Guia ejercicios quimica general y organica.

V . G U I A D E E J E R CI C I C I O S D E Q U I M I C A G E N E R A L Y O R G A N I C A , QU QU I 0 0 1

C o m p i l a d o p o r : Prof. Juan Merchán Velés

R ev e v i s a d o p o r : Dr. William Tiznado V.

Departamento de Ciencias Químicas

Versión Primer Semestre 2011

Esta guía de ejercicios fue elaborada y financiada a través del P R O YE Y E CT CT O D E M E J O R A M I E N T O D E L A C A L I D A D D E L A D O CE C E N CI CI A 2 0 0 9 d e l a V I C E -R -R E C T O R ÍA ÍA A C A D ÉM ÉM I C A ( V R A ) , t i t u l a d o ” M e j o r a m i en e n t o d e l m a t er er i a l d e a p o y o a l p r o c e so so d e e n s e ñ an za de los cur sos d e P r i m e r A ño d e l D e p a r t a m e n t o d e Ci Ci e n c i a s Qu ím i ca s”.

Guía d e Ej erci cios, Curso de “ Quími ca Gener Gener al” , pr im er Semes emestt r e 201 1

INDICE TABLA PERIODICA GUIA Nº 1

GUIA Nº 2

GUIA Nº 3

GUIA Nº 4

GUIA Nº 5

4

UNIDAD Nº 1: MATERIA ÀTOMOS, MOLÉCULAS E IONES Objetivos específicos de la Unidad Nº 1

5

Ejercicios resueltos

6

Ejercicios propuestos

7

Tabla de conversión de unidades

12

Respuestas

14

UNIDAD UNIDAD Nº 2: MATERIA MATERIA TOMOS, TOMOS, MOL CULAS E IONES Objetivos específicos de la Unidad Nº 2

16


17


18

Respuestas

21

UNIDAD Nº 3: ESTEQUIMETRÍA Objetivos específicos de la Unidad Nº 3

22


23


25

Respuestas

32

UNIDAD Nº 4: GASES Y SUS PROPIEDADES Objetivos específicos de la Unidad Nº 4

34


35


37

Respuestas

43

UNIDAD Nº 5: ESTEQUIMETRÍA EN SOLUCIONES ACUOSASY PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS SOLUCIONES

2

Objetivos específicos de la Unidad Nº 5

44


45


46

Depa r t amen t o de Cien Cien cia s Quími cas


Respuestas GUIA Nº 6

50

UNIDAD Nº 5: ESTEQUIMETRÍA EN SOLUCIONES ACUOSASY PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS SOLUCIONES

GUIA Nº 7

GUIA Nº 8

GUIA Nº 9

GUIA Nº 10

Objetivos específicos de la Unidad Nº 5

51


52


54

Respuestas

57

UNIDAD Nº 6: EQUILIBRIO QUÍMICO Y EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE Objetivos específicos de la Unidad Nº 6

58


59


60

Respuestas

66

UNIDAD Nº 5: EQUILIBRIO QU MICO Y EQUILIBRIO CIDO - BASE Objetivos específicos de la Unidad Nº 6

67


68


69

Respuestas

71

UNIDAD Nº 5: EQUILIBRIO QU MICO Y EQUILIBRIO CIDO - BASE Objetivos específicos de la Unidad Nº 6

72


73


76

Respuestas

81

UNIDAD Nº 7: INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA Objetivos específicos de la Unidad Nº 7

83

Nomenclatura de compuestos orgánicos

84

Ejercicios

86

Respuestas

91


3

Guía d e Ej erci cios, Curso de “ Quími ca Gener al” , pr im er Semest r e 201 1

4

Depa r t amen t o de Cien cia s Quími cas


GUIA Nº 1 UNIDAD Nº 1 MATERIA, ATOMOS, MOLECULAS E IONES Objetivos específicos d e la Unidad 1 1.

Se espera que el estudiante logre los siguientes objetivos:

2.

Clasificación y Propiedades de la Materia

3.

Unidades de medición. Sistema Internacional de medición

4.

Escalas de Temperatura

5.

Uso de prefijos, conversión de unidades (factor unitario)

LAS RESPUESTAS DEBEN ESTAR CORRECTAMENTE JUSTIFICADAS EN L OS CASOS EN QUE SE SOLICITA. (RESPUESTAS SIN JUSTIFICACIÓN NO TIENEN VAL IDEZ)

BIBLIOGRAFIA: 1.

Capítulo 2. Química. R. Chang McGraw Hill. 7ª Edición, 2002.

2.

Capítulos 2 y 3. Química y Reactiv idad Química. J. C. Kot z, P. M. Treichel. Thomson. 5ª Edición, 2003. Traducido del material de soporte en los Cds del “Test Bank. Manual Instructor”

3.

Capítulo 1. Química. La Ciencia Central. Brow n, Le May, Bursten Pearson. Prentice Hall. 9ª Edición, 2004.


5


EJERCICIOS RESUELTOS Una vasija de vidrio tiene una masa de 20,2376 g cuando está vacía y 20,3102 cuando se llena con agua a 10 °C. La vasija con una solución tiene una masa, ahora, de 20.3300 g. ¿cuál es la densidad de la solución? Densidad del agua 1 g/cm3 Justificación: colocar los datos que nos dan en el ejercicio

masa vasija vacía = 20,2376 masa vasija con agua = 20,3102 densidad del agua = 1 g/cm 3 Masa de agua = 20,3102 – 20,2376 = 0,0726 g Colocar la formula a emplear y sustituir los valores que tenemos y despejamos la incógnita

d =

masa

1g / cm 3 =

volumen

0,0726 g

volumen

Volumen =

0,0726 g 1g / cm 3

volemen = 0,0726cm 3 Calculamos los datos necesarios dados en el ejercicio

masa vasija vacía = 20,2376 masa vasija con solución = 20,3102 masa de la solución = 20,3300 – 20,2376 = 0,0924 g d =

masa

d =

volumen

0,0924 g = 1,272 g / cm 3 3 0,0726cm

¿Si la eficacia del combustible de un automóvil es 27 millas por galón, cuál es su eficacia de combustible en kilómetros por litro? (1 kilómetro = 0,621 millas, 1,000L= 1,057 cuartos de galón, 4 cuartos de galón = 1 galón)

Justificación: utilice factor unitario para el cambio de unidades, colocando la unidad que desea cambiar en el sentido opuesto y la nueva en el que se va a reemplazar

27

1kilómetro kilómetros = 43,478 galón 0,621millas galón

millas

43,478 10,870

6

x

kilómetros galón

x

1galón kilómetros = 10,870 4cuartos deg alón cuarto deg alón

1,057cuarto deg alón kilometros = 11,48 cuarto deg alón 1,000litros litro kilómetros

x


R = 11

kilómetros litro


EJERCICIOS PROPUESTOS 1. De los materiales que Usted conoce de ejemplos de: a) sistemas heterogéneos b) soluciones c) sistemas homogéneos d) compuestos e) elementos

Justificación:

2. Considere un sistema compuesto por un vaso que contiene agua con hielo. a) Indique si el sistema es homogéneo o heterogéneo. b) Si el hielo se disuelve en el agua y elimina al vaso como componente del sistema, indique si el sistema es o no una solución. Justificación:

3. ¿Cuál es la diferencia entre una propiedad intensiva y extensiva y de un ejemplo de cada una? Justificación:

4.

Cuando 24 pedazos de cobre se sumergen en agua, los pedazos desplazan 8,26 cm 3 de agua. ¿Si la masa combinada de los pedazos es 73,86 g, cuál es la densidad del cobre?

Justificación:


7


5.

La densidad del ácido acético es 1,05 g/mL. ¿Cuál es el volumen de 327 g de ácido acético?

Justificación:

6.

Un cubo del hierro tiene una masa de 29,31 g. ¿Si cada lado del cubo tiene dimensiones de 1,55 centímetros, cuál es la densidad del hierro? Justificación:

7.

A 0°C, una botella contiene 325 mL de agua líquida. ¿Cuál es el volumen del agua después de que se congele (a 0 °C)? Las densidades del agua y del hielo líquido a 0°C son 1,000 g/mL y 0,917 g/mL, respectivamente.

Justificación:

8.

¿Cuál es la densidad en g/cm3 de un disco de bronce de 25 cm de diámetro y 8 mm de espesor y pesa 3450 g? Volumen = área x espesor = πr 2h = π(d/2)2h

Justificación:

8



9.

Los ácidos grasos se extienden espontáneamente en el agua formando una película monomolecular. Una solución de benceno que contiene 0,1 mm3 de ácido esteárico se vierte en una bandeja con agua. El ácido es insoluble en agua pero se extiende en la superficie formando una zona de película continua de 400 cm2 después de haberse evaporado todo el benceno. ¿cuál es el espesor de la película en Angstrom?

Justificación:

10.

¿A que temperatura coinciden los grados Fahrenheit con los Celsius?

Justificación:

11.

¿Cuál de las siguientes masas es más grande 2,3 x 109 pg, 1,5 x 108 ng, 6,6 x 105 μg, 8,4 x 102 mg o 3,0 x 10-1 g?

Justificación:

12.

La presión de vapor de una atmósfera es igual a 1033 g/cm2. Exprese esta presión en libras por pulgada cuadrada.

Justificación:

1033

g cm 2

x

libras g

x

(cm) 2 = ( pu lg ada) 2


9


13.

Un galón (3,78 L) de pintura de látex puede cubrir 385 pies2 de la superficie de una pared. ¿Cuál es el grosor promedio de una capa de pintura (en micrómetros)?

Justificación:

14.

¿Cuál es la respuesta correcta en cifras significativas de la siguiente expresión: (72,61 – 68,59) x 18,76?

Justificación:

15.

Cuál es la respuesta correcta en cifras significativas de la siguiente expresión: (18 + 95) x 0,077351?

Justificación:

16.

El radio de un átomo del litio es 152 pm. ¿Cuál es el volumen de un átomo del litio expresado en cm3, si se considera que el átomo es una esfera? El volumen de una esfera es (4/3) πr 3.

Justificación:

10



17.

Al convertir 5,000 x 10-2 metros a milímetros y expresar la respuesta en la notación estándar usando el número correcto de cifras significativas

Justificación:

18.

Si un atleta hace 100 yardas en 10 segundos, ¿cuál es su velocidad? a) en millas por hora b) en kilómetros por hora

Justificación:


11


Tablas de Conversión de Unidades Longitud

Superficie

Volumen

Masa

12



Densidad

Presión

Energía


13


RESPUESTAS 1.

Respuesta:

Hormigón, madera, cazuela a la chilena, agua y aceite Aire, gasolina, sal en agua, latón Aire, agua de mar, gasolina Sal, mármol, carbonato de calcio, dióxido de carbono Oro, oxígeno, hidrógeno, cloro

2.

Respuesta:

a) heterogéneo b) no, ya que el hielo es agua en estado sólido y si se disuelve sigue siendo agua

3.

Respuesta:

Intensiva: aquella propiedad que es independiente de la cantidad de materia presente, color Extensiva: aquella propiedad que depende de la cantidad de materia presente, volumen

4.

Respuesta:

8,94 g/cm3

5.

Respuesta:

3,11 x 102 mL

6.

Respuesta:

7,87 g/cm3

7.

Respuesta:

354 mL

9.

Respuesta:

8,8 g/cm3

9.

Respuesta:

25 Å

10.

Respuesta:

-40

11.

Respuesta:

8,4 x 102 mg

14.

Respuesta:

14,68 libras/pulgada cuadrada

13

Respuesta:

106 μm

14.

Respuesta:

75,42

15.

Respuesta:

8,7

16.

Respuesta:

1,47 x 10-23 cm3

17.

Respuesta:

50,00 mm

14



18.

Respuesta:

a) 20,4 millas/h b) 32,9 Km/h


15


GUIA Nº2 UNIDAD Nº2 MATERIA, ATOMOS, MOLECULAS E IONES Objetivos específicos de la Unidad Nº2 1.

Estructura del átomo: núcleos y electrones. Isótopos, número atómico, número de masa.

2.

Introducción a la tabla periódica: grupos (nombres de algunos grupos), periodos, metales, no metales y metaloides. Símbolos químicos.

3.

Definiciones de fórmulas moleculares y empíricas, representación de moléculas, formación de iones, iones y compuestos iónicos

4.

Nomenclatura de compuestos inorgánicos: estados de oxidación más comunes, funciones inorgánicas.

LAS RESPUESTAS DEBEN ESTAR CORRECTAMENTE JUSTIFICADAS EN LOS CASOS EN QUE SE SOLICITA. (RESPUESTAS SIN JUSTIFICACIÓN NO TIENEN VALIDEZ)

BIBLIOGRAFIA: 1.


2.

Capítulos 2 y 3. Química y Reactividad Química. J. C. Kotz, P. M. Treichel. Thomson. 5ª Edición, 2003. Traducido del material de soporte en los Cds del “Test Bank. Manual Instructor”

3.

Capítulo 2. Química. La Ciencia Central. Brown, Le May, Bursten Pearson. Prentice Hall. 9ª Edición, 2004.

16



EJERCICIOS RESUELTOS En la naturaleza, el plomo se presenta como 4 isótopos, cuyos datos son: Isótopo

masa (u.m.a.)

204

202,973 205,9745 206,9759 207,9766

Pb Pb 207 Pb 208 Pb 206

Abundancia relativa (% ) 1,48 23,60 22,60 52,30

Calcule la masa atómica promedio del plomo.

Justificación: masa = promedio masa =

∑ masa × abundancia 100

masa =

(202,973 × 1,48) + (205,9745 × 23,60) + (206,9759 × 22,60) + (207,9766 × 52,30) 100

masa =

204,453 + 4860,9982 + 4677,65534 + 10877,17618 20620,28272 = 100 100

masa = 206,2028uma

Identifique los iones presentes en los siguientes compuestos KHCO 3 , Na 2 SO 4 , KCl, C 6 H 12 O 6 y Ba(OH) 2 . Justificación: como la mayoría de los compuestos son sales (compuestos iónicos), se les descompone

en su ión metálico con su estado de oxidación y en su contraión, por lo tanto tendremos: +

−

KHCO3 → K + HCO3

+ 2− Na 2 SO4 → 2 Na + SO4 +

KCl → K + Cl

−

C 6 H 12 O6 → no se disocia por no ser un compuesto iónico Ba (OH ) 2 → Ba

2+

+ 2(OH ) −


17


EJERCICIOS PROPUESTOS 1.

Ordene las partículas subatómicas neutrones, protones y electrones en orden creciente de masa.

Justificación:

2.

¿Cuántos protones, neutrones, y electrones están en un átomo de oxígeno-18 y cuál

símbolo atómico para un elemento con 28 protones y 31 neutrones?

es el

Justificación:

3.

¿Cuál pareja entre los átomos siguientes tiene el mismo número de neutrones? 64 63 64 68 28 Ni , 29 Cu , 30 Zn , 30 Zn

Justificación:

4.

Los isótopos de un elemento dado tienen el mismo número de ________, pero diferente número de ________ en su núcleo.

Justificación:

18



5.

¿Cuál de los siguientes átomos son isótopos? 45 21

Sc , 4822Ti , 5022Ti , 5023V

Justificación:

6.

Un elemento consiste en dos isótopos. La abundancia de un isótopo es 95,72% y su masa atómica es 114,9041 uma. La masa atómica del segundo isótopo es 112,9043 uma. ¿Cuál es la masa atómica media del elemento?

Justificación:

7.

Complete la siguiente Tabla: 54 2+ 26 Fe

Símbolo Protones Neutrones Electrones Carga neta

8.

5 6 5

16 18 -3

79 117 79

86 136 0

El oxígeno tiene dos isótopos: O-16 y O-17. Calcula el porcentaje de cada uno de ellos sabiendo que la masa atómica del oxígeno es 15, 9994 u. Datos: masa de O-16 = 15,9949 u; masa de O-17 = 16,9991 u. Justificación:


19


9.

Escribir las fórmulas para los compuestos constituidos por los siguientes pares de iones: a) Na+ y CO3 2- b) Ca2+ y ClO3 c) Sr 2+ y S2d) Cr 3+ y Cle) Ni2+ y ClO- 4 f) Fe3+ y BrO 3 g) K+ y ClOh) Ba2+ y NO- 3 i) Cu2+ y SO4 2- j) Ba2+ y SO3 2k) Al3+ y NO3 l) Li+ y NO2 Justificación:

10.

Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos: a) Bromuro de sodio b) Sulfuro de plomo d) Yoduro de calcio e) Hidróxido de potasio g) Hidróxido de hierro (III) h) Clorato ferroso j) Carbonato de bario k) ácido sulfúrico

c) Oxido de zinc f) Hidróxido de Cu (II) i) Nitrato de aluminio l) Amoníaco

Justificación:

11.

Escriba el nombre de los siguientes compuestos: a) KMnO 4 b) H3 PO 4 c) Na2 CrO4 f) FeCO3 g) SnSO 4 h) NH 4 OH

d) HBrO 3 i) FePO 4

Justificación:

20


e) HCl j) Al 2 (SO 4 ) 3


RESPUESTAS 1.

Respuesta:

Electrones < protones < neutrones

2.

Respuesta:

8 protones, 10 neutrones y 8 electrones 59 28 Ni

3.

Respuesta:

63 29 Cu

4.

Respuesta:

Protones

5.

Respuesta:

48 22Ti

6.

Respuesta:

114,8 uma

7.

Respuesta: Símbolo Protones Neutrones Electrones Carga neta

64 30 Zn

y

neutrones 50 22Ti

y

11 5 B

31 −3 15 P

26 28 24 +2

0

126 79 Au

222 86 Rn

15 86 0

8.

Respuesta:

De O-16 hay 99,55% y O-17 hay 0,45%

9.

Respuesta:

a) Na 2 CO 3 f) Fe(BrO 3 ) 3 k) Al(NO 3 ) 3

b) Ca(ClO 3 ) 2 g) KClO l) LiNO 2

10.

Respuesta:

a) NaBr f) Cu(OH) 2 k)H 2 SO 4

b) PbS c) ZnO g) Fe(OH) 3 h) Fe(ClO 3 ) 2 l) NH 3

11.

Respuesta:

a) permanganato de potasio d) ácido brómico g) sulfato de estaño (II) j) sulfato de aluminio

c) SrS h) Ba(NO 3 ) 2

d) CrCl 3 i) CuSO 4

e) Ni(ClO 4 ) 2 j) BaSO 3

d) CaI 2 i) Al(NO 3 ) 3

e) KOH j) BaCO 3

b) ácido fosfórico e) ácido clorhídrico h) hidróxido de amonio


c) cromto de sodio f) carbonato ferroso i) fosfato ferroso

21


GUIA Nº3 UNIDAD Nº3: ESTEQUIOMETRÍA Objetivos específicos de la Unidad Nº3 1.

Ecuaciones químicas: Escritura y balanceo de ecuaciones

2.

Pesos atómicos y moleculares. Escala de masas atómicas

3.

El mol y número de Avogadro

4.

Masas molares. Fórmulas moleculares y empíricas

5.

Cálculos con fórmulas químicas y ecuaciones

6.

Reactivo limitante, rendimiento de una reacción.


BIBLIOGRAFIA: 1.


2.

Capítulos 2, 3 y 4. Química y Reactividad Química. J. C. Kotz, P. M. Treichel. Thomson. 5ª Edición, 2003. Traducido del material de soporte en los Cds del “Test Bank. Manual Instructor”

3.


22



EJERCICIOS Un condimento artificial, cuya masa molecular es aproximadamente 170 g/mol tiene los porcentajes en masa siguientes: Na: 13,60%; O: 37,84%; H: 4,76%; N: 8,29% y el resto es carbono. Proponga la fórmula empírica y molecular del condimento. Justificación: Justificación : suponemos que el porcentaje equivale a los gramos de cada elemento

El carbono hallamos por diferencia ya que la suma de los porcenjates debe ser 100

100 = % Na + %O + % H + % N + %C 100 = 13,60 + 37,84 + 4,76 + 8,29 + C C = 100 − (13,60 + 37,84 + 4,76 + 8,29) = 100 − 64,49 = 35,51 g Calculamos los moles de cada elemento por medio de su masa molar Na = 13,60 g ×

H = 4,76 g ×

1mol = 0,5916mol 22,9897 g

1mol = 4,7227mol 1,0079

C = 35,51g ×

O = 37,84 g ×

N = 8,29 g ×

1mol = 2,3651mol 15,9994 g

1mol = 0,5919mol 14,0067 g

1mol = 2,9565mol 12,011g

Procedemos a dividir todos los resultados obtenidos por el valor más pequeño Na =

H =

0,5916mol =1 0,5916mol

4,7227mol = 7,9828 ≈ 8 0,5916mol C =

O=

2,3651mol = 3,9978 ≈ 4 0,5916mol

N =

0,5919mol = 1,0005 ≈ 1 0,5916mol

2,9565mol = 4,9975 ≈ 5 0,5916mol

Los valores obtenidos corresponden a los subindices de cada elemento para su fórmula empírica C 5 H 8 O4 NNa

Para el cálculo de la fórmula molecular se procede a calcular la masa molar de la formula empírica masa = 5(12,011) + 8(1,0079) + 4(15,9994) + 1(14,0067) + 1(22,9897) = 169,1122 g / mol Procedemos a calcular el valor numérico por el cual debemos multiplicar los subindices y para ello se realiza dividiendo la masa molar del compuesto para el peso de la fórmula empírica n=

170 g / mol = 1,0052 ≈ 1 por tanto la formula molecular es la misma 169,1122 g / mol C 5 H 8 O4 NNa


23


El carbonato de sodio reacciona con el ácido clorhídrico dando como productos cloruro de sodio, dióxido de carbono y agua; escriba correctamente las fórmulas de la ecuación y balancee __Na 2 CO (s) + __H Cl (ac) → __Na Cl (ac) + __C O2 (g) + __H 2 O (l) ¿Qué masa de dióxido de carbono se produce a partir de la reacción de 2,94 g de carbonato de sodio con un exceso de ácido clorhídrico? Justificación: Primero procedemos a balancear la ecuación (ley de conservación de la masa) por

cualquiera de los métodos; ejemplo algebraico, a cada compuesto le colocamos una letra y planteamos las ecuaciones para cada elemento. A Na 2 CO 3

+

B HCl

C NaCl

→

+

D CO 2

+

E H 2O

Na: 2A = C C: A = D O: 3A = 2D + E H: B = 2D Como se puede ver hay mas incognitas que ecuaciones se coloca un valor a la incognita que más se repite, en este caso A y le damos un valor de 1, resolviendo tendremos: A = 1 en pa primera ecuación tendremos 2(1) = C de donde C = 2 de la segunda ecuación tenemos D = 1 y reemplazando en la cuarta ecuaciónel valor de D obtenido anteriormente tendremos B = 2 y por último con la tercera ecuación encuentro elvalor de E 3(1) = 2(1) + E donde E = 1; siendo estos los coeficientes estequimétricos que coloco en la ecuación balanceada Na 2 CO 3 (s) + 2 HCl (aq)

→

2 NaCl (aq) + CO 2 (g) + H 2 O (l)

Una vez balanceada la ecuación se procede a calcular la masa molecular del compuesto: Na 2 CO3 = 2( 22,9897) + 1(12,011) + 3(15,9994) = 105,9886 g / mol

Ahora pasamos la masa del compuesto dado en el ejercicio a moles mol = 2,94(g ) ×

1mol = 0,02774molNa 2 CO3 105,9886 g

Por estequiometría (ecuación balanceada) pasamos de carbonato de sodio a dióxido de carbono

1molCO2 0,02774molNa 2 CO3 × = 0,02774molCO2 1molNa 2 CO3 Calculamos la masa molar del dióxido de carbono CO2 = 1(12,011) + 2(15,9994) = 44,0098 g / mol

Por último pasamos los moles de dióxido de carbono a gramos gCO2 = 0,02774mol ×

24

44,0098 g = 1,2208 g ≈ 1,22 g 1mol



1.

El cianuro de hidrógeno, HCN, es un líquido incoloro, volátil, con el olor de ciertos huesos de frutas (por ejemplo los huesos del durazno y cereza). El compuesto es sumamente venenoso. ¿Cuántas moléculas hay en 56 mg de HCN, siendo esta la dosis tóxica promedio?. Justificación:

2.

La hemoglobina, una proteína que se encuentra en los eritrocitos, transporta el O2 de los pulmones hasta las células de los tejidos. El hierro (como ión Fe2+) es el 0,33% de la masa de la hemoglobina. Si la masa molar de la hemoglobina es 6,8 x 104 g/mol. ¿Cuántos moles de iones Fe2+ hay en un mol de la molécula? Justificación:

3.

La fórmula de cierto contaminante incluye C, H, O y N. Los porcentajes en masa de cada elemento son: C, 19,8%; H, 2,5% y N, 11,6%. Proponga la fórmula empírica de la sustancia. Justificación:


25


4.

Una muestra de 1,367 g de un compuesto orgánico se quemó en corriente de aire y dio 3,002 g de CO 2 y 1,640 g de H 2 O. Si el compuesto sólo contenía C,H y O: a) ¿Cuál es su fórmula empírica?. b) Si su masa molar determinada experimentalmente es 60 g/mol. ¿Cuál es su fórmula molecular?. Justificación:

5.

Una muestra de 7,61 g de ácido p-aminobenzoico (compuesto utilizado en los cosméticos con filtros solares) se quemó en corriente de oxígeno y se obtuvo 17,1 g de CO2 , 3,50 g de H 2 O y 0,777 g de N 2 . El compuesto contiene carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. a) ¿Cuántos moles de átomos de carbono, hidrógeno y nitrógeno contenía la muestra? b) ¿Qué masa de C, H y N contenía la muestra? c) Basado en la masa de la muestra original, ¿qué masa de oxígeno contenía la muestra?. d) ¿Cuál es la fórmula empírica del ácido p-aminobenzoico? Justificación:

6.

El análisis de una muestra de ácido ascórbico (vitamina C) cuya masa es 1,274 g dió la siguiente composición: C 0,521 g; H 0,058 g y el resto es oxígeno. Determinar la fórmula molecular de la vitamina C si se conoce que su masa molar es de 176g/mol. Justificación:

26



7.

Una muestra de 4,450 g del yoduro hidratado del litio, LiI·xH2 O, se seca en un horno. Cuando la sal anhidra se quita del horno, su masa es 3,170 g. ¿Cuál es el valor de x?

Justificación:

8.

Bajo ciertas condiciones la reacción de formación de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrogeno tiene un rendimiento de 38.2%. Cuántos gramos de amoníaco deben reaccionar con un exceso de oxigeno para producir 17,5 g de monóxido de nitrógeno?; escriba correctamente las fórmulas de la ecuación y balancee

__N H (g) + __O (g)

→

__N O (g) + __H O (g)

Justificación:

9.

A partir de la oxidación del amoníaco se fabrica el óxido nítrico (monóxido de nitrógeno) y se obtiene como subproducto vapor de agua. Cuántos moles de óxido nítrico pueden obtenerse de la reacción de 3,80 mol de amoníaco con 5,15 mol de oxígeno?, escriba correctamente las fórmulas de la ecuación y balancee __N H (g) + __O (g)

→

__N O (g) + __H O (g)

Justificación:


27


10.

El trióxido de azufre se obtiene de la reacción del dióxido de azufre y oxigeno. Cuántos gramos de trióxido de azufre pueden producirse de la reacción de 3,00 g dióxido de azufre con 2,02 g de oxígeno?, escriba correctamente las fórmulas de la ecuación y balancee

__S O (g) + __O (g)

→

__S O (g)

Justificación:

11.

La reacción de 10,0 g de hidrógeno con 10,0 g de oxígeno dan 8,43 g de agua gaseosa. ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de de esta reacción?, escriba correctamente las fórmulas de la ecuación y balancee __H (g) + __O (g)

→

__H O (g)

Justificación:

12.

La aspirina es producida por la reacción del ácido salicílico (M = 138,1 g/mol) y anhídrido acético (M = 102,1 g/mol). _ _C 7 H 6 O 3 (s) + __C 4 H 6 O 3 (l)

→

__C 9 H 8 O 4 (s) + __C 2 H 4 O 2 (l)

a) Si usted mezcla 5,00 gramos de cada reactivo, cuántos gramos de aspirina (M = 180,2g/mol) pueden ser obtenidos teóricamente? b) Si 2,04 g de C 9 H 8 O 4 (M = 180,2 g/mol) se producen de la reacción de 3,00 g de C 7 H 6 O 3 y 5,40 g de C 4 H 6 O 3 ¿cuál es el porcentaje de rendimiento?

Justificación:

28



13.

El vidrio común se obtiene fundiendo en hornos una mezcla molida de arena de cuarzo (SiO 2 ), carbonato de sodio (Na 2 CO 3 ) y carbonato de calcio (CaCO 3 ) a 1500-1600°C:

Na2CO3

Na2O + CO 2 (g) calor

CaCO3

CaO + CO2 (g)

El Na 2 O y el CaO reaccionan con el SiO2 obteniéndose:

Na2O + CaO + 6SiO2

calor

Na2O . CaO . 6SiO 2 vidrio

Calcular cuántos gramos de SiO 2 , Na 2 CO 3 y CaCO 3 se necesitan para obtener 1 Kg de vidrio. Justificación:

14.

La ecuación para la reacción de obtención de fósforo en un horno eléctrico es:

Ca 3 (PO 4 ) 2

+

SiO 2

+ C

CaSiO

3

+

CO

+ P4

Determinar: a) Los coeficientes estequiométricos de la ecuación planteada b) La masa de fósforo (P4 ) obtenidos por cada gramo de Ca 3 (PO 4 ) 2 utilizado. c) Los gramos de SiO 2 y C que se necesitan por cada mol de Ca3 (PO 4 ) 2 utilizado. Justificación:


29


15.

El gas acetileno (C2 H 2 ) se prepara por reacción de carburo de calcio (CaC2 ) con agua (H 2 O), de acuerdo con la siguiente reacción:

CaC2 + 2H2O

C2H2 + Ca(OH)2

Si 2550 Kg de carburo de calcio se tratan con un exceso de agua se obtienen 867 Kg de acetileno. ¿Cuál será el porcentaje de rendimiento de la reacción?. Justificación:

16.

En un experimento, un estudiante calienta una mezcla de 5,52 g de cobre en polvo con 10,1 g de azufre en polvo. La reacción que se verifica es: __Cu + __S 8 __Cu 2 S a) ¿Cuántos gramos de Cu2 S se obtienen? b) ¿Cuánto queda sin reaccionar del reactivo que está en exceso?. Justificación:

30



17.

Una muestra de 10,50 g de una mezcla de carbonato de calcio (CaCO3 ) y sulfato de calcio se calentó para descomponer el carbonato, de acuerdo a la siguiente ecuación:

CaCO3

Δ

CaO + CO2

El CO 2 gaseoso escapó y el CaSO4 no se descompone por el calentamiento. La masa final de la muestra es 7,64 g ¿Qué porcentaje de la mezcla original es CaCO3 ? Justificación:


31


RESPUESTAS 1.

Respuesta:

1,25 x 1021 moléculas de HCN

2.

Respuesta:

4 iones de hierro

3.

Respuesta:

C 2 H 3 NO 5

4.

Respuesta:

a) C 3 H 8 O b) C 3 H 8 O

5.

Respuesta:

a) 0,389 moles de átomos de C; 0,389 moles de átomos de H y 0,0555 moles de átomos de N b) 4,6 g de C; 0,39 g de H y 0,78 g de N c) 1,78 g de O d) C 7 H 7 NO 2

6.

Respuesta:

C6H8O6

7.

Respuesta:

3

8.

Respuesta:

4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 26,0 g

9.

Respuesta:

4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 3,80 mol

4 NO(g) + 6 H 2 O(g)

→

4 NO(g) + 6 H 2 O(g)

→

10. Respuesta:

2 SO 2 (g) + O 2 (g) 3,80 mol

11. Respuesta:

2 H 2 (g) + O 2 (g) 74,9 %

12. Respuesta:

a) 1C 7 H 6 O 3 (s) + 1C 4 H 6 O 3 (l) b) 6,52 g c) 52,1 %

13.

Respuesta:

753,1 g SiO 2 209,2 g CaCO 3 221,8 Na 2 CO 3

14.

Respuesta:

2 Ca 3 (PO 4 ) 2 ; 6SiO 2 ; 10C; 6CaSiO 3 ; 10 CO y 1P 4 0,2 g P 4 180,26 g SiO 2 y 60 g C

32

→

→

2 SO 3 (g)

2 H 2 O (g)

1C 9 H 8 O 4 (s) + 1C 2 H 4 O 2 (l)

→



15.

Respuesta:

83,7 %

16.

Respuesta:

16Cu; 1S 8 ; 8Cu 2 S 8,65 g Cu 2 S 8,71 g S 8

17.

Respuesta:

61,9 %


33


GUIA Nº4 UNIDAD Nº4: GASES Y SUS PROPIEDADES Objetivos específicos de la Unidad Nº4 1.

Características generales de los gases

2.

Presión de gases y el manómetro

3.

Leyes de los gases. Ley de Boyle. Ley de Charles. Ley de Avogadro

4.

Ecuación de los gases ideales y su relación con las leyes de los gases

5.

Peso Molecular y densidad de los gases

6.

Mezclas de gases y presiones parciales. Ley de Dalton

7.

Estequiométricos simples de reacciones que involucren gases ideales (e.g., reactivos limitantes, rendimientos).


BIBLIOGRAFIA: 1.


2.


3.

Capítulo 12. Química y Reactividad Química. J. C. Kotz, P. M. Treichel. Thomson. 5ª Edición, 2003. Traducido del material de soporte en los Cds del “Test Bank. Manual Instructor”

34



EJERCICIOS RESUELTOS Se tiene un cilindro de 30,0 L con Helio en una presión de 132 atm y a una temperatura de 24 °C. Dicho cilindro se utiliza para llenar globos de 3,00 L a 1,07 atm y 29 °C. ¿Cuántos globos se podrán llenar? Asuma que el cilindro puede proporcionar helio hasta que su presión interna alcanza 1,00 atm (es decir, hay 131 atmósferas de He disponible en el cilindro). Justificación: Se calcula el volumen que se dispone en la segunda condición:

P1V 1 T 1

=

P2V 2

de donde

T 2

V 2 =

P1V 1T 2 T 1 P 2

Se transforman las temperaturas a grados Kelvin (absolutos) T 1 = 24º C + 273 = 297 K T 2 = 29º C + 273 = 302 K

Reemplazando los datos que se tiene

V 2 =

(30,0 L)(131atm)(302 K ) = 3734,73 L (297 K )(1,07atm)

Como cada globo ocupa 3 litros por tanto el número de globos sera la razon del volumen total para el volumen de cada globo

N globos =

V Total V globo

reemplazando

N globos =

3734,73 L = 1244,91 3 L

El número de globos en cifras significativas es 1,24 x 10 3


35


¿Qué volumen de O 2 (g) medido a 91,2 ºC y 743 mm de Hg, será producido por la descomposición de 4,88 g de KClO 3 ? __KClO 3 (s)

→

__KCl(s) + __O 2 (g)

Justificación: primero se equilibra la reacción por cualquiera de los métodos:

2 KClO 3 (s)

2 KCl(s) + 3 O 2 (g)

→

Procedemos a calcular la masa molar (M) del (KClO 3 ) y transformar la masa de la muestra sólida (KClO 3 ) en moles M = 1(39,0983) + 1(35,4527) + 3(15,9994) = 122,5492 g / mol

4,88 g ( KClO3 ) ×

1mol ( KClO3 ) = 0,03982mol KClO3 122,5492 g ( KClO 3)

Por estequiometría pasamo de moles de KClO 3 a moles de O 2

0,03982mol KClO3 ×

3molO2 = 0,05973molO2 2mol KClO3

Ahota transformamos la presión a atmosferas y la temperatura a kelvin

743mm Hg ×

1atm = 0,9776atm 760mm Hg

T = 91,2º C + 273 = 364,2 K

Como ahora tenemos los moles del gas, la temperatura y la presión empleamos la ley general de los gases para calcular el volumen PV = nRT

V =

nRT P

0,05973mol × 0,082 V =

atm _ L mol _ K

0,9776atm

× 364,2 K = 1,8247 ≈ 1,82 L

El volumen de O 2 producido es de 1,82 litros

36



EJERCICIOS PROPUESTOS

1.

A 0,984 atmósferas, la altura del mercurio en un barómetro es de 74,8 cm. ¿Si el mercurio fuera substituido por agua, qué altura de agua (en cm) soportaría esta presión? Las densidades del Hg y de H 2 O son 13,5 g/cm3 y 1,00 g/cm3, respectivamente. Justificación:

2.

Un cilindro rígido que contiene 3,50 L de H2 a 17 °C y 0,913 atm se cierra herméticamente. a) ¿Si el cilindro se calienta a 71 °C, cuál es la presión en el cilindro? b) ¿Si se duplica la presión, cuál será la temperatura del gas? Justificación:

3.

Un globo se llena con He (g) hasta un volumen de 3,22 L a 32 °C. El globo se coloca en nitrógeno líquido hasta que su temperatura alcanza -132 °C. Asumiendo que la presión permanece constante, ¿Cuál será el volumen de este globo enfriado? Justificación:

4.

A temperatura constante, 14,0 L de O2 a 0,882 atm se comprimen hasta 1,75 L. Cuál es la presión final de O 2 ?

Justificación:


37


5.

a) Qué volumen de CO2 a 15 °C y 1.50 atm contiene el mismo número de moléculas que 0,410L de O 2 a 35 °C y 3.00 atmósferas? b) Si un cilindro de 3,44 L de SO2 a 1,65 atm contiene el mismo número de moléculas que un cilindro de 5,00 L de H 2 -7°C y 1,00 atm, cuál es la temperatura (en °C) del SO2 ? Justificación:

Ley del gas ideal (R = 0.08205 L·atm·mol -1 ·K-1) 6.

Un cilindro de 50,0 L con Ar (g) tienen una presión de 137 atm a 25 °C. a) ¿Qué masa de Ar está dentro del cilindro? b) ¿Cuántas moléculas de Ar hay dentro del cilindro? Justificación:

7.

a) ¿Si la densidad del oxígeno en aire es 0,263 g/L a 25°C, cuál es su presión? b) ¿si la presión permanece constante y su temperatura disminuye a 10 ºC,cuál será su densidad? Justificación:

8.

Una masa de 1.663 g de un gas desconocido se introduce en un cilindro vacio de 2.00 L. ¿Si la presión en el cilindro es de 0.544 atmósferas a 78°C, cuál de los siguientes gases N 2 , NH 3 , C 2 H 2 o N 2 O, podría estar en el cilindro? Justificación:

38



Leyes de los gases y reacciones químicas 9.

Qué volumen de N2 (g) reaccionará totalmente con 22,2 L de H2 (g) a 453 K y 755 mm Hg, para producir NH 3 (g)? __N 2 (g) + __H 2 (g)

__NH 3 (g)

→

Justificación:

10.

¿Si 6,46 L de etanol gaseoso se queman en un exceso de oxigeno, cuál es el volumen máximo de dióxido de carbono producido? Asuma que la temperatura de los reactivos y productos es de 425°C y la presión permanece constante a 1,00 atm __CH 3 CH 2 OH (g) + __O 2 (g)

__CO 2 (g) + __H 2 O (g)

→

Justificación:

11.

La síntesis de amoníaco se lleva a cabo según la siguiente ecuación: __N 2 (g) + __H 2 (g)

__NH 3 (g)

→

Si 2,75 L de N 2 (g) reaccionan con 7,75 L H 2 (g), cuál es la producción teórica (en litros) de NH 3 (g)? Asuma que los volúmenes de reactivo y de productos están medidos a las mismas temperatura y presión. Justificación:


39


12.

Si 4,00 g de azufre (S8 ) reaccionan con 4,25 L O 2 a 39 °C y 1.00 atm, cuál es la masa máxima de SO 3 producido? __S 8 (s) + __O 2 (g)

__SO 3 (g)

→

Justificación:

13.

El ácido clorhídrico reacciona con cinc para producir hidrógeno según la reacción: __HCl (aq) + __Zn (s) → __ZnCl 2 (aq) + __H 2 (g) ¿Si 750,0 ml de HCl 0,250 M se combinan con 5,98 g de Zn (s), qué volumen de gas de hidrógeno seco puede ser producido? Asuma que la temperatura y la presión del gas son 25 °C y 742 mm Hg, respectivamente.

Justificación:

14.

La fórmula empírica de cierto hidrocarburo es CH2 . Cuando 0,120 moles de dicho hidrocarburo se queman por completo en un exceso de oxígeno, se producen 17,7 L de CO 2 (g) a 27 °C y 1,00 atm. ¿Cuál es el fórmula molecular del hidrocarburo?

Justificación:

40



15.

Un hidrocarburo gaseoso desconocido contiene un 85,63% de C. Si su densidad es 0,426g/L a 0,465 atmósferas y 373 K. ¿Cuál es la fórmula molecular de dicho hidrocarburo?

Justificación:

Mezclas Mezclas de gases ideales y p resiones p arciales 16.

La nitroglicerina (227,1 g/mol) se descompone según la reacción: _ _C 3 H 5 N 3 O 9 (l)

__N 2 (g) + __CO 2 (g) + __H 2 O (g) + __O 2 (g)

→

Qué volumen total de gases se produce a 65 °C y 744 mm Hg por descomposición 5,00 g de nitroglicerina? Justificación:

17.

Un cilindro de 1,00 L a 298 K contiene una mezcla de Kr y de N2 a una presión total de 0,940 atm. ¿Si la fracción molar de Kr es 0,455 cuál es la fracción en masa del Kr? Justificación:


41


20.

El oxido nítrico, NO (g), precursor en la preparación industrial del ácido nítrico, HNO3 , se forma al reaccionar amoniaco, NH3 (g), con oxigeno, O 2 (g), en presencia de un catalizador, de acuerdo a la siguiente ecuación: ____NH 3 (g) + ___O 2 (g)

____ NO(g) + ____H 2 O(g)

→

Equilibre la ecuación y encuentre cuantos litros de NH3 (g) son necesarios para reaccionar con 1,76 moles de O 2 (g) a 5,38 °C y 3,55 atm. Justificación:

42



RESPUESTAS 1.

Respuesta:

1,01 x 103 cm

2.

Respuesta:

a) 1,08 atm b) 307 ºC

3.

Respuesta:

1,49 L

4.

Respuesta:

7,06 atm

5.

Respuesta:

a) 0,767 L b) 29 ºC

6.

Respuesta:

a) 1,12 x 104 g b) 1,69 x 1026 moléculas

7.

Respuesta:

a) 0,201 atm b) 0,277 g/L

8.

Respuesta:

N 2 O

9.

Respuesta:

N 2 (g) + 3 H 2 (g) 7,40 L

→

2 NH 3 (g)

10. Respuesta:

CH 3 CH 2 OH (g) + 3 O 2 (g) 12,9 L

11. Respuesta:

N 2 (g) + 3 H 2 (g) 5,17 L

12. Respuesta:

S 8 (s) + 12 O2 (g) 6,64 g

13. Respuesta:

2 HCl (aq) + Zn (s) 2,25 L

14.

Respuesta:

C 6 H 12

15.

Respuesta:

C2 H4

16. Respuesta:

4 C 3 H 5 N 3 O 9 (l) 4,83 L

17.

0,838

Respuesta:

18. Respuesta:

→

→

→

2 CO 2 (g) + 3 H 2 O (g)

2 NH 3 (g) 8 SO 3 (g) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g)

→

6 N 2 (g) + 12 CO 2 (g) + 10 H 2 O (g) + O 2 (g)

→

4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 9,05 L

4 NO(g) + 6 H 2 O(g)

→


43


GUIA Nº5 UNIDAD Nº5 ESTEQUIOMETRÍA EN SOLUCIONES ACUOSAS Y PROPIEDADES FISICAS DE LAS SOLUCIONES Objetivos específicos de la Unidad Nº5 1.

Composición de soluciones.

2.

Unidades de concentración de las disoluciones % m/m, % m/v, ppm, M, m.

3.

Diluciones.

4.

Electrólitos fuertes y débiles: Bases, ácidos y sales.

5.

Reacciones en solución: Reacciones de precipitación, Concepto de solubilidad.

6.

Reacciones de metátesis, Reacciones ácido-base.


BIBLIOGRAFIA: 1.


2.


3.


44



EJERCICIOS RESUELTOS Una solución se prepara mezclando 66,7 g de H 2 O con 33,3 g de HOCH 2 CH 2 OH (etilenglicol). ¿Cuál es la concentración del etilenglicol en unidades de molalidad, molaridad, porcentaje en peso a peso y fracción molar de agua? Las masas molares del agua y etilenglicol son 18,02 g/mol y 62,07 g/mol, respectivamente; la densidad es de 1,105 g/mL. Justificación: Molalidad es el número de moles en un kilogramo de solvente

Para lo cual pasamos los gramos de etilenglicol a moles y la masa del agua a kilogramos 1moletilenglicol 33,3 g etilenglicol × = 0,5365mol etilenglicol 62,07 g etilenglicol

66,7 g agua ×

1Kg = 6,67 x10 −2 Kg agua 1000 g

Reemplazando en molalidad tenemos Molalidad =

0,5365mol etilenglicol = 8,1042 ≈ 8,10molal 6,67 x10 −2 Kg agua

Molaridad es el número de moles contenidos en un litro de solución

La solución es el soluto mas el solvente como tenemos gramos los sumamos y pasamos a volumen con la densidad masa solución = 33,3 g soluto + 66,7 g solvente = 100 g solución d =

m V

V =

m d

V =

100 g g

= 90,4977 mL

1,105 mL

El volumen lo expresamos en L 1 L 90,4977mL × = 9,04977 x10 −2 L 1000mL Reemplazando en la molaridad 0,5365mol etilenglicol Molaridad = = 5,9283 ≈ 5,93molar 9,04977 x10 −2 Lsolución Porcentaje peso a peso es la masa del soluto para la masa de

%=

la solución

33,3g etilenglicol × 100 = 33,3% 100 g solución

La Fracción molar es los moles del agua para los moles de agua mas moles de soluto, pero primero pasamos los gramos de agua a moles 1mol agua 66,7 g agua × = 3,7014mol 18,02 g agua χ

=

moles agua moles agua + moles etilenglicol

χ

=

3,7014 = 0,8734 ≈ 0,873 3,7014 + 0,5365


45


¿Cuántos litros de KCl 0,1107 Molar (ac) se pueden preparar con 15,00 g de KCl? Justificación: por definicion de molaridad, se necesita los moles que hay en los 15 g de KCl donde M

es masa molar M = 1(39,0983) + 1(35,4527) = 74,551

n = 15 g KCl ×

g mol

1mol KCl = 0,2012mol KCl 74,551g KCl

Molaridad =

n Lsolución

Lsolución =

0,2012molKCl 0,1107

molKCl

= 1,81756 ≈ 1,818 L

L


¿Cuál es la ecuación equilibrada molecular, iónica e iónica neta para la reacción de nitrato de plomo (II) acuoso con bromuro de sodio acuoso? Justificación:

2.

¿Cuál es la ecuación iónica neta para la reacción de nitrato de plata acuoso con cloruro de calcio acuoso? Justificación:

46



3.

¿Escriba la ecuación molecular equilibrada para la reacción de hidróxido de litio acuoso y ácido nítrico acuoso, además, escriba la ecuación iónica, la ecuación iónica neta, cuales son los iones espectadores y que tipo de reacción es? Justificación:

4.

¿Escriba la ecuación molecular equilibrada para la reacción de hidróxido de bario acuoso y sulfato de sodio acuoso, además, escriba la ecuación iónica, la ecuación iónica neta, cuales son los iones espectadores y que tipo de reacción es? Justificación:

5.

Se desea preparar 1,000 kilogramos de KCl (ac) al 5,5% en masa, ¿Cuánto se necesita de soluto y solvente? Justificación:

6.

El hidróxido de sodio concentrado es 19,4 molar y 50,5% en masa de NaOH. ¿Cuál es la densidad del NaOH concentrado? Justificación:


47


7.

¿Cuál es la molaridad, molalidad, partes por millón y fracción molar de ácido sulfúrico al 13,82% en masa y de densidad 1,093 g/mL? La masa molar de H2 SO 4 es 98,08 g/mol. Justificación:

8.

¿Cuál es la molalidad de iones Cl- en una solución al 5,11% en masa de CaCl2 (ac)? La masa molar del cloruro de calcio es 110,98 g/mol. Justificación:

9.

Un depósito cilíndrico de agua tiene un radio de 75 m y una profundidad de 16 m. ¿Qué masa de ión fluoruro está presente en el depósito si su concentración es 2,3 ppm (Volumen = πr 2h; asuma que la densidad de la solución es 1,00 g/mL) Justificación:

10.

Qué masa de Cu (NO3 ) 2 debe ser agregada a 1,00 kilogramo de H2 O para preparar una solución que contenga 97 ppm de Cu2+ (ac)? Justificación:

48



11.

Si 5,15 g de FeCl 3 se disuelven en suficiente agua para hacer exactamente 150,0mL de una solución, cuál será la concentración molar del ion cloruro? Justificación:


49


RESPUESTAS 1.

Respuesta:

Pb(NO 3 ) 2 (ac) + 2 NaBr(ac) PbBr 2 (s) + 2 NaNO 3 (ac) Pb2+(ac) + 2 NO 3 -(ac) + 2 Na +(ac) + 2 Br -(ac) PbBr 2 (s) + 2 Na+(ac) + 2 NO3 -(ac) Pb2+(ac) + 2 Br -(ac) PbBr 2 (s) →

→

→

2.

Respuesta:

2 Ag+(ac) + 2 Cl -(ac)

3.

Respuesta:

HNO 3 (ac) + LiOH(ac) H 2 O(l) + LiNO 3 (ac) + + H 2 O(l) + Li+(ac) + NO 3 -(ac) H (ac) + NO 3 (ac) + Li (ac) + OH-(ac) H+(ac) + OH-(ac) H 2 O(l) + NO 3 y Li Reacción ácido - base

→

2 AgCl(s)

→

→

→

4.

Respuesta:

Ba(OH) 2 (ac) + Na 2 SO 4 BaSO 4 (s) + 2 NaOH(ac) Ba2+(ac) + 2 OH -(ac) + 2 Na+(ac) + SO 4 2-(ac) BaSO 4 (s) + 2 Na +(ac) + 2 OH-(ac) Ba2+(ac) + SO 4 2-(ac) BaSO 4 (s) + OH y Na Reacción de precipitación →

→

→

5.

Respuesta:

55,0 g de KCl y 945 g de agua

6.

Respuesta:

1,54 g/mL

7.

Respuesta:

1,540 molar 1,636 molal 1,511 x 105 ppm 2,862 x 10-2

8.

Respuesta:

0,921 molal

9.

Respuesta:

6,5 x 105 g de F -

10.

Respuesta:

0,29 g

11.

Respuesta:

0,606 molar

50



GUIA Nº6 UNIDAD Nº5: ESTEQUIOMETRÍA EN SOLUCIONES ACUOSAS Y PROPIEDADES FISICAS DE LAS SOLUCIONES Objetivos específicos de la Unidad Nº5 1.

Utilice las unidades de concentración en problemas estequiométricos simples de reacciones que ocurren en solución acuosa.

2.

Propiedades Coligativas: Descenso del punto de Congelación, Descenso de la presión de vapor. Aumento del punto de ebullición, Presión Osmótica: Soluciones isotónicas e hipotónicas.


BIBLIOGRAFIA: 1. Capítulo 4. Química. R. Chang McGraw Hill. 7ª Edición, 2002. 2. Capítulo 4. Química. La Ciencia Central. Brown, Le May, Bursten Pearson. Prentice Hall. 9ª Edición, 2004. 3. Capítulo 5. Química y Reactividad Química. J. C. Kotz, P. M. Treichel. Thomson. 5ª Edición, 2003. Traducido del material de soporte en los Cds del “Test Bank. Manual Instructor”


51


EJERCICIOS RESUELTOS ¿Qué volumen de NaCl 0,300 molar se requiere para precipitar todo el ion Pb 2+ presente en 25,0 ml de Pb(NO 3 ) 2 0,440 molar? __Pb(NO 3 ) 2 (ac) + __NaCl (ac)

→

__PbCl 2 (s) + __NaNO 3 (ac)

Justificación: primero se procede a equilibrar la ecuación química planteada

Pb(NO 3 ) 2 (ac) + 2 NaCl (ac)

PbCl 2 (s) + 2 NaNO 3 (ac)

→

Procedemos a continuación obtener el número de moles que existen en la solución 0,440 molar en el volumen de 25,0 mL,para esto empleamos la definición de molaridad n( moles )

Moles = V ( L) xMolaridad V ( L) El volumen pasamos a litros y sustituimos los datos en la ecuación 1 L 25,0mL × = 2,50 x10 −2 L 1000mL

Molaridad =

−2

moles Pb( NO3 ) 2 = 2,50 x10 L × 0 ,440

mol L

= 1,10 x10 − 2 moles Pb( NO3 ) 2

Por estequiometría (ecuación química balanceada) pasamos de moles de Pb(NO 3 ) 2 a moles de NaCl

1,10 x10 −2 mol Pb( NO3 )2 ×

2mol NaCl 1mol Pb( NO3 )2

= 2,20 x10 −2 mol NaCl

Por último empleando la definición demolaridad hallamos el volumen V ( L) =

Molaridad n(moles )

V ( L) =

2,20 x10 −2 mol NaCl 0,300

mol

= 0,073333 L ≈ 73,3mL

L

¿Cuál es el punto de ebullición, congelación y su presión osmótica a 25 ºC, de una solución que contiene 2,33 g de cafeína, C 8 H 10 N 4 O 2 , disuelta en 15,0 g de benceno? El punto de ebullición del benceno puro es 80,1 °C y su constante ebulloscópica, K eb , es 2,53 °C/molal, El punto de congelación del benceno puro es 5,50 °C y su constante crioscópica, K f , es 5,12 °C/molal y la densidad de la solución es de 0,905 g/mL. Justificación: para calcular la variación del punto de ebullición y congelación se debe calcular primero

la molalidad y por difinición tenemos molalidad =

n( moles )

por lo que debemos pasar los gramos de cefeina (soluto) a Kg ( solvente) moles y los gramos de solvente (benceno) a kilogramos, primero calculamos la masa molar de la cefeina por medio de su fórmula química

52



masa _ molar = 8(12,011) + 10(1,00794) + 4(14,00674) + 2(15,9994) = 194,19316 Kg benceno = 15,0 g ×

g mol

1Kg = 1,50 x10 −2 Kg benceno 1000 g

Ahora podemos calcular el número de moles ya que tenemos todos los datos masa soluto n( moles) = masa _ molar soluto

2,33g = 1,1998 x10 − 2 molcefeina EJERCICIOS PROPUESTOS g 194,19316

n(moles ) =

mol

A continuación la molalidad

1,1998 x10 −2 mol cafeina molalidad = = 0,79987molal 1,50 x10 −2 Kg benceno Luego, empleamos la formula de variación de la temperatura de ebullición para su cálculo

Δt eb = K eb xmolalidad

Δt eb = 2,53

º C molal

x0,79987molal = 2,024º C ≈ 2,02º C

Para calcular el punto de ebullición de la solución empleamos la variación de la temperatura la siguiente fórmula 0 0 Δt eb = t eb − t eb donde t eb es la temperatura de ebullición del solvente puro y t eb es la temperatura deebullición de la solución

Por tanto

0

t eb = t eb + Δt eb

t eb = 80,1º c + 2,02º C = 82,12 ≈ 82,1º C

Para determinar la variación en el punto de congelación empleamos la fórmula de esta, pero si nos fijamos en los cálculos anteriores vemos que tenemos todos los valores y solo nos queda por reamplazarlo en la fórmula

Δt f = K f xmolalidad

Δt f = 5,12

º C molal

x 0,79987molal = 4,0953º C ≈ 4,09º C

Para calcular el punto de congelación de la solución empleamos la variación de la temperatura la siguiente fórmula Δt f = t f 0 − t f donde t f 0 es la temperatura de congelación del solvente puro y t f es la temperatura de congelación de la solución t f = t f 0 − Δt f

t f = 5,50º C − 4,09º C = 1,41º C


53


Para calcular la presión osmótica empleamos la fórmula π = molaridadx RT y para esto debemos calcular la molaridad que por definición tenemos los moles calculados al principio lo que nos falta es el volumen de la solución expresada en litros y para ello calculamos los gramos de solución g solución = g soluto + g solvente = 2,33 + 15,0 = 174,33g solución

Ahora pasamos a volumen por medio de la densidad d =

masa volumen

volumen =

donde

masa d

17,33 g

=

0,905

g

= 19,1492mL

mL

Ahora pasamos a litros el volumen

19,1492mL ×

1 L = 1,9142 x10 −2 L 1000mL

Estequiometría de reacciones en solución acuosa 1.

Si 0,3000 g de ceniza impura de carbonato de soda (Na2 CO 3 ) se titula con 17,66 mL de HCl 0,1187 molar, ¿cuál es el porcentaje de pureza de dicha ceniza de soda? __Na 2 CO 3 (s) + __HCl (ac)

→

__NaCl (ac) + __H2 O (l) + __CO 2 (g)

Justificación:

2.

El jugo gástrico humano contiene ácido clorhídrico (HCI). Cuando una muestra de 26,2 g de jugo gástrico se diluye con agua hasta un volumen final de solución de 200 mL, se obtiene una solución 5,28x10-3 molar en HCI. Calcular el % peso/peso de HCI en el jugo gástrico. Justificación:

54



3.

¿Cuántos mL de solución de H2 SO 4 al 80% peso/peso y densidad de1,74 g/mL se necesitan para que reaccionen completamente 50 g de zinc? __Zn(s)

+ __H 2 SO 4 (ac)

→

__ZnSO 4 (ac)

+ __H 2 (g)

Justificación:

4.

Se quiere determinar la pureza de una piedra de caliza (carbonato de calcio), para lo cual 5 g del mineral se disuelven en 325 mL de una disolución de HCl 0,2 molar, quedando exceso de ácido. El ácido sobrante se valora con NaOH 0,05 molar , del que se gastan 75 mL. Señale cuál es la riqueza en carbonato cálcico del mineral. __CaCO 3 + __ HCl → __CaCl 2 + __CO 2 + __H 2 O Justificación:

Propiedades coligativas 5.

¿Cuál es la presión parcial de equilibrio del vapor de agua sobre una mezcla de 24,0 g de H 2 O y 48,0 g de CH 3 CH 2 OH en 25°C? La presión parcial del agua pura a 25,0 °C es 23,8 mmHg. Asuma comportamiento ideal para la solución. Justificación:


55


6.

Qué masa de etilenglicol se necesita, cuando se mezcla con 90,5 g H2 O, para reducir la presión de vapor de equilibrio del H 2 O desde 1,00 atm a 0,500 atm a 100 °C. Las masas molares del agua y etilenglicol son 18,02 g/mol y 62,07 g/mol, respectivamente. Asuma comportamiento ideal para la solución. Justificación:

7.

¿Cuál es la masa molar y el punto de congelación de un compuesto, si 6,21 gramos del compuesto se disuelven en 8,07 gramos de etanol para formar una solución que tiene un punto de ebullición de 84,74°C? El punto de ebullición de etanol puro es 78,40 °C y su constante ebulloscópica, K eb , es 1,22 °C/m, El punto de congelación del etanol puro es 114,9 °C y su constante crioscópica, K f , es 3,00 °C/m. Justificación:

8.

La presión osmótica de la sangre es 7,65 atmósferas a 37 °C. Qué masa de glucosa (C 6 H 12 O 6 , masa molar = 180,2 g/mol) es necesaria para preparar 5,00 L de solución para inyección intravenosa? La presión osmótica de la solución de glucosa debe igualar la presión osmótica de la sangre. (R = 0,08206 L·atm/mol·K) Justificación:

9.

Una solución se prepara disolviendo 4,78 g de un no electrolito desconocido en suficiente agua para tener 0,500 L de solución. La presión osmótica de la solución es 1,98 atmósferas a 27 °C. ¿Cuál es la masa molar del soluto? (R = 0,08206 L·atm/mol·K) Justificación:

56



RESPUESTAS 1.

Respuesta:

Na 2 CO 3 (s) + 2 HCl (ac) 37,03 %

2.

Respuesta:

0,147 %

3.

Respuesta:

53,03 mL

4.

Respuesta:

CaCO 3 + 2 HCl 61,25 %

5.

Respuesta:

13,4 mm de Hg

6.

Respuesta:

312 g

7.

Respuesta:

148 g/mol

NaCl (ac) + H 2 O (l) + CO 2 (g)

→

CaCl 2 + CO 2 + H 2 O

→

T f = -130,5 ºC

8.

Respuesta:

271 g

9.

Respuesta:

119 g/mol


57


GUIA Nº7 UNIDAD Nº6: EQUILIBRIO QUÍMICO Y EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE Objetivos específicos de la Unidad Nº6 1.

Naturaleza y las características de los equilibrios químicos.

2.

Significado de la constante de equilibrio, K.

3.

Como utilizar K en estudios cuantitativos de equilibrios químicos.


BIBLIOGRAFIA: 1. Capítulo 14. Química. R. Chang McGraw Hill. 7ª Edición, 2002. 2. Capítulo 14. Química. La Ciencia Central. Brown, Le May, Bursten Pearson. Prentice Hall. 9ª Edición, 2004. 3. Capítulo 16. Química y Reactividad Química. J. C. Kotz, P. M. Treichel. Thomson. 5ª Edición, 2003. Traducido del material de soporte en los Cds del “Test Bank. Manual Instructor”

58



EJERCICIOS RESUELTOS Un exceso de Ca(IO3 ) 2 (s) se adicionan a 1,5 L de agua. En el equilibrio, la solución contiene 0,011 molar de iones de IO 3 -(ac). ¿Cuál es la constante de equilibrio para la reacción siguiente? __Ca(IO 3 ) 2 (s)



__Ca2+(ac) + __IO 3 -(ac)

Justificación: Lo primero es balancear la ecuación por cualquiera de los métodos:

Ca(IO 3 ) 2 (s)



Ca2+(ac) + 2 IO 3 -(ac)

La constante de equilibrio será igual a la concentración de los productos en el equilibrio elevados a sus coeficientes estequiométricos dividido para la concentración de los reactantes en el equilibrio elevados a sus coeficientes estequiométricos, en este caso el reactante es sólido no entra en la ecuación de la

[

K = Ca

constante dándonos:

2+

][IO3 ]2 −

Planteamos la tabla ICE quedándonos: Inicio Cambio Equilibrio

Ca(IO 3 ) 2 ------------------



Ca2+ 0 X

+

2 IO 3 0 2X 0,011

Como sabemos que al equilibro es la suma algebraica del inicio mas el cambio tendremos. X = 5,5 x 10 -3

0 + 2 X = 0,011 de donde

Reemplazando los valores en la ecuación de la constante tendremos: K = (5,5 x10

−3

)(0,011) 2

K = 6,655 x10

−7

≈ 6,7 x10 −7

Dados los siguientes equilibrios químicos: N 2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH 3 (g) 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g)  4 NO(g) + 6 H 2 O(g) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g)  H 2 O(g)

K1 K2 K3

Determine la constante de equilibrio para la reacción de abajo (K 4 ): N 2 (g) + O 2 (g)



2 NO(g)


K4

59

Guía d e Ej erci cios, Curso de “ Quími ca Gener al” , pr im er Semest r e 201 1 Justificación: primero se suma las dos primera ecuaciones, multiplicando por ½ la segunda ecuación y

la constante sería la raiz cuadrada quedandonos N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) + 5/2 O 2 (g)



2 NH 3 (g)

 2

K 1

NO(g) + 3 H 2 O(g)

K 2 K 1 × K 2

N 2 (g) + 3 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g)  2 NO(g) + 3 H 2 O(g)

Ahora procedemos a invertir la ecuación 3 y multiplicar todo por 3 y sumar a la anterior, mientras que la constante queda el inverso elevado al cubo quedando: K 1 × K 2

N 2 (g) + 3 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g)  2 NO(g) + 3 H 2 O(g)

1

3 H 2 O(g)  3 H 2 (g) + 3/2 O 2 (g)

N 2 (g) + O 2 (g)  2 NO(g)

K 4 =

K 3

K 1 × K 2 3

K

EJERCICIOS PROPUESTOS Constante de equilibrio y cociente de la reacción 1.

Escriba una ecuación química equilibrada que corresponda a la siguiente expresión de P NH constante de equilibrio: K p = 1/2 33/ 2 P N2 PH2 Justificación:

2.

Escriba una ecuación química equilibrada que corresponda a la siguiente expresión de constante de equilibrio:

[F- ][H3 O+ ] K = [HF]

Justificación:

60



3.

El tetraoxido de dinitrogeno se descompone para producir dióxido de nitrógeno: __N 2 O 4 (g)



__NO 2 (g)

Calcule el valor de K p , conociendo que K c = 5.88 x 10-3 a 273 K. (R = 0,08206 L·atm/mol·K) Justificación:

4.

Un recipiente de 4,00 L se llena con 0,75 mol de SO3 , 2,50 mol de SO 2 , y 1,30 mol de O 2 , permitiéndose que alcance el equilibrio. Usando el cociente de la reacción Q, prediga el efecto sobre las concentraciones de SO3 cuando el equilibrio es alcanzado. Asuma que la temperatura de la mezcla se escoge de tal forma que K c =12. __SO 3 (g)  __SO 2 (g) + __O 2 (g) Justificación:

Determinació n de la const ante de equilib rio 5.

La reacción siguiente se estudia a temperaturas altas: PCl 5 (g)



PCl 3 (g) + Cl 2 (g)

Si en el equilibrio, las presiones parciales de los gases son las siguientes: PCl5 = 1,8x10-2 atmósfera, PCl3 = 5,6 x 10-2 atmósfera, y Cl 2 = 3,8 x 10-4 atmósfera. ¿Cuál es el valor K p para la reacción? Justificación:


61


6.

A una temperatura dada, una mezcla del equilibrio contiene las concentraciones siguientes de gases: [SO3 ] = 0,054 M, [SO2 ] = 0,0047 M, y [O2 ] = 0,58 M. ¿Cuál es la constante de equilibrio, K c , para la siguiente reacción? __SO 3 (g)



__SO 2 (g) + __O 2 (g)

Justificación:

7.

Se adicionan 0,0774 moles de N2 O 4 (g) a un recipiente de 1,00 L a una temperatura dada. Después de que se alcanza el equilibrio, la concentración de NO2 (g) es 0,0068 M. Cuál es el valor de K c para la reacción siguiente? N 2 O 4 (g)  2 NO 2 (g) Justificación:

8.

Cuando 0,20 moles de NH4 Cl se disuelven en agua hasta un volumen de 1,00 L, el 0,0053% de NH 4 + se disocia para formar NH 3 . ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio para la siguiente reacción? NH 4 +(ac) + H 2 O (l)



NH 3 (ac) + H 3 O+(ac)

Justificación:

9.

A un tubo se adicionan 1,07 atmósferas de PCl5 a 500 K y se cierra herméticamente. El PCl 5 se descompone hasta que se establece el equilibrio siguiente: __PCl 5 (g)



__PCl 3 (ac) + __Cl 2 (g)

La presión del equilibrio en el tubo es 1,54 atmósferas. Calcule K p .

62



Justificación:

10.

Una mezcla de 0,200 mol de NO2 y 0.200 mol de CO se adiciona a un recipiente de 1,00 L y se espera hasta que se alcanza el equilibrio. El análisis de la mezcla del equilibrio indica que 0,134 mol de CO 2 están presentes. Calcule K c para la reacción: NO 2 (g) + CO (g)



NO(g) + CO 2 (g)

Justificación:

Uso de constantes de equilibrio en cálculos simples 11.

A 2010 K, la constante de equilibrio, K c , para la siguiente reacción es 4,0 x 10-4: __N 2 (g) + __O 2 (g)



__NO(g)

Si las concentraciones de N 2 y O 2 en el equilibrio son 0,28 mol/L y 0,38 mol/L a 2010 K, ¿cuál es la concentración de equilibrio de NO? Justificación:

12.

A 25°C, la descomposición del tetróxido del dinitrogeno: __N 2 O 4 (g) __NO 2 (g) tiene una constante de equilibrio (K p ) de 0,144. En el equilibrio, la presión total del sistema es 0,48 atmósferas. ¿Cuál es la presión parcial de cada gas en equilibrio?


63


Justificación:

13.

La constante de equilibrio a 25 °C para la disolución de bromuro de plata en agua es 5,4 x 10-13. AgBr (s) + H 2 O (l)



Ag+(ac) + Br -(ac)

Si un exceso de AgBr (s) se agrega a agua, ¿cuál será la concentración en el equilibrio del Ag+? Justificación:

14.

El yoduro de hidrógeno puede descomponerse en hidrógeno y yodo gaseosos. __HI (g) __H 2 (g) + __I 2 (g)

K p = 0.016

Si 0,820 atmósferas HI (g) se adicionan a un recipiente, ¿cuál es la presión de cada gas cuando se establece el equilibrio? Justificación:

16.

El bromuro de carbonilo se descompone para producir monóxido de carbono y bromo gaseosos: __COBr 2 (g) __CO (g) + __Br 2 (g) K c es igual a 0,19 a 73 ºC. Si una concentración inicial de COBr 2 de 0,63 M se calienta a 73°C hasta que alcance el equilibrio,¿cuáles son las concentraciones de equilibrio de COBr 2 , CO, y Br 2 ?

64



Justificación:


65


RESPUESTA 1.

Respuesta:

1/2 N 2 (g) + 3/2 H 2 (g)

2.

Respuesta:

HF(ac) + H 2 O(l)





NH 3 (g)

F-(ac) + H 3 O+(ac)

3.

Respuesta:

N 2 O 4 (g) 0,132

4.

Respuesta:

2 SO 3 (g)  2 SO 2 (g) + O 2 (g) [SO 3 ] disminuirá porque Q < K

5.

Respuesta:

1,2 x 10-3

6.

Respuesta:

2 SO 3 (g)  2 SO 2 (g) + O 2 (g) 4,4 x 10-3

7.

Respuesta:



2 NO 2 (g)

N 2 O 4 (g)  2 NO 2 (g) 6,5 x 10-4

8.

Respuesta:

NH 4 +(ac) + H 2 O (l)  NH 3 (ac) + H 3 O+(ac) 5,6 x 10-10

9.

Respuesta:

PCl 5 (g)  PCl 3 (ac) + Cl 2 (g)) 3,8 x 10-1

10. Respuesta:

NO 2 (g) + CO (g)  NO(g) + CO 2 (g) 4,1

11. Respuesta:

N 2 (g) + O 2 (g)  2 NO(g) 6,5 x 10-3 molar

12. Respuesta:

N 2 O 4 (g)2 NO 2 (g) 0,20 atm NO 2 (g) y 0,28 N 2 O 4 (g)

13. Respuesta:

7,3 x 10-7 molar

14. Respuesta:

2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g) HI = 0,654 atm, H 2 = 0,0828 atm, I 2 = 0,0828 atm

15. Respuesta:

COBr 2 (g) CO (g) + Br 2 (g) [COBr 2 ] = 0,37 molar, [CO] = 0,26 M, [Br 2 ] = 0,26 molar

66



GUIA Nº8 UNIDAD Nº6: EQUILIBRIO QUÍMICO Y EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE Objetivos específicos de la Unidad Nº6 1.

Disociación del agua. Producto iónico del agua.

2.

Concepto de pH. Escalas de pH. Otras escalas “p”

3.

Ácidos y bases fuertes y débiles


BIBLIOGRAFIA: 1.


2.


3.



67


EJERCICIOS RESULTOS A 25°C, ¿cuál es la concentración de H3 O+ en una solución de NaOH 0,044 molar (ac), su pH y pOH? (K W =1.0 × 10-14) Justificación: Como sabemos el NaOH es una base fuerte por tanto su disociación es al 100% + − Por tanto: NaOH ( ac ) → Na ( ac ) + OH ( ac ) Por estequiometría nos dice que por un mol de NaOH tenemos un mol de OH - y como el volumen no varía se mantiene la concentración; por lo que podemos calcular el pOH

pOH = − log[OH

−

]

pOH = − log 0.044 = 1,36 pH + pOH = pK w = 14

Ahora como que sabemos

pH = 14 − 1,36 = 12,64

Luego

+ + pH = − log H = − log H 3O empleando el antilogaritmo Y por definición sabemos que del pH negativo tenemos la concentración de H 3 O+ + + −13 −13 H 3 O = H = anti log − 12,64 = 2,29 x10 ≈ 2,3x10 molar

El pH de la trimetillamina acuosa 0,050 molar es 11,24. Cuál es el valor de K b de esta base? Justificación: como la trimetilamina es una base y me dan el pH puedo calcular el pOH y por

definición tengo la concentración molar de OH - en el equilibrio pH + pOH = 14

pOH = 14 − 11,24 = 2,76

OH = anti log− 2,76 = 1,7378 x10 3 molar −

−

Planteamos la reacción estequiométrica de hidrólisis de la trimetilamina y la tabla del ICE

(CH 3 ) 3 N I C E

+

0,050 -X 0,050 - X

H 2 O



(CH 3 ) 3 NH +

---------------------

0 +X X

+

−

OH 0 +X 1,7378x10 -3

Como en el equilibrio es la suma algebraica tenemos para OH -

0 + X = 1,7378 x10 −3 Como K b es

de donde

K b =

(CH 3 ) 3 NH + [(CH 3 ) 3 N ]

OH −

3

X = 1,7378 x10 −

reemplazando los valores al equilibrio y

X tenemos

(1,7378 x10 −3 )( X ) (1,7378 x10 −3 )(1,7378 x10 −3) K b = = = 6,26 x10 −5 ≈ 6,3x10 −5 −3 (0,050 − X ) (0,050 − 1,7378 x10 ) 68




En las siguientes reacciones, identificar el ácido, la base, el ácido conjugado y la base conjugada: a) b)

HCO 3 -(ac) + H 2 O (l)



HF (ac) + HPO4 2-(ac)

CO 3 2-(ac) + H3 O+(ac) 

F-(ac) + H2 PO 4 -(ac)

Justificación:

Agua y la escala del pH 2.

A 15°C, la constante de la ionización del agua, K W , es 4,5 x 10-15. Cuál es la concentración de H 3 O+ en agua neutra a esta temperatura? Justificación:

3.

Cuál es la concentración de H 3 O+ y OH en una solución acuosa con un pH de 12,17? Justificación:

4. Cuál es el pH una solución 5,0 × 10-3 molar de HF? Si el valor de K a para HF es 7,2 × 10-4. Justificación:


69


5.

Una solución acuosa con un pH de 10,60 se diluye desde 1,0 L hasta 1,5 L. ¿Cuál es el pH de la solución diluida? Justificación:

Constantes de equil ibri o para ácidos y bases 6.

a) ¿Cuál es la ecuación química correspondiente a la constante ácida de la ionización, K a , para el ácido fórmico (HCO 2 H)? b) ¿Cuál es la ecuación química correspondiente a la constante básica de la ionización, K b , para el ion nitrito (NO2 -)? Justificación:

7.

El ácido bórico tiene un pK a de 9,14. ¿Cuál es el valor de K b para el borato de sodio? Justificación:

8.

Una solución se prepara diluyendo 0,500 mol de NaClO en un volumen de 3,00 L con agua. ¿Cuál es el pH de la solución? (K b de ClO- = 2,9 x 10-7) Justificación:

70



RESPUESTAS 1.

Respuesta: Ácido Base Ácido conjugado Base conjugada

a HCO 3 H2O H 3 O+ CO 3 2-

2.

Respuesta:

6,7 x 10-8 molar

3.

Respuesta:

[H 3 O+] = 6,761 x 10 -13 molar [OH-] = 1,479 x 10 -2

4.

Respuesta:

2,8

5.

Respuesta:

10,8

6.

Respuesta:

a) b)

7.

Respuesta:

1,38 x 10-5

8.

Respuesta:

10,3

b HF HPO 4 2H 2 PO 4 F-

HCO 2 H (ac) + H 2 O (l)  HCO 2 -(ac) + H 3 O+(ac) NO 2 -(ac) + H 2 O (l)  HNO 2 (ac) + OH-(ac)


71


GUIA Nº9 UNIDAD Nº6: EQUILIBRIO QUÍMICO Y EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE Objetivos específicos de la Unidad Nº6 1. 2. 3.

Propiedades ácido base de las soluciones salinas. Efecto del ión común: soluciones amortiguadoras. Titulaciones ácido – base, curvas de titulación.


BIBLIOGRAFIA: 1.


2.


3.


72



EJERCICIOS RESUELTOS ¿Cuál es el pH de una solución que resulta de agregar 25 mL de NaOH 0,50 molar a 75mL de CH 3 CO 2 H 0,50 molar? (K a del CH 3 CO 2 H = 1,8 x 10-5) Justificación: planteamos la reacción química que sucede

CH 3COOH + NaOH → CH 3 COONa + H 2 O De acuerdo con la reacción calculamos el número de moles de ácido acético que fueron empleandos para ello empleamos la definición de molaridad Molaridad NaOH =

n NaOH

Molaridad ácido =

V solución ( L)

n NaOH = 0,50

nacido = 0 ,50

mol NaOH L

mol acido L

n ácido V solución ( L)

× 2,5 x10 −2 L = 1,25 x10 − 2 mol NaOH

× 7,5 x10 −2 L = 3,75 x10 −2

Por estequiometría (ecuación balanceada) sabemos que la reacción es 1:1 por tanto nos quedará ácido en exceso y calculamos pasando los moles de hidróxido de sodio a moles de ácido que consume

1,25 x10 −2 mol NaOH ×

1mol acido = 1,25 x10 −2 mol acido 1mol NaOH

Por diferencia sacamos el ácido restante

3,75 x10 −2 − 1,25 x10 −2 = 2,5 x10 −2 mol acido Procedemos a calcular la nueva molaridad, como los volúmenes son aditivos estos se suman y se tiene 100 mL de solución, por tanto su concentración sera: molaridad acido

2,5 x10 −2 mol acido = = 0,25molar 0,100 Lsolución

Ahora planteamos la ecuación de hidrólisis del ácido y aplicamos el ICE CH 3COOH

I C E

0,25 -X 0,25 - X



CH 3 COO 0 +X X

−


+

+

H 0 +X X

73


De la definición de la constante de equilibrio tenemos −

+

CH 3COO H

K a =

[CH 3COOH ]

reemplazando los valores K a =

X ( X )

0,25 − X

= 1,8 x10 −5

Comprobamos si la X de la parte 0,25 – X es despreciable o no para ello realizamos C inicial K

≥ 1000

0,25 = 25000 1,8 x10 −5 como es mayor de 1000 se desprecia X y nos queda −5

1,8 x10 =

X 2

0,25

2

X = 4,5 x10

−6

X =

4,5 x10 −6

X = 2,12 x10

−3

Donde X es iguala la concentración molar de protones (H +) y por lo tanto se calcula directamente el pH pH = − log H

+

= − log 2,12 x10 −3 = 2,67

a) ¿Cuál es el pH de la solución buffer que resulta cuando 4,0 g de NH 3 y 8,0 g de NH 4 Cl se diluyen con agua hasta un volumen de 0,50 L? (K a del NH 4 + = 5,6 x 10-10) b) Si tomamos 50 mL de la solución buffer y agregamos 50 mL de ácido clorhídrico 2,5 x 10-2 molar, ¿Cuál es el pH de la solución?

Justificación: a) primero calculamos la concentración molar de la base (NH 3 ) y su ácido conjugado

(NH 4 +) y para esto debemos calcular los pesos moleculares del ácido y base NH 3 = 1(14,00674) + 3(1,00794) = 17,03056

g mol

NH 4 Cl = 1(14,00674) + 4(1,00794) + 1(35,4527) = 53,4912

74


g mol


Ahora podemos calcular su el número de moles de cada uno n NH 3 =

4,0 g

= 0,2349mol

g

17,03056 mol

n NH 4Cl =

8,0 g

= 0,1469mol

g

53,4912 mol

Procedemos a calcular las molaridades de cada compuesto

[ NH 3 ] =

0,2349mol = 0,4698molar NH 3 0,50 L

[ NH 4 Cl ] =

0,1469mol = 0,2938molar NH 4Cl 0,50 L

Calculamos el pK a ya que nos dan Ka pK a = − log K a = − log 5,6 x10

−10

= 9,2518

Como tenemos el pK a empleamos la ecuación de Henderson-Hasselbach pH = pK a + log

[base] [ácido]

pH = 9,2518 + log

0,4698 = 9,2518 + 0,2039 = 9,4557 ≈ 9,46 0,2938

b) planteamos la reacción química que tiene lugar, si agrego un ácido este reaccionará con la base del buffer por tanto se tiene +

+

NH 3 + H → NH 4

Por la ecuación se ve que por cada molde ácido (HCl) se pierde un mol de base (NH 3 ) y se gana un mol del ácido conjugado (NH 4 Cl) por lo que debemos calcular el número de moles del ácido que hay en los 50 mL que están reaccionando y calcular la molaridad en el volumen final, ya que el volumen es aditivo varía la concentración. − 2 mol −3 n HCl = 2,5 x10 x0,05 L = 1,25 x10 mol L

1,25 x10 −3 mol −2 [ HCl ] = = 1,25 x10 molar 0,100 L De acuerdo a la reacción química esta concentración, ya que es la relación molar 1:1, se resta a la base y la misma concentración se suma al ácido y se reemplaza en la ecuación del pH


75



Se tiene una disolución que contiene 2,00 g de NaCN en 250 mL de agua, sabiendo que el pKa del HCN es 9,21. Calcular: a) El pH de la disolución. b) Los moles de NaCN hidrolizados. c) El tanto por ciento de sal hidrolizada. Justificación:

2.

¿Cuál es la concentración de OH- en CH 3 CO 2 -(ac) 0,51 molar y el pH de la solución?. Si K b del CH 3 CO 2 - es 5,6x10-10 Justificación:

3.

¿Cuál es el pH de la solución que resulta de mezclar 35 mL 0,50 molar de NH3 (ac) y 35mL 0,50 molar de HCl (ac) a 25 ºC? (K b para el NH 3 = 1,8 x 10-5)? Justificación:

4.

¿Cuál es el pH de la solución que resulta de mezclar 25 mL de HF 0,30 molar (ac) y 25mL de NaOH 0,30 molar (ac) a 25 ºC? (K a de HF = 7,2 x 10-4) Justificación:

Efecto del i ón común : soluci ones amortiguadoras

76



5.

Pretendemos preparar una solución amortiguadora. Para ello preparamos un litro de disolución de un ácido HA cuyo Ka=5 x 10 -6. La concentración es 0,2 molar. queremos obtener una disolución con pH=5. ¿Cuantos moles de NaA deberemos añadir?: Justificación:

6.

Cuál es el pH de una solución acuosa que es 0,50 molar en CO3 2- y 0,20 molar en HCO 3 -? (K b del CO 3 2- = 2,1 x 10-4) Justificación:

7.

Cuando se añaden 0,50 moles de ácido acético (pKa=4,75) y 2,50 moles de acetato sódico (electrolito fuerte) a la cantidad de agua pura necesaria para hacer 1 litro de disolución, estamos preparando una disolución reguladora. Despreciando H+ y OHprocedentes de la disociación acuosa, señale el pH de la disolución. Justificación:

8.

a) ¿Cuál es el pH de la solución buffer que resulta cuando 11 g de NaCH3 CO 2 se mezclan con 85 mL de CH 3 CO 2 H 1,0 molar y se diluyen con agua hasta 1,0 L? (K a del CH 3 CO 2 H = 1,8 x 10-5) b) Si tomamos 25 mL de la solución buffer y agregamos 10 mL de ácido clorhídrico 1,5 x 10-3 molar, ¿Cuál es el pH de la solución?

Justificación:


77


9.

Cuál es el pH de la solución buffer que resulta cuando 12,5 g de NaH2 PO 4 y 22,0 g Na 2 HPO 4 se mezclan y se diluyen con agua hasta 0,500 L? (Las constantes ácidas de disociación para el ácido fosfórico son K a1 = 7,5 x 10-3, K a2 = 6,2 x 10-8, y K a3 = 3,6 x 1013 )} Justificación:

10.

¿Qué masa de KF sólido (masa molar = 58,1 g/mol) se debe agregar a 2,0 L de HF 0,25 molar para hacer una solución buffer con un pH de 3,14? (pK a para HF = 3,14) Justificación:

11.

La constante K a del ácido hipocloroso, HClO, es 3,5 x 10-8. ¿Cuál será la relación [ClO-]/ [HClO] necesaria para preparar una solución buffer con un pH de 7,71? Justificación:

12.

Una solución buffer se prepara mezclando 0,250 mol de H 2 PO 4 - y 0,250 mol de HPO 4 2- y diluyendo con agua hasta un volumen de 1,00 L. El pH del buffer es 7,21. a) ¿Cuántos moles de NaOH deben ser agregados para aumentar el pH a 8,21? b) ¿Cuántas moles de HCl deben ser agragados para disminuir el pH a 6,21?

Justificación:

78



13.

Hallar el pH resultante de disolver 4 g de hidróxido de sodio en 250 mL de agua y calcule el volumen de una disolución de ácido sulfúrico 0,025 molar necesario para neutralizar completamente 50 mL de esta disolución. Justificación:

14.

Calcula la riqueza de una sosa comercial, si 30 gr amos de la misma precisan 50 mL de ácido sulfúrico 3 molar para su neutralización total. Justificación:

15.

Tenemos 50 mL de HCl 0,1 molar. Calcula el pH al añadir las siguientes cantidades de NH 3 0,2 molar: a) 20 mL b) 25 mL c) 26 mL d) 40 mL Indique el pH en el punto de equivalencia. Datos: Ka (CH 3 COOH) = 1,8 x 10-5 Justificación:


79


16.

Tenemos 50 mL de HCl 0,1 molar. Calcula el pH al añadirle las siguientes cantidades de NaOH 0,1 molar: a) 40 mL b) 49 mL c) 51 mL d) 90 mL Indique el pH en el punto de equivalencia. Justificación:

80



RESPUESTAS

1.

Respuesta:

a) 11,2 b) 4,04 x 10-2 moles c) 9,97x10-3 %

2.

Respuesta:

1,7 x 10-5 molar 9,2

3.

Respuesta:

4,9

4.

Respuesta:

8,2

5.

Respuesta:

0,1

6.

Respuesta:

10,7

7.

Respuesta:

5,45

8.

Respuesta:

a) 4,94 b) 4,93

9.

Respuesta:

7,38

10.

Respuesta:

29 g

11.

Respuesta:

1,8

12.

Respuesta:

a) 0,205 moles b) 0,205 moles

13.

Respuesta:

13,61 0,4 L

14.

Respuesta:

40%

15.

Respuesta:

a) 1,84 b) 5,21 c) 7,85 d) 9,05

16.

Respuesta:

a) 1,95 Depa r t amen t o de Cien cia s Quími cas

81


b) 3,00 c) 11,0 d) 12,46

82



GUIA Nº10 UNIDAD Nº7: INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA Objetivos específicos de la Unidad Nº7 1.

Identifique elementos estructurales simples que le permita comprender la naturaleza de compuestos orgánicos comunes.

2.

Nombre y dibuje las estructuras de compuestos orgánicos comunes.


BIBLIOGRAFIA: 1.


2.


3.



83


NOMENCLATURA DE COMPUESTOS ORGANICOS En el Sistema IUPAC, el Nombre de un Alcano Complejo o Ramificado no cíclico se nombra como se indica en la tabla 1:

1. 1- Encuentre la cadena principal en el compuesto. En este caso, nueve carbonos => non ano. Sección 1.2.1

2- Numere la cadena principal desde un extremo al otro de tal forma que se asigne el número más pequeño posible al "primer punto de diferencia". Sección 1.2.2

3- Nombre cada sustituyente o ramificación diferentes en la cadena principal. Nombre los sustituyentes que sean iguales una sola vez. En este caso: metil, etil, propil. Sección 1.2.3

4- Alfabetice los sustituyentes. Sección 1.2.4 5- Escriba el nombre completo del compuesto como una sola palabra insertando prefijos de posición, multiplicativos, etc. antes de cada sustituyente y agregando el nombre padre y sufijo al final del nombre. Sección 1.2.5

4-etil-2,3-dimetil-5-propilnonano

Prioridad de grupos funcionales principales. La prioridad más elevada se encuentra en la parte superior de la tabla 2.

84

Grupo funcional

Nombre como sufijo

Nombre como prefijo

ácido carboxílico

ácido –oico ácido -carboxílico

carboxi

ácido sulfónico

ácido -sulfónico

sulfo

Anhídrido

anhídrido -oico anhídrido -carboxílico

Éster

-oato de -carboxilato de


alcoxicarbonil


halogenuro de acilo

Halogenuro de -oilo halogenuro de -carbonilo

halocarbonil

Amida

-amida -carboxamida

amido

Nitrilo

-nitrilo -carbonitrilo

ciano

Aldehído

-al -carbaldehído

oxo

Cetona

-ona

oxo

Alcohol

-ol

hidroxi

Fenol

-ol

hidroxi

Tiol

-tiol

mercapto

Amina

-amina

amino

Imina

-imina

imino

Alqueno

-eno

alquenil

Alquino

-ino

alquinil

Alcano

-ano

alquil

Algunos grupos funcionales pueden ser citados sólo como prefijos. Ellos son los grupos subordinados que se indican en la Tabla 3 y ninguno de ellos tiene prioridad alguna.

Grupo funcional

Nombre como sufijo

Nombre como prefijo

Éter

alcoxi

halogenuro

halo (cloro, bromo, etc.)

nitro

nitro

sulfuro

alquiltio

azida

azido

diazo

diazo


85


EJERCICIOS 1.

¿Cuál es el nombre de los siguientes compuestos? a)

b)

CH3 H3C

CH2

CH CH2 CH2 CH CH2

CH3

CH2

CH3 c)

CH3

CH2

CH2

H C CH3

CH2

C H

f)

CH3

CH C

H

86

CH3

C2H5

e)

CH2

HC

C

C

CH2 CH CH3

H

Diga la fórmula estructural de: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

CH2

d)

CH3 CH2 CH CH2 CH CH2

2.

CH2

2,2,3,3-tetrametilpentano 2,3-dimetilbutano 3,4,4,5-tetrametilheptano 4-etil-3,4-dimetilheptano 4-etil-2,4-dimetilheptano 2,5-dimetilhexano 3-etil-2-metilpentano 2,2,4-trimetilpentano 3-cloro-2-metilpentano 1,2-dibromo-2-metilpropano


CH3

CH3


3.

¿Cuáles son los nombres IUPAC de los alcanos siguientes? CH3 H3C

CH3 CH3

a)

H3C

CH3

H3C

H3C

b)

CH3

H3C

H3C

CH3 CH3

c)

H3C

CH3 CH3

H3C

d) 4.

CH3

H3C

H3C

Diga la fórmula estructural de: a) 3,6-dimetil-1-octeno b) 3-cloro-4-metil-3-hexeno c) 3-cloropropeno d) 2-cloropropeno e) 2,4,4-trimetil-2-penteno f) 3-bromo-1-buteno g) 3,4-dimetil-3-hexeno h) 4-metil-2-hexeno

5.

Dibuje la fórmula estructural y dé el nombre IUPAC de: a) b) c) d) e)

isobutileno (CH 3 ) 2 CHCH=CHCH(CH 3 ) 2 CH 3 CH 2 CH=CHCH2 CH 3 (CH 3 ) 2 CHCH 2 CH=C(CH3 ) 2 (CH 3 ) 3 CCH=CH 2


87


6.

Escriba la fórmula estructural condensada de cada uno de los compuestos siguientes: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) o)

7.

5-metil-2-hepteno 3-cloropropino orto-diclorobenceno 2,2,4,4-tetrametil-pentano 3-etil-2-metilhexano 6-cloro-2-metil-3-heptino 1,6-heptadieno 2,2-dimetilpentano 2,3-dimetilhexano 2-hexeno metilciclopentano 2-clorobutano 1,2-dibromobenceno metilciclobutano 4-metil-2-pentino.

Indique el nombre de los compuestos siguientes: CH3 a)

H3C

CH3 CH3

b)

H3C

CH3 CH3 Br

c)

Br d)

HC H3C

CH3

CH3

e) CH3

88



8.

Indique el nombre de los compuestos siguientes: a)

CH3

H3C Br

b)

Br

H3C

CH3

CH3 c) Cl

H3C

Cl

CH3

d)

e)

Cl Cl

9.

Escribir formulas estructurales de: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) o) p) q) r)

ciclohexilciclohexano 1-metilciclohexeno ciclopentilacetileno 3-metilciclopenteno 4-cloro-1,1-dimetilcicloheptano 1,3-diclorociclobutano 1-bromo-2-metilciclopentano p-dinitrobenceno mesitileno (1,3,5-trimetilbenceno) m-bromonitrobenceno ácido o-clorobenzoico 4-cloro-2,3-dinitrotolueno m-nitrotolueno acido 2-amino-5-bromo-3-nitrobenzoico p-bromoanilina ácido p-hidroxibenzoico m-bromofenol 2,4,6-trinitrofenol


89


10.

Identifique los grupos funcionales de las moléculas siguientes:

An alg ési co 11.

Aspi ri na

En las siguientes moléculas de interés biológico y/o terapéutico, encierre con un círculo los grupos funcionales de cada molécula:

i. Proximato (tranquilizante)

12.

90

Testoster on a

ii. Propilhexedrina (vasoconstrictor)

Indique la hibridación de los carbonos señalados


iii.

Acido mefenámico (antiinflamatorio)


RESPUESTAS 1.

2.

Respuesta:

a) 2,5-dimetilheptano b) ciclopentano c) 3 etil-5-metilheptano d) 2-hexeno e) 1,3-pentadieno f) 4-metil-1-pentino

Respuesta: CH3

H3C a)

H3C b)

CH3

H3C CH3 H3C

H3C

CH3

H3C H3C c)

CH3

H3C

CH3 H3C

CH3

CH3 d)

H3C

CH3 H3C

e)

H3C

CH3

H3C

f)

CH3

H3C

CH3 CH3

H3C

CH3

H3C H3C g) CH3

H3C CH3 h)

H3C H3C

CH3 CH3

CH3

Cl i)

CH3

H3C CH3 Br

j)

CH3 Br CH3


91


3.

Respuesta:

a) 2,4-dimetilhexano b) 3,3,4,4-tetrametilhexano c) 4-etil-2,4-dimetilnonano d) 3,4,4-trimetilheptano

4.

Respuesta: CH3 a)

H2C

CH3 CH3

Cl b)

H3C

CH3 CH3

c)

d)

H2C

Cl

H2C

CH3 Cl

e)

H3C

CH3

H3C H3C

CH3

Br f)

H2C

CH3

H3C g)

H3C CH3

h)

H3C

CH3

CH3 H3C

92



5.

Respuesta: a)

CH2

H3C

CH3 CH3 b)

H3C

CH3

H3C

2,5-dimetil-3-hexeno

c)

H3C

CH3

3-hexeno CH3 d)

H3C

CH3

H3C

2,5-dimetil-2-hexeno e)

H3C

CH2

H3C

3-metil-1-buteno

6.

Respuesta:


93


7.

Respuesta:

a) 2,3-dimetilheptano 2,3-dimetilheptano b) 6-metil-3-octeno 6-metil-3-octeno c) para-dibromobenceno d) 4,4-dimetil-1-hexino 4,4-dimetil-1-hexino e) metilciclobutano metilciclobutano

8.

Respuesta:

a) 2,4-dibromopentano b) 2,5-octadieno c) (3,5-diclorohexil)benceno (3,5-diclorohexil)benceno d) 2-propilciclopentano 2-propilciclopentano e) 1,2-dicloroeteno

9.

Respuesta:

a)

CH3 b) HC

c)

d) CH3 CH3 e)

Cl

CH3 Cl

f)

94

Cl

CH3


Guía d e Ej erci cios, Curso de “ Quími ca Gener Gener al” , pr im er Semes emestt r e 201 1 Br CH3

g) O

+

O

-

N

h)

+

O

-

N

O CH3

i) CH3

H3C Br

) N

+

O O

O

-

OH Cl

k)

CH3

O +

N

O l) +

-

O

N Cl

O

-

CH3

m)

+

O

N

O

-


95


HO

NH2

OH

-

O +

N O

n)

O

-

Br H2N o) Br OH O

p)

OH HO

Br

q)

O

-

OH

O +

+

N

N O

O

-

r) +

O

-

N

O

10. Respuesta:

Analgésico

96

Aspirina


Testosterona

Guia ejercicios quimica general y organica.

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