cierta cantidad bicarbonato de sodio colocado en un matraz balón de fondo plano de 125 ml, herméticamente cerrado (tome como referencia la altura del manómetro en “U” para calcular la cantidad de bicarbonato que hay que pesar, suponer 100 % de conversión y tomar en cuenta la presión que produce el líquido al inyectarlo a un sistema cerrado). Analice con el grupo al sistema. Determine Determine que variables variables deberán ser controladas para poder determinar el rendimiento y la eficiencia de la reacción con solo medir la presión del sistema, diga si el sistema alcanza el equilibrio químico y en que momento se observa éste. 2. Analice la siguiente ecuación química: 3A + b C + D. Explique la manera como se afecta a la constante de equilibrio químico, si se aumenta o disminuye la presión del sistema, suponiendo que tanto reactivos como los productos están en estado gaseoso. 3. Relacione colocando dentro del paréntesis la letra que corresponda con la respuesta correcta. (C) Son los números que se escriben en las fórmulas de la ecuación química. (A) Forma simbólica de representar la reacción química. (E) Proceso real que ocurre en un recipiente de reacción. (D) ¿Qué le pasa a la constante de equilibrio, si se aumenta la temperatura de una reacción endotérmica?. (B) Principio que establece que la velocidad de una reacción química es directamente proporcional a la concentración de reactivos presentes en el sistema. (K) Forma de aumentar el grado de conversión de los reactivos, cuando hay una disminución en el número de moles totales del sistema. (J) Principio que establece: cuando a un sistema en equilibrio se ejerce una acción, el sistema se desplaza dé tal manera que contrarreste el efecto de dicha acción. (G) ¿Cuál debe ser una característica de una reacción adiabática? a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k)
Ecuación química. Principio de acción de masas. Coeficientes estequiométricos. Aumenta su valor. Reacción química. Disminuyendo la presión del sistema Principio de Le Chatelier. Disminuye su valor. Que el proceso se realice en un sistema abierto. Que el sistema sistema se realice en un sistema sistema aislado. aislado. Aumentando la presión del sistema.
4. Elabore un mapa conceptual conceptual con los siguientes términos: producto, reactivo, reacción química, reactor químico, equilibrio químico, reacción reversible, materia prima, temperatura y presión.
5. Dada la ecuación química: 2 A + B 3C + 2D. Determine las expresiones de constantes de equilibrio en términos de: a) concentración, b) presión, c) fracción molar, d) actividad. Explique si estos conceptos son equivalentes. K y =
( yC ^3)( yD ^ 2) ( yA^ 2) * ( yB )
( ) ( ) ()
6. Desarrolle práctica en el laboratorio para el cálculo de constante de equilibrio químico en reacciones tale como: ácido acético y etanol con ácido sulfúrico como catalizador, para soluciones buffer de acetato de sodio y ácido acético, entre otras.
2.10 Problemas propuestos. 1. Explique que es una reacción espontánea y cómo puede determinarse la espontaneidad de una reacción. Una reacción espontanea es una reacción que si se puede llevar a cabo sin necesidad de modificar ninguna factor externo. Y se puede determinar por medio de la energía libre de gibbs, si esta es negativa la reacción es espontanea. 2. ¿Cómo será el grado de conversión si es pequeño el valor de la constante de equilibrio?
3. La síntesis del metanol se representa mediante la siguiente ecuación química: CO (g) + 2H2(g) CH3OH(g). Determine la presión total necesaria para lograr una conversión del 85 %. Si el CO y el H 2 se alimentan al reactor en la misma proporción de la ecuación química balanceada. La temperatura se mantiene a 500 K y a una presión de 1 atm. En estas condiciones la constante Kp = 6.25 x10- 3.
Componente CO2 H2 CH3OH Kp’ = K P ,
Cantidad inicial 1 2 0
Cantidad final 1 – 0.85=0.15 2-1.70=0.30 0.85 Nt = 1.30
Fracción molar. 0.11 0.23 0.65
.65 P
.11 P * .23^ 2 P ^ 2
Se eliminan términos semejantes. .65 6.25 x10 ^ 3 .11 * .23 ^ 2 P ^ 2 Se despeja la presión y se realizan los cálculos necesarios. P= 133.688 atm
4. Un recipiente de reacción de un litro que contiene 0.233 moles de N 2 y 0.341 moles de PCl5 se calienta a 250 º C. La presión total de equilibrio es de 28.95 atmósferas. Suponiendo que todos los gases son ideales, determine la K P para la única reacción que tiene lugar, si la ecuación química es: PCl 5 PCl3 + Cl2. Todos en estado gaseoso.
Datos. T=523.15K V=1litro P=28.95 atm R= 0.082 atm*l/mol*K
Presión parcial (P a)= ya*P Suponiendo x=números de moles que reaccionan.
Componente PCl5 N2 PCl3 PCl5
Cantidad inicial 0.341 0.233 0 0
Cantidad final 0.341-x 0.233-x x x Nt=0.341+x
Fracción molar. 0.341-x/0.341+x 0.233-x /0.341+x x/0.341+x x/0.341+x
Ahora con la formula de gas ideal calculamos los moles totales. Pv=nRT despejamos para n. n=pv/Rt y sust. Datos n=(28.95*1)/(0.082*523.15) n=0.674 pero como aquí está incluido el N 2 el cual no participo en la reacción entonces le restamos los moles de N2 para obtener los moles totales de reacción. nt=0.674-0.233 nt= 0.441 Despejamos x nt= 0.341 + x x=nt-0.341 x=0.441-0.341 x=0.1 Componente
Cantidad inicial
Cantidad final
PCl5 N2 PCl3 Cl2
0.341 0.233 0 0
0.341-0.1=0.241 0.233 0.1 0.1 Nt=0.441
Kp=1.774
Fracción molar.(incluyendo N 2) 0.357 0.344 0.148 0.148
5. La constante de equilibrio de la asociación del ácido benzoico en un dímero, en soluciones bencénicas diluidas a la temperatura de 43.9 º C es, K C = 270. La ecuación química se puede escribir: 2C 6H5COOH (C6H5COOH)2. Determine con esta información: a) si la reacción es o no espontánea, b) la composición de equilibrio.
Datos. T=317.15K Kc=270 R=1.987calorias/mol*K Para determinar si es espontanea o no, la energía libre de gibbs.
=-3527.99
Como la energía libre de gibbs es negativa la reacción es espontanea.
Para determinar la composición de equilibrio hacemos un balance de materia. Componente Cantidad inicial Cantidad final C6H5COOH 2 2-x C6H5(COOH)2 0 x nt=2
Suponiendo que la disolución tiene un volumen de 1 litro
Y despejamos x 270x2-1081x+1080=0 Aplicamos la ecu. cuadrática para resolver
x= 1.9157 Componente C6H5COOH C6H5(COOH)2
√
Cantidad inicial 2 0
Cantidad final 2-1.9157=0.0843 1.9157 nt=2
Fracción molar. 0.04215 0.9578
6. La oxidación del óxido nítrico a dióxido de nitrógeno se lleva a cabo inicialmente a 1500 K. Si la ecuación química de esta reacción es: NO + ½ O 2 NO2. Si la reacción se realiza en condiciones adiabáticas, determine la composición de equilibrio y la temperatura de salida.
7. El grafito y el metano reaccionan para producir metano y monóxido de carbono de acuerdo con la siguiente ecuación química: C(S) + 2 H2O (g) CH4 (g) + 2 CO(g) Determine la constante de equilibrio a 298 K y si se supone que el calor de reacción es independiente de la temperatura ¿A qué temperatura, la constante de equilibrio será igual a 1?
Datos. R=8.314 J/mol*K T=298 K Para calcular Kp usaremos la formula
Despejamos Kp
Como estamos en condiciones de referencia podemos buscar la energía libre de gibbs en tablas al igual que el calor de formación.
componente H2O CH4 CO
-228572 -50460 -137169
-241818 -74520 -110525
∑∑
=-50460+(2*-137169)-(-228572) =132346 julios. Sust. Valores para calcular Kp
Kp=6.32 x 10 -24
Para calcular la temperatura a la cual la Kp será igual a 1, utilizaremos la ecuación de van hoft.
Primero calculamos el valor de “c” con loa a la temperatura de 298 K
Calculamos =-74520+(2*-110525)-(-241818*2) =188066 julios
C=22.489 Luego despejamos T
T=1005.84 K
8. El óxido férrico se reduce a hierro metálico con monóxido de carbono, la reacción se representa con la ecuación química: Fe2O3 (s) + 3 CO (g) 2 Fe(s) + 3 CO 2 (g) Para esta reacción se conocen los valores de K P como función de la temperatura los que se escriben en la siguiente tabla: T/ºC 100 250 1000 KP 1100 100 0.0721 –12 A la temperatura de 1120º C, K P = 1.4 x 10 atm, para la reacción de descomposición del CO2 representada por la ecuación química: 2CO2 (g) 2 CO (g) + O2 (g) ¿Qué presión parcial en equilibrio de O 2 deberá suministrarse al recipiente a 1120 º C que contiene Fe2O3 sólido para evitar la formación de Fe?
9. La constante de equilibrio para la reacción entre el etanol y el ácido acético a la temperatura de 298 K es igual a, KC = 4. Determine la composición de equilibrio, sí se hacen reaccionar, 1 mol de etanol con 2 moles de ácido acético, para dar acetato de etilo y agua. Diga si es o no espontánea la reacción en estas condiciones.
Datos. T=298K Kc=4 R=8.314 J/mol*K Primero determinamos si es espontanea o no la reacción por medio de la energía libre de gibbs.
=-3434.644
Es espontanea ya que la energía libre de gibbs es negativa. Reacción. C2H5OH+CH3COOHC4H8O+H2O Como la presión es igual a 1amt Kp=Ky=4
Hacemos nuestro balance de materia. Suponiendo x=moles que reaccionan. Componente Cantidad inicial Cantidad final Fracción molar. C2H5OH 1 1-x 1-x/3 CH3COOH 2 2-x 2-x/3 C4H8O 0 x x/3 H2O 0 x x/3 Nt=2
Despejando x -x2-12x+8=0 Aplicando la ecuación cuadrática.
√
x=0.6332 composición en equilibrio. Componente Cantidad inicial C2H5OH 1 CH3COOH 2 C4H8O 0 H2O 0
Cantidad final 1-0.6332=0.3668 2-0.6332=1.3668 0.6332 0.6332 Nt=3
Fracción molar. 0.1222 0.4556 0.2110 0.2110
10. La hidratación en fase gaseosa de etileno a etanol se representa con la ecuación química: C 2H4(g) + H2O(g) C2H5OH(g). Por experimentación se han determinado la constante de equilibrio a dos temperaturas diferentes: TºC 145 320 Ka 6.8 x 10 1.9 x 10 Los estados normales son los usuales: gases puros a la fugacidad de 1 atm. Los calores específicos de reactantes y productos se dan en la siguiente tabla para las sustancias en estado gaseoso. Componente Cp Calorías / mol K C2H4 6 + 0.015T H2O 7 + 0.00277T C2H5OH 4.5 + 0.038T Si el etileno y el vapor de agua entran al reactor a 400 º C y 10 atm, calcular la máxima conversión porcentual de etileno a etanol, si los reactivos se alimentan en cantidades estequiometrias. Condiciones de entrada. T=400 P=10atm Usaremos la siguiente fórmula para el cálculo de Ka
Datos: T1 = 593.15 K. T2 = 673.15 K. T* = 291 K. (Ka)593.15 = 1.9x10-3 H T 0* = - 10939.292 Calorías.
∫
calorías
R= 1.986
molK
C P (C P ) C 2 H 2OH (C P )C 2 H 4 (C P ) H 2O C P 2(6.7 0.0063 T ) 6.76 0.00606 T 3(6.62 0.00081 T )
C P = 4.5 + 0.038T- (6 + 0.015T + 7 + 0.00277T) C P = 8.5 + 0.02023T T
H T 0* T * CpdT
T
= - 10939.292 + 291
(13 .22 0.00411 T )dT
.
T
H T 0* T * CpdT
= - 10939.292 + [8.5(T - 298) +
0.02023 2
(T 2 2982 )
T
H T 0* T * CpdT
= -10939.292 +8.5T -2533 + 0.0101T 2 –898.2524.
T
H T 0* T * CpdT
= -14370.5454 – 8.5T + 0.0101T 2.
K a T 2 923- 14370.5454- 8.5T + 0.0101T2 dT . K a T 1 773 T2 K 1 673.15 1 R ln a T 2 14370.5454 0.0101673.15 593.15 . 8 . 5 ln K a T 1 593.15 673.15 593.15 K a T 2 R ln 2.879299 1.075427 0.808 0.995872 K a T 1 R ln
ln
K K a
a
T 2
0.995872
K a 673.15 3
1.9 x10 K a 673.15 3
1.986
T 1
0.501193.
e 0.501193
0.6058075 K a 673.15 1.15x10 3
1.9 x10 Como es una presión baja supondremos que todas las constantes, K , K fi0 y K P valen 1, de
manera que: Ka = Ky Entonces hacemos nuestro balance. Componente Moles de inicio C2H4 1
Moles finales 1 – x
H20
1
1 – x
C2H5OH
0
X
Fracción molar
nt = 2 – x
Ky= se elimina términos semejantes y la ecuación queda. 1.15x10 3= 2
1.00115x -2.0023x+1.15x10 -3 Se aplica la ecuación cuadrática.
x= 5.745x10 -4 Componente
√ Moles de inicio
C2H4 H20 C2H5OH
Calculamos la eficiencia.
1 1 0
Moles finales -4
1 – 5.745x10 =0.999 1 – 5.745x10 -4=0.999 5.745x10 -4 nt = 1.999
Fracción molar 0.499
Eficiencia ( ) Eficiencia ( )
nreaccionan na lim entadas
x100
5.745 E 5 1.999
x100
Eficiencia=0.0027%
11. El monóxido de carbono y el oxígeno reaccionan en cantidades estequiométricas en un reactor que trabaja en condiciones adiabáticas. Si la alimentación se introduce al reactor a 2000 K y la ecuación química es: CO(g) + ½ O2(g) CO2(g). Determine la temperatura y la composición de equilibrio.
