EQUILIBRIO QUÍMICOEs un estado que un sistema puede alcanzar, a determinada temperatura y bajo ciertas concentraciones de las sustancias presentes. Características del Estado de Equilibrio Químico: – Se alcanza cuando la velocidad de la reacción directa se iguala a la velocidad de la reacción inversa. – Por cada molécula inicial que se descompone, hay otra molécula que se produce. – Las concentraciones de todas las sustancias se hacen constantes. – Es un proceso o una reacción reversible. – A la temperatura del equilibrio, este se puede alcanzar a partir de reaccionantes solamente, de productos solamente, o de una mezcla de ambos. – Molecularmente es un equilibrio dinámico. – Le corresponde una Constante de Equilibrio Químico, cuyo valor depende de la temperatura. Si tenemos la siguiente reacción: aA + bB cC + dD Las velocidades de las reacciones directa e inversa, son: v d = k d [A] a [B] b v i = k i [C] c [D] d al alcanzar el equilibrio químico, se igualan: k i [A] a [B] b = k d [C] c [D] d se obtiene la CTE. DE EQUILIBRIO EN FUNCIÓN DE LAS CONCENTRACIONES, c d d a b i C D k K k A B ] ] ] ] · · ] ] ] ] Argumento Termodinámico: Cuando se alcanza el equilibrio la variación de energía libre es cero. A determinadas condiciones, para un sistema, la variación de energía libre es, ΔG = ΔGº + R T ln Q ; al alcanzar el equilibrio químico, ΔG=0 ; y , Q= K, luego: Para reacciones que involucran gases: La actividad de un gas es la Presión aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) 1 ∆ · − Gº RTlnK c d c d C D C D a b a b A B A B a a p p K Kp a a p p · · · Asesoría Universitaria TETRIX K p , es la CONSTANTE DE EQUILIBRIO EN FUNCIÓN DE PRESIONES PARCIALES DE GASES Para reacciones que involucran soluciones acuosas: La actividad es la concentración molar aA (ac) + bB (ac) cC (ac) + dD (ac) K c , es la CONSTANTE DE EQUILIBRIO EN FUNCION DE LAS CONCENTRACIONES MOLARES – Si K >> 1: en el equilibrio, los productos son más abundantes que los reactivos. – Si K << 1: en el equilibrio, los reactivos son más abundantes que los productos. Fórmulas Importantes: Kp = Kc (RT) ∆n Kp = Kx (P T ) ∆n ; Siendo: ∆n = n PRODUCTOS - n REACCIONANTES Equilibrio Homogéneo: Se aplica a las reacciones en las que todas las especies (tanto reactivos como productos) se encuentran en la misma fase: aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) K = Kp aA (ac) + bB (ac) cC (ac) + dD (ac) K = Kc Equilibrio Heterogéneo: Los reactivos y productos que intervienen en la reacción se encuentran en distintas fases: aA (s) + bB (g) cC (l) + dD (g) · c d C D a b A B a a K a a · · d D b B p K Kp p La actividad de un sólido en un sistema heterogéneo es 1. Principio de Le Chatelier: “Cualquier cambio de una de las variables que exista en un sistema de equilibrio provoca una reacción que tiende a contrarrestar el cambio de dicha variable”. a) Variación de la Concentración: – Al aumentar la concentración de un reactante se favorece el sentido directo, es decir, el sistema se desplaza hacia la derecha. 2 - Si Q > K: para alcanzar el equilibrio los productos deben disminuir y los reactivos deben aumentar se produce Rx. Inversa. - Si Q = K: el sistema está en equilibrio. - Si Q < K: para alcanzar el equilibrio, los productos deben aumentar y los reactivos deben disminuir se c d c d eq eq C D a b a b A B eq eq C D a a K Kc a a A B ] ] ] ] · · · ] ] ] ] Asesoría Universitaria TETRIX – Al aumentar la concentración de un producto, se favorece el sentido inverso, es decir, el sistema se desplaza hacia la izquierda. b) Variación de la Presión y el Volumen: – Al aumentar la presión de un sistema gaseoso en equilibrio, disminuye el volumen, entonces el sistema se desplaza hacia donde haya menor número de moles. – Al disminuir la presión, el volumen aumenta, entonces el sistema se desplaza hacia donde haya mayor número de moles. c) Variación de la Temperatura: – Si se incrementa la temperatura, se favorece el sentido endotérmico de la reacción. – Una disminución de la temperatura, favorece el sentido exotérmico de la reacción. d) Efecto del catalizador: Un catalizador no afecta al equilibrio, tan sólo incrementa la rapidez con la que se alcanza el equilibrio. Ecuación de Van’t Hoff: Nos indica la dependencia de la constante de equilibrio, K, con la temperatura: 2 2 1 1 1 2 K T T Hº ln K R T T ] − ∆ · ] ] Donde, K 1 es la Constante de equilibrio a la temperatura T 1 K 2 es la Constante de equilibrio a la temperatura T 2 Grado de Reacción ( α ) : Fracción que ha reaccionado de la sustancia, respecto a la cantidad inicial de la misma. ( ) ( ) A Rx Rx RX o a o o P A n n A P ] ] α · · · ] ] Porcentaje de reacción: % que reacciona = α . 100 ELECTROQUÍMICA Estudia la interconversión de la energía eléctrica (corriente eléctrica) y la energía química (reacciones de reducción-oxidación). Por lo tanto, hay dos sistemas: – CELDA GALVÁNICA. A partir de reacciones REDOX espontáneas, produce corriente eléctrica. – CELDA ELECTROLÍTICA. A partir de energía eléctrica, se provocan reacciones REDOX no espontáneas. 3 Asesoría Universitaria TETRIX Un proceso electroquímico, está dado por una reacción redox, en la cual se produce una transferencia de electrones, desde un agente reductor hacia un agente oxidante. Procesos Redox: – Semireacción de oxidación: Se produce una pérdida de e - . Ejm: Fe 2+ → Fe 3+ + e – Agente reductor especie oxidada Agente reductor: es la sustancia inicial (un reactante) que se oxida, es decir, que pierde e-; por lo tanto, un reductor obliga a que otra sustancia se reduzca. – Semireacción de reducción: Se produce una ganancia de e – . Ejm: Zn 2+ + 2e– → Zn Agente oxidante especie reducida Agente oxidante: es la sustancia inicial (un reactante) que se reduce, es decir, que gana electrones; por lo tanto; un oxidante obliga a que otra sustancia se oxida Balanceo de Ecuaciones Redox: Método del ión-electrón: – Ejemplo: Se pide balancear la siguiente ecuación: Fe 2+ + Cr 2 O 7 2– → Fe 3+ + Cr 3+ (en medio ácido) 1º Escribir las dos semirreacciones. Balancear los átomos distintos al H y al O. Oxidación: Fe 2+ → Fe 3+ Reducción: Cr 2 O 7 2– → 2 Cr 3+ 2º Balancear los átomos de H y de O en cada una de las semireacciones. Usar las siguientes reglas: - En MEDIO ÁCIDO: Por cada O excesivo en un lado de la ecuación, agregar igual número de H 2 O en el lado opuesto, y doble número del ión H 1+ en el primer lado. - En MEDIO BÁSICO O ALCALINO: Por cada O excesivo en un lado de la ecuación, agregar igual número de H 2 O en el mismo lado, y doble número del ión OH 1– en el otro lado. 3º Balancear las “cargas eléctricas” agregando electrones. En la Oxidación van a la derecha, junto a los productos; y en la Reducción, a la izquierda, junto a los reactantes. Reducción: Cr 2 O 7 2– → 2 Cr 3+ 14 H 1+ + Cr 2 O 7 2– → 2 Cr 3+ + 7 H 2 O , porque es en Medio ácido 14 H + + Cr 2 O 7 2- + 6 e – → 2 Cr 3+ + 7 H 2 O , se balancean 6 “cargas (+)” Oxidación: Fe 2+ → Fe 3+ Fe 2+ → Fe 3+ + e– , se balancean 2 “cargas (+)” 4 Asesoría Universitaria TETRIX 4º Cada semireacción multiplicar por un número, con el objeto de igualar e- perdidos y ganados. Finalmente, sumar las semireacciones, cancelar los “términos semejantes”, y se obtiene la ecuación neta, debidamente balanceada. x 1 { 14 H + + Cr 2 O 7 2– + 6 e – → 2 Cr 3+ + 7 H 2 O } x 6 { 6 Fe 2+ → 6 Fe 3+ + 6 e– } Ecuación neta (sumando): 14 H + + Cr 2 O 7 2– + 6 Fe 2+ → 2 Cr 3+ + 6 Fe 3+ + 7 H 2 O Celdas Galvánicas o Voltaicas: Si tenemos las dos siguientes semireacciones podemos construir una celda voltaica: Ánodo (oxidación): Zn(s) → Zn 2+ (ac) + 2e – Cátodo (reducción): Cu 2+ (ac) + 2e – → Cu(s) Electrodo: Son las superficies de contacto entre el conductor metálico y la solución de semicelda (anódica o catódica). Tipos de electrodo: – Activo (participa en la reacción redox) – Pasivo o inerte (no participa en la reacción redox) IMPORTANTE: 1º La oxidación se produce en el ánodo y la reducción en el cátodo. 2º Los electrones fluyen espontáneamente desde el ánodo negativo hacia el cátodo positivo. 3º El circuito eléctrico se completa por el mov. de los iones en solución: los aniones se mueven hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo. 4º Los compartimientos de la celda pueden estar separados por una barrera de vidrio poroso (celda de Daniell) o por un puente salino. – Notaciones de celdas: Zn (s) / Zn 2+ (ac, 1M) // Cu 2+ (ac, 1M) / Cu (s) Zn (s) / Zn 2+ (ac, 1M) // Fe 3+ (ac, 1M), Fe 2+ (ac, 1M) / Pt • Pt ó C (s,grafito) , son ejemplos de electrodos inertes. Potenciales Estándar de reducción: Potencial de Celda o fem (fuerza electromotriz) = E celda Condiciones estándar: 1 M para soluciones acuosas y 1 atm para gases. celda oxidación reducción Eº =Eº +Eº – El Potencial de celda (E), es una propiedad intensiva (mide energía potencial/carga eléctrica) – Si E celda > 0 la reacción es espontánea. 5 Asesoría Universitaria TETRIX Agentes Oxidantes o Reductores: – Un agente oxidante es más fuerte si su E reducción es más positivo ya que así tendrá mayor tendencia a reducirse. – Un agente reductor es más fuerte si su E reducción es menos positivo (o su E oxidación es más positivo) ya que así tendrá mayor tendencia a oxidarse. FEM y Cambio de Energía Libre: − ΔG= nFE Donde: F, constante de Faraday = 96500 C/mol e – = 96500 J/V-mol e – Efecto de la Concentración sobre la fem de la celda. Ecuación de Nernst: 0,0592 E Eº logQ n · − – Celdas de Concentración: Son dos semiceldas hechas del mismo material pero con diferente concentración iónica. Ejm: Zn (s) / Zn 2+ (ac, 0,1 M) // Zn 2+ (ac, 1 M) / Zn (s) Aquí la reducción ocurre en la semicelda de mayor concentración; y la oxidación, en la de menor concentración (más diluido). FEM y constante de equilibrio: ∆ · G 0 y si ∆ · − G nFE · E 0 y · Q K nEº logK 0,0592 · CELDAS ELECTROLÍTICAS Se usa Energía Eléctrica para producir Reacciones REDOX no espontáneas. La celda es activada por una batería o alguna fuente de corriente eléctrica continua, la que actúa como una bomba de electrones, tomándolos del ánodo y llevándolos al cátodo. A diferencia de las celdas galvánicas, el cátodo es ( – ); y el ánodo, ( + ). ELECTROD O PROCES O SUSTANCIAS MÁS COMUNES QUE SE OBTIENE Cátodo Reducció n H 2 , Na, Al, Cu, Metales en general Ánodo Oxidació n O 2 , Cl 2, No metales en general Electrólisis de Sales Fundidas: Para la sal, NaCl, en su estado fundido (P.F. (NaCl) = 801ºC), la electrólisis da: 2 NaCl (l) → 2 Na (l) + Cl 2 (g) Cátodo (reducción): 2Na + (l) + 2e – → 2 Na (l) Ánodo (oxidación): 2Cl – (l) → Cl 2 (g) + 2e – ----------------------------------------- 6 Asesoría Universitaria TETRIX 2Na + (l) + 2Cl – (l) → 2 Na (l) + Cl 2 (g) • Nota: Para esta electrólisis, los electrodos usados son inertes. Electrólisis del Agua: Si se somete a electrólisis agua pura, no sucede nada porque no hay suficientes iones que transporten una buena cantidad de corriente eléctrica. En cambio esta reacción se da rápidamente con una disolución 0,1 M de H 2 SO 4 porque en ella hay suficiente cantidad de iones para conducir la corriente. Ánodo (oxidación): 2 H 2 O (l) → O 2 (g) + 4H + (ac) + 4 e – Cátodo (reducción): 2(2 H 2 O (l) + 2e – → H 2 (g) + 2OH – (ac) ) -------------------------------------------------- 2 H 2 O (l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g) Electrólisis de Soluciones Acuosas: En este tipo de electrólisis se debe considerar si es el agua o el soluto el que se va a oxidar o reducir. El agua puede oxidarse (forma O 2 (g) ) o puede reducirse (forma H 2 (g) ). Por ejemplo: Al electrolizar una solución acuosa de NaCl, las reacciones posibles en el cátodo son: 2H 2 O (l) + 2 e – → H 2 (g) + 2OH – (ac) ; Eº = – 0,83 V Na + (ac) + e – → Na (s) ; Eº = – 2,71 V Como el Eº de reducción del agua es mayor, se produce en el cátodo la reducción del H 2 O (l). Por otro lado, las reacciones posibles en el ánodo son: 2 Cl – (ac) → Cl 2 (g) + 2e - ; Eº = – 1,36 V 2 H 2 O (l) → 4 H + (ac) + O 2 (g) + 4 e – ; Eº = – 1,23 V Como el Eº de oxidación del agua es mayor, debería favorecerse la oxidación del agua; pero en ciertas celdas electrolíticas se favorece la oxidación del Cl – (debido a factores cinéticos), aplicando un potencial adicional, denominado sobrevoltaje. Entonces las semireacciones serían las siguientes: Cátodo: 2H 2 O (l) + 2 e – → H 2 (g) + 2OH – (ac) ; Eº = – 0,83 V Ánodo: 2 Cl – (ac) → Cl 2 (g) + 2e – ; Eº = – 1,36 V ------------------------------------------ 2H 2 O (l) + 2Cl – (ac) → H 2 (g) + Cl 2 (g) + 2OH – (ac) ; Eº celda = – 2,19 V El Eº celda hallado para la reacción anterior es el mínimo voltaje que se debe aplicar a la celda. Aspectos Cuantitativos de la Electrólisis: 1ra. LEY DE FARADAY: “La masa de una sustancia producida o depositada en un electrodo, es directamente proporcional a la cantidad de corriente que pasa a través de la celda”. Ejm: Si en un cátodo ocurre, Cu 2+ (ac) + 2e – → Cu (s) significa que, 2 moles de e– reaccionan con 1 mol de Cu 2+ . Luego, por 1 mol de Cu 2+ circulan 2 moles de e– . – La cantidad de corriente que requiere la celda, 1 mol de electrones, se llama Faraday (F). 7 Asesoría Universitaria TETRIX 1 F = 96500 C = 1 mol de electrones – La unidad de carga eléctrica es el Coulomb (C), que es la cantidad de carga que pasa a través de un circuito determinado, cuando en 1 segundo (s) se suministra una corriente de 1 Amperio (A). q = I x t ; donde, q = carga (C) ; I = intensidad de corriente (A); t = tiempo (s) Pasos que relacionan la cantidad de carga eléctrica utilizada en la electrólisis con las cantidades de sustancias oxidadas o reducidas. Ejemplo: Se somete a electrólisis, durante una hora, una disolución de iones Cu 2+ , usando una corriente de 12,5 A. La reacción catódica es: Cu 2+ (ac) + 2 e– → Cu (s) ¿Cuántos gramos de cobre se depositará en el cátodo? La carga eléctrica que pasa por el circuito es: Q = I . t = 12,5 A . 3600 s = 45000 C La reacción en el cátodo: 1 Cu 2+ + 2 e– → 1 Cu 2 mol 1 mol 1F 1mol e 1molCu 63,5g 45000C 14, 8g 96500C 1F 2mol e 1molCu − − × × × × · PRINCIPALES FUENTES DE ENERGÍA QUÍMICA A. COMBUSTIBLES FÓSILES : Hulla, petróleo y gas natural. Tienen elevado Poder Calorífico (capacidad de liberar energía), mediante procesos de combustión. Al quemarse, el carbono se convierte en CO 2 (g) y el hidrógeno se convierte en H 2 O. A ↑ % de carbono e hidrógeno en el combustible ↑ valor energético. Los combustibles fósiles son energía solar al estado sólido, líquido y gaseoso. Esta energía solar fue capturada hace millones de años según la siguiente reacción de fotosíntesis de las plantas: clorofila 2800 kJ + 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) glucosa La clorofila, un pigmento de las plantas, interactúa con fotones de luz y usa su energía en la fotosíntesis. 8 Corriente (amperios y tiempo) Cantidad de carga (coulomb) Moles de electrones (faraday) Moles de sustancia oxidada o reducida Gramos de sustancia oxidada o reducida Asesoría Universitaria TETRIX La Hulla: Es un material sólido que contiene hidrocarburos de ↑ peso molecular, así como compuestos que contienen azufre, oxígeno y nitrógeno. Es el combustible más abundante (90% de reserva mundial).Usado como combustible doméstico e industrial pero la minería subterránea de extracción es muy costosa. Al quemarlo libera SO 2 (dióxido de azufre), uno de los principales causantes de la lluvia ácida. Actualmente, se produce una mezcla de hidrocarburos llamada “singas” (o gas sintético). Consiste en la “gasificación de la hulla”; a se pulveriza y se trata con vapor de agua supercalentado. Luego se separan los compuestos que contienen azufre, CH 4 , H 2 y CO gaseosos, según el siguiente esquema: Conversión purificación Hulla + vapor de agua mezcla compleja mezcla de CH 4 , H 2 y CO singas El Petróleo: El petróleo crudo, sin refinar, es una mezcla compleja de alcanos, alquenos, cicloalcanos y compuestos aromáticos que se formó por la descomposición anaeróbica de material vegetal o animal ocasionada por bacterias. Como es líquido se puede bombear con facilidad desde su reservorio a la superficie, pudiendo ser transportado por tuberías (oleoductos). En la refinación se separa en sus componentes individuales o en fracciones que contienen compuestos de propiedades similares. Este proceso ocurre por la técnica de destilación, por la que se separa o purifica calentando a su punto de ebullición, para luego colectar y condensar los vapores generados. * Gas Natural: • Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos, principalmente metano, CH 4 , con pequeñas cantidades de etano, C 2 H 6 , propano, C 3 H 8 y butano, C 4 H 10 . Es fuente de energía para autos, camiones y para generar electricidad. La ventaja es que combustiona más completa y limpiamente que los otros. No deja residuos de ceniza o metales pesados y produce 30% menos de dióxido de carbono que el petróleo y 43% menos que la hulla por Joule, de energía generada. Yacimientos principales en el Perú: Aguaytía (Ucayali – Selva Central) y a orillas del río Camisea (prov. La Convención – Cusco). TRANSFORMANDO LA ENERGÍA Los combustibles mencionados dan energía por medio de la combustión, difícil de controlar, por lo que se inventó recursos para convertir esta energía (calor) en trabajo. Es así que se inventó la máquina de vapor. El calor generado por la combustión de madera o hulla se usaba para evaporar agua y este vapor se usaba para mover pistones o turbinas. Esta energía mecánica se usó para mover bombas, molinos, botes y trenes. 9 Asesoría Universitaria TETRIX Posteriormente, a inicios del siglo XX, se comercializó la energía eléctrica. Combustión Turbina Generador Energía y Eficiencia: No se puede convertir todo el calor en trabajo. La ineficiencia es inevitable. 1 2 1 T T Eficiencia T − · T 1 = Temp. más alta a la cual el vapor es calentado (K) T 2 = Temp. más baja a la que el agua es enfriada (K) B. FISIÓN NUCLEAR COMO FUENTE DE ENERGÍA Radioactividad: En el núcleo atómico hay 2 tipos de partículas subatómicas: protones y neutrones (nucleones). Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número atómico Z (número de protones) pero pueden diferir en número de masa A, ya que pueden tener diferente número de neutrones (isótopos). Un núcleo con un número definido de protones y neutrones se llama “núclido”. Los radionúclidos (núcleos radioactivos) son inestables y emiten espontáneamente partículas y energía, fenómeno denominado radiactividad. Es así que se transforman de un núcleo inestable a uno estable con menor energía. Las emisiones de los radionúclidos son rayos alfa, rayos beta y rayos gamma, e involucran: Partículas α: Son núclidos de 2 4 He = 2 4 α. Tienen alta energía pero viajan escasos centímetros en el aire y son detenidos por capas relativamente delgadas de materia sólida. Partículas β: Son electrones. Se representan como, -1 0 β. Su velocidad de emisión es mayor que las partículas α, tienen mayor poder de penetración, pueden ser frenadas por una hoja de aluminio de 1cm. Positrones (β + ): representados también como +1 0 e, son partículas que tienen la misma masa de los electrones, pero con carga (+). Se forman a partir de los protones del núcleo. Su emisión transforma a un protón del núcleo en un neutrón, disminuyendo su número atómico en 1. Cuando un positrón choca con un electrón, ambos desaparecen y se emiten dos fotones de radiación gamma. Al positrón se le llama “antimateria” porque destruye al electrón. 10 Energía Potencial (enlaces Energía Térmica Energía Mecánica Energía Eléctrica Asesoría Universitaria TETRIX Rayos Gamma ( γ ): Son radiación electromagnética de una longitud de onda muy corta, esto, es fotones de alta energía y se pueden representar como γ . Casi siempre acompañan a otra emisión, debido a que representan la energía perdida cuando se reorganiza el resto de nucleones en una disposición más estable. Estos rayos son los de mayor poder de penetración (pueden atravesar el cuerpo humano) y se necesitan capas de concreto y plomo para disminuir su poder de penetración. C. FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA QUÍMICA Biomasa: Material producido por procesos biológicos. Es fuente alternativa de energía renovable. Ejm: Madera (pero la quema de árboles agrava el problema del calentamiento terrestre). Etanol (C 2 H 5 OH), el cual se forma a partir de carbohidratos, tales como almidones o azúcares. C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 La mezcla, etanol con gasolina, es el “gasohol” (un combustible menos contaminante). Biogas, desperdicios sólidos de origen vegetal y animal los cuales son fermentados para producir este gas. Energía Solar: Disponible en casi todos los lugares del planeta, no contamina y es inextinguible. Uso de la Energía Solar para la Obtención de Hidrógeno: Cuando el hidrógeno reacciona con el oxígeno para formar agua, se liberan 286 kJ por mol de H 2 : H 2 (g) + ½ O 2 (g) → H 2 O (l) + 286 kJ Significa que se libera 143 kJ/g ; comparado con 30 kJ/g que genera la hulla, los 47,8 kJ/g que genera el octano y los 54 kJ/g que genera el gas natural. El hidrógeno tiene un gran potencial como fuente de energía; pero no puede ser usado como fuente de energía primaria porque su abundancia es muy pequeña en la naturaleza. Una alternativa es usar energía solar para descomponer el agua. Pero los enlaces O – H en la molécula de agua son fuertes, por lo que en la actualidad los científicos están investigando una sustancia capaz de ayudar a la luz solar a generar oxígeno e hidrógeno del agua. La sustancia en estudio es el cloruro de tris(bipiridin) rutenio (Ru(bpy) 3 Cl 2 ). Otras formas de obtención de hidrógeno son a partir de la hulla y del metano. Hulla + H 2 O (g) → CO (g) + H 2 (g) CH 4 (g) + H 2 O (g) → CO (g) + 3 H 2 (g) Celdas de Combustión: El principio de una celda de combustión es el mismo de una celda común. En el ánodo se oxida el hidrógeno gaseoso: 2 H 2 (g) + 4 OH – (ac) → 4 H 2 O (l) + 4e – 11 Asesoría Universitaria TETRIX En el cátodo se reduce el oxígeno gaseoso: O 2 (g) + 2 H 2 O (l) + 4e – → 4 OH – (ac) La reacción global de formación de agua, libera 286 kJ/mol, pero en vez de hacerlo en forma de calor, el 70 – 75 % aparece como energía eléctrica. La producción directa de electricidad elimina las eficiencias asociadas con la conversión de calor en trabajo. Fusión Nuclear: El sol genera cada segundo una cantidad de energía considerable. La reacción responsable de esta energía se llama Fusión Nuclear. Consiste en la combinación de pequeños núcleos para formar otros mayores con liberación de energía. Como la composición del sol es de aproximadamente 73% de hidrógeno y 26% de helio, se piensa que en su interior ocurren los siguientes procesos: + + → + β 1 1 2 0 1 1 1 1 H H H + → 1 2 3 1 1 2 H H He + → + 3 1 4 1 2 1 2 1 He H He 2 H + + → + β 3 1 4 0 2 1 2 1 He H He Los productos de fusión no son radioactivos, razón por la cual es una fuente potencial de energía. El principal problema es que se requieren temperaturas muy altas, ya que se debe vencer la repulsión natural entre los núcleos para poder acercarlos y producir la fusión. QUÍMICA AMBIENTAL – Adelgazamiento de la Capa de Ozono: Los seres humanos, muchos tipos de plantas y otros animales sobrevivimos porque la delgada capa de ozono en la estratosfera evita que gran parte de la nociva radiación UV producida por el sol, llegue a la superficie de la Tierra. El ozono (O 3 ) es una molécula que contiene tres átomos de oxígeno, es de color azul y tiene un olor fuerte. La capa del ozono absorbe más del 98% de radiación UV, parte de la luz solar da UV. En todo momento las moléculas de ozono están constantemente formándose y destruyéndose en la estratosfera. Sin embargo, la cantidad total permanece relativamente constante. Clorofluorocarbonos (CFC), principales responsables del adelgazamiento de la capa de ozono. Son incoloros, no inflamables, bajos en toxicidad y baratos de producir. Se usan como refrigerantes, solventes, agentes en el soplado de espuma, impelentes en spray, etc. Poseen largos periodos de vida atmosférica, lo suficiente como para ser transportados por los vientos a la estratosfera. Son muy estables por lo que la lluvia no los puede disolver. Las fuertes radiaciones UV pueden lograr disociarlos, así, las moléculas de CFC liberan átomos de cloro. Un átomo de Cl puede destruir más de 100000 moléculas de ozono. El efecto 12 Asesoría Universitaria TETRIX es que el ozono es destruido más rápidamente que su velocidad de formación natural. Óxidos de Nitrógeno (NO x ): NO, NO 2 , N 2 O y N 2 O 5 . Compuestos generados en forma natural en muy pequeñas cantidades, pero las actividades humanas han incrementado sus niveles. Estos óxidos se descomponen por la acción de la radiación solar y forman NO (óxido nítrico). Este NO destruye también la capa de ozono, actuando como un catalizador y el NO 2 es el intermediario. Peligros del adelgazamiento de la capa de Ozono: Estudios epidemiológicos han mostrado que los rayos UV causan un tipo de cáncer a la piel, formación de cataratas así como también se pueden producir alteraciones en el sistema inmunológico humano. En adición, dañan algunos cultivos, plásticos y otros materiales, y ciertos tipos de vida marina como el fitoplancton que a su vez podría alterar la cadena alimenticia marina. – Lluvia Ácida: El agua pura tiene un pH de 7,0; sin embargo la lluvia natural tiene un pH cercano a 5,6 (moderadamente ácida). La acidez de la lluvia viene principalmente de la presencia de tres sustancias: CO 2 , NO y SO 2 , estos gases se encuentran en la troposfera. CO 2 (dióxido de carbono): Fuente Natural: Descomposición orgánica NO (óxido nítrico): Fuente Natural: Descargas eléctricas (rayos en las tormentas). Fuente No-Natural: Combustión interna (autos) SO 2 (dióxido de azufre): Fuente Natural: Gases Volcánicos. Fuente No- Natural: Combustión de combustibles fósiles. De estos tres gases, los dos que afectan significativamente el pH de la lluvia son: NO y SO 2 . El NO reacciona con O 2 (g) para producir NO 2 (g) , el cual a su vez, reacciona con agua para dar HNO 3 (ácido nítrico), causante del 25% de la acidez de la lluvia. El SO 2 , a su vez, reacciona con el agua para formar H 2 SO 4 (ácido sulfúrico), ácido causante del 75% de la acidez de la lluvia. Efectos Ambientales de la Lluvia Ácida: Muchos lagos se han vuelto tan ácidos que han terminado con la vida de los peces. La degradación de los suelos, produciendo la liberación de muchos metales, los cuales son transportados en forma acuosa a quebradas y ríos, causando efectos severos: La liberación de iones tóxicos, como el Al +3 , en el abastecimiento de agua potable. La pérdida de importantes minerales del suelo, como el Ca 2+ , originando la pérdida de árboles y daño de los cultivos. 13 Asesoría Universitaria TETRIX Los contaminantes atmosféricos son fácilmente transportados por los vientos, entonces los efectos pueden afectar aún a regiones lejanas de la fuente de emisión. Edificaciones y monumentos en todo el mundo están hechos de mármol y caliza. El principal componente de estos materiales es el carbonato de calcio (CaCO 3 ), el cual reacciona con el H 2 SO 4 (ácido sulfúrico), principal componente de la lluvia ácida ocasionando su erosión. – Esmog Fotoquímico: Es una mezcla de gases que forman una nube difusa de color amarillento-marrón sobre áreas urbanas. Sus componentes incluyen óxidos de nitrógeno (en general: NO x ), compuestos orgánicos volátiles (COV o VOC por sus siglas en inglés), dióxido de azufre, aerosoles ácidos, y material particulado. Estos gases resultan de las reacciones de ciertos contaminantes atmosféricos y la fuerte radiación solar de tipo UV. Los hidrocarburos son otro ingrediente del esmog fotoquímico. Estos reaccionan con NO para producir una serie de compuestos orgánicos volátiles conocidos como PAN (peroxiacetil nitratos). Otro componente del esmog fotoquímico es el ozono. Aunque es un filtro de UV indispensable en la atmósfera superior, es contaminante en la troposfera (nivel de la superficie). Es un gas muy reactivo y tóxico, y respirar aire con cantidades apreciables puede ser peligroso para quienes sufren de asma, hacen ejercicios y para los ancianos. Por consiguiente hay dos problemas con el ozono: cantidades excesivas en ambientes urbanos, donde es dañino, y agotamiento en la estratosfera, donde es vital. Posibles Consecuencias: Puede causar irritación a los ojos y visibilidad pobre. Oxidantes fuertes como el ozono pueden causar daño a los pulmones. La lesión a los pulmones podría producir estrés al corazón. El daño a la salud podría ser peor en personas con problemas pulmonares y cardíacos. Otras implicaciones a la salud podrían incluir deterioro del sistema inmunológico, mayor susceptibilidad a infecciones, y fatiga. El trastorno puede ser causado por exposición a grandes cantidades de contaminantes por períodos cortos, y también por exposición crónica por períodos largos de tiempo. Los oxidantes pueden matar las células de las plantas, causando la formación de manchas marrones sobre ellas, reducir su desarrollo normal, y hacerlas más susceptibles. Oxidantes como el ozono, pueden también corroer y destruir muchos materiales como el caucho, el nylon y las pinturas. – Efecto Invernadero: Gran parte de la energía absorbida en la superficie de la tierra (de los rayos solares) es irradiada de regreso como energía infrarroja (IR) térmica. Muchos gases de la atmósfera (como un colchón de nubes) absorben esta energía y la re-irradian otra vez a la superficie de la Tierra. Así, el calor que pudo haberse perdido hacia el espacio es atrapado, ocasionando el calentamiento de la superficie de la tierra, lográndose una temperatura mayor que la que tendría si no hubiera atmósfera. El término invernadero es usado para describir este fenómeno, debido a que estos gases actúan como los vidrios de invernadero, que atrapan calor y mantienen el interior a una temperatura mayor de la normal. Los gases atmosféricos mayormente 14 Asesoría Universitaria TETRIX responsables de este efecto son el vapor de agua (H 2 O), el CO 2 , CH 4 , N 2 O y el Ozono (O 3 ). Consecuencias del Efecto Invernadero: Los diez años más calurosos jamás registrados han ocurrido desde 1980. Esto, por el incremento de los gases de efecto invernadero. América Latina es una de las regiones del mundo más afectadas, ya que han aumentado las sequías y tormentas tropicales. Los países de la costa del Pacífico, como Perú, Ecuador y Chile, están sufriendo lluvias e inundaciones. Los nevados de la Cordillera de los Andes, así como los glaciares, van retrocediendo. En cambio, los países del Atlántico, como Brasil y Uruguay, podrán sufrir más sequías. Otra consecuencia será el incremento del número de especies amenazadas en los bosques tropicales. – Contaminación del Agua: Las fuentes de contaminación del agua se pueden clasificar como sigue: Localizadas o Puntuales: º Industrias º Minería º Núcleos Urbanos Difusas: º Utilización de fertilizantes y productos fitosanitarios º Deposición de contaminantes atmosféricos Oxígeno Disuelto y Calidad de Agua: La cantidad de oxígeno disuelto es un indicador importante de la calidad del agua. Es necesario para los peces y para muchas otras formas de vida acuática. Las bacterias aerobias consumen oxígeno disuelto para oxidar materiales orgánicos y satisfacer así sus necesidades de energía. El material orgánico que las bacterias son capaces de oxidar es biodegradable. Esta oxidación ocurre a través de un conjunto complejo de reacciones químicas, y el material orgánico desaparece gradualmente. El exceso de materiales orgánicos biodegradables en el agua son perjudiciales porque agotan el oxígeno necesario para sustentar la vida normal. De hecho, estos materiales biodegradables se conocen como desechos que demandan oxígeno. Las fuentes típicas de desechos que demandan oxígeno son las agua residuales, los desechos industriales de plantas procesadoras de alimentos, fábricas de papel, y el efluente (desechos líquidos) de las plantas empacadoras de carne. Principales Agentes y Tipos de Contaminación Acuática: Agentes Causantes de Enfermedades: Bacterias, Virus, protozoos Desecho de alto DBO: Desechos orgánicos que al ser degradados por bacterias pueden consumir todo el oxígeno disuelto. Compuestos inorgánicos solubles en agua: Ácidos, sales, compuestos de metales tóxicos, como el mercurio y el plomo. Agua no apta para bebida. Daño a la vida acuática. Acelera la corrosión. 15 Asesoría Universitaria TETRIX Nutrientes: Nitratos, fosfatos. Excesivo crecimiento de algas y plantas acuáticas (eutrofización). Descomposición Consumen el oxígeno disuelto Muerte de organismos animales. Compuestos Orgánicos: Aceites, gasolina, plásticos, pesticidas, detergentes Daño a la salud humana, peces y vida humana Sólidos Suspendidos: Partículas de suelo, sólidos orgánicos y sólidos inorgánicos Reduce la fotosíntesis Interrumpe cadenas tróficas Transportan pesticidas, bacterias, metales tóxicos Sustancias Radioactivas: Radioisótopos solubles en agua o que son biomagnificados en la cadena trófica Puede causar mutaciones del ADN, cáncer, daño genético Calor: Agua de refrigeración de industrias El aumento de la temperatura hace disminuir la concentración de oxígeno, haciendo la vida acuática más vulnerable a enfermedades, parásitos y sustancias tóxicas. 16 Asesoría Universitaria TETRIX 1. (6,0 P) Por sobre la temperatura ambiente el dióxido de nitrógeno 2 (NO (g)) se encuentra en equilibrio con el tetraóxido de dinitrógeno 2 4 (N O (g)) . Los cálculos termodinámicos revelan que el proceso de disociación de 2 4 N O no es espontáneo a 25 ºC, en cambio por encima de 140 ºC la mezcla es principalmente 2 NO . La cinética establece que la reacción de disociación ocurre en una sola etapa y que la energía de activación de la reacción inversa es 23 kJ/mol. En base a la información dada y utilizando los datos necesarios, responda a las siguientes preguntas relacionadas a la REACCIÓN DE DISOCIACIÓN. (0,5 P) a. Escriba la ecuación de la reacción de equilibrio. (0,5 P) b. Calcule la constante Kp a 25 ºC. (1,0 P) c. Justifique el hecho de que a 150 ºC el equilibrio está muy desplazado a la derecha. (2,0 P) d. ¿Qué porcentaje estará disociado el 2 4 N O , cuando se colocan 0,03 moles del mismo, en un recipiente de 1L, a 150º c? (1,0 P) e. Escriba la ley de velocidad para la reacción. (1,0 P) f. Dibuje el diagrama de energía potencial Vs. avance de la reacción, mostrando el valor de la energía de activación. 2. (6,0 P) Una empresa química que fabrica productos de limpieza, obtiene lejía (NaOCl (ac) ), disolviendo el Cl 2 (g) en la disolución de NaOH (ac) , ambos productos de la electrólisis de de la salmuera (NaCl (ac) concentrado), los electrodos en la celda electrolítica son inertes. (1,5 P) a. Escriba las medias ecuaciones de oxidación y reducción, así como la ecuación global balanceada. (1,5 P) b. Calcule la corriente en amperios que se requerirá para producir 15 kg/h de NaOH, asumiendo una eficiencia del 100%. (1,0 P) c. Calcule el número de moles de NaOCl (ac) que se obtiene con las cantidades en b), la reacción es: Cl 2 (ac) + 2 NaOH (ac) → NaCl (ac) + NaOCl (ac) + H2O (l) (2,0 P) d. Si cada frasco de lejía tiene una capacidad de 200 mL y contiene 5,2 g de NaOCl, ¿cuál es el pH de la solución? 3. (2,0 P) El óxido de etileno (C 2 H 4 O), se descompone cuando se calienta para dar metano y monóxido de carbono C 2 H 4 O (g) → CH 4 (g) + CO (g) Se observaron los datos cinéticos siguientes para la reacción a 688 K. experimen to Concentración inicial de óxido de etileno (M) Velocidad inicial (Ms –1 ) 1 0,00272 5,57 x 10 –7 17 EXAMEN FINAL QUIMICA 2 (2006 – 0) Asesoría Universitaria TETRIX 2 0,00544 11,10 x 10 –7 (0,5 P) a. Determine el orden de la reacción. (0,5 P) b. Calcule el kprom, a la temperatura del experimento. (1,0 P) c. Calcule la concentración del reactivo que se ha consumido al cabo de tres vidas medias. 4. (2,0 P) a. La descomposición del peróxido de hidrógeno acuoso en una concentración dada del catalizador proporcionó los datos siguientes, a una determinada temperatura Tiempo (min): 0,0 5,0 10,0 15,0 [H 2 O 2 ] (M): 0,100 0 0,080 4 0,064 8 0,051 9 b. Verifique que la reacción es de primer orden, utilizando el método gráfico. c. Obtenga del gráfico el valor de k, compare este valor con el que se obtiene por el método analítico. 5. (2,0 P) En una celda galvánica se lleva a cabo la reacción cuya ecuación sin balancear es: MnO 4 – (ac) + Br – (ac) + H + (ac) → Mn 2+ (ac) + Br 2 (l) Calcule la fem de la celda para los siguientes condiciones [MnO 4 – (ac) ] = 0,010 M [Br - (ac) ] = 0,010 M [Mn 2+ (ac) ] = 0,15 M [H + (ac) ] = 1,0 M 6. (2,0 P) Se propone el siguiente mecanismo para la reacción de transformación de NO (g) a NO 2 (g) , durante La formación del “smog” 1) CO + OH → CO 2 + H 2) H + O 2 → HOO 3) HOO + NO → OH + NO 2 a. Escriba la ecuación de la reacción. b. ¿Cuál (cuales) es (son) el (los) intermediario(s)? c. Identifique el catalizador. d. Si 1) es la etapa lenta y las demás son rápidas: i. Escriba la ley de velocidad. ii. ¿Cuál es la molecularidad de la etapa lenta? 7. (2,0 P) (0,5 P) a. ¿Qué es la lluvia ácida y cómo se genera? (0,5 P) b. Una celda de combustible y una central térmica producen energía eléctrica ¿Cuál es la ventaja de la primera sobre la segunda, desde el punto de vista ecológico? 18 Asesoría Universitaria TETRIX (0,5 P) c. i. ¿Por qué en algunos casos se prefiere catalizar una reacción que llevarla a cabo a alta temperatura? La catálisis encarece el producto. ii. Dibuje el diagrama energía potencial vs. avance de la reacción para la reacción: A → Productos; ∆Hº = (–) muestre las energías de activación de la reacción catalizada y sin catalizar. (0,5 P) d. Complete la siguiente tabla: Fenómeno Gases que lo conforman Smog fotoquímico Efecto invernadero Datos: Constantes de Equilibrio Gº RTlnQ ∆ · − n Kp Kc(RT) ∆ · 2 2 1 1 1 2 K T T Hº ln K R T T | ` ] − ∆ · ] . , ] 8 14 a w K 3 10 (HClO),K 1 10 − − · × · × Potenciales estándar de reducción, a 25 ºC Electrodo Eº (V) 2 H (ac) / H (g) + 0,0 2 2 H O(l) / H (g) / OH (ac) − -0,83 2 Br (l) / Br (ac) − +1,07 2 2 O (g) / H (ac) / H O(l) + +1,23 2 Cl (g) / Cl (ac) − +1,36 2 4 MnO (ac) / Mn (ac)H ac − + + +1,51 Ecuaciones integradas de velocidad o [A] ln kt [A] · o [A] [A] kt − · o 1 1 kt [A] [A] − · Otros datos q i t ; F 96500C · × · 0,059 E Eº logQ n · − 19 Asesoría Universitaria TETRIX L atm cal J R 0,082 1, 987 8,314 molK molK molK − · · · 20 Asesoría Universitaria TETRIX 1. a. Ecuación de la reacción de disociación del 2 4 N O : ÷÷→ ←÷÷ 2 4(g) 2(g) N O 2NO b. Se determina ∆ 0 G para la reacción. ∆ · ∆ − ∆ ∑ ∑ 0 0 0 Rx PROD REAC G G G [ ] [ ] ∆ · × − ⇒ ∆ · + 0 0 Rx Rx G 2 51 97,7 G 4,3kJ Luego, para la constante de equilibrio, Kp: ∆ · ⋅ ⋅ 0 G R T ln kp − · − ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ · 3 4,3 8,314 10 298 ln kp Kp 0,1763 c. Se determina el “calor de reacción”, ∆ 0 H [ ] [ ] ∆ · ∆ − ∆ ∆ · × − ⇒ ∆ · ∑ ∑ 0 0 0 Rx f(PROD) f(REAC) 0 0 Rx Rx H H H H 2 33,85 9,66 H 57,24 kJ La reacción es ENDOTÉRMICA. Al elevar la temperatura, se favorece el sentido de la reacción endotérmica, produciendo más del 2 NO ; por consiguiente, el equilibrio está más desplazado hacia la derecha. d. Se debe hallar c K , con ∆ · n 1, a 150 ºC: − ∆ · · ⇒ · ⋅ ⋅ ⋅ 3 c c n 1 Kp 0,1763 K K 5,08 10 (R T) (0,082 423) Luego, con 0,03 moles de 2 4(g) N O iniciales, 2 4 2(g) N O 2NO ÷÷→ ←÷÷ INICIAL 0,03 mol ------- REACCIONA X ------- SE PRODUCE ------- 2x EN EQUILIBRIO 0,03 – x 2x En el equilibrio: 2 4 2 N O (0,03 x)M ; NO (2x)M · − · ] ] ] ] − ] ] · ⇒ ⋅ · − 2 2 3 c 2 4 NO (2x) K 5,08 10 N O (0,03 x) − − + ⋅ + − ⋅ · 2 3 4 4x 5,08 10 x ( 1,524 10 ) 0 Resolviendo la “ecuación cuadrática”, x = 0,0101 21 SOLUCIONARIO SEGUNDO EXAMEN DE QUÍMICA 2 (2006 – 0) Asesoría Universitaria TETRIX e. Grado de disociación es, α · · · − reacciona inicial n 0,0101 0,5075 n 0,03 0,0101 % disociación = α×100 ⇒ 50,75 % f. Como la reacción ocurre en una sola etapa, se trata de una reacción ELEMENTAL: ÷÷→ ←÷÷ 2 4(g) 2(g) N O 2NO Ley de velocidad: · ] ] a 2 4 V k N O , donde a = 1 · ] ] 2 4 V k N O , reacción de orden 1 g. Diagrama Energía potencial vs. avance de la reacción, · a E 23 kJ / mol , para la reacción inversa De (c), ∆ · + 0 H 57,24 kJ / mol (Rx. ENDOTÉRMICA) Para la reacción directa, · + · a E 23 57,24 80,24 kJ / mol Además; · REACTANTES kJ E 9,66 mol ; y , · PROD kJ E 67,7 mol 2. a. En la electrólisis de una salmuera se dan las siguientes reacciones: NaCl (ac) Na + (ac) → Na (s) Cl – (ac) → Cl 2(g) Oxidación: 2 Cl – (ac) → Cl 2 (g) + 2e – Reducción: 2 e – + 2H 2 O (l) → H 2 (g) + 2OH – (ac) Reacción Global: 2Cl – (ac) + 2 H 2 O (l) → Cl 2(g) + H 2 (g) + 2 OH – (ac) b. En 1 hora: 1000g NaOH 1mol NaOH 1molOH 2mol e moles e 15Kg NaOH 1Kg NaOH 40g NaOH 1mol NaOH 2mol OH − − ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ · ⋅ × × × × − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - moles e =375moles e − ⋅ ⋅ 96500C q 375moles e 36187500C 1mol e − − · ⋅ × · ⋅ q 36187500C i 10052,08A 3600s t 1h 1h · · · × c. Cl2(g) + 2NaOH(ac) → NaCl(ac) + NaOCl(ac) + H2O(l) (ac) 1mol NaOH 1mol NaOCl moles NaOCl 15000g NaOH 187,5moles NaOCl 40g NaOH 2mol NaOH ⋅ ⋅ ⋅ · ⋅ × × · ⋅ ⋅ ⋅ 22 Asesoría Universitaria TETRIX d. NaOCl(ac) Na+(ac) OCl – (ac) o 1mol NaOCl 512g NaOCl 74,5g NaOCl 0,35M 0,2L ⋅ ⋅ × · · ] ] OCl – (ac) + H 2 O (l) HOCl (ac) + OH – (ac) [ ] o 0,35M [ ] Rx x [ ] forma x x [ ] eq 0,35 – x x x 14 2 7 4 w h 8 a K 1 10 x K 3,33 10 x OH 3, 42 10 M K 3 10 0,35 x − − − − − × ] · · · × · ⇒ · · × ] × − pOH = –log(3,42 x 10 –4 ) = 3,47 pH = 14 – pOH = 10,53 3. C 2 H 4 O (g) → CH 4(g) + CO (g) a. La ley de velocidad es: V = k[C 2 H 4 O] m ( ) ( ) m 7 m 7 0,00272 5,57×10 = 11,10×10 0,00544 − − ( ) m 0,5= 0,5 → m = 1 V = k[C 2 H 4 O] Orden de reacción: 1 b. Experimento 1: 5,57x10 -7 = k(0,00272) k = 2,05x10 -4 Experimento 2: 11,10x10 -7 = k(0,00544) k = 2,05x10 -4 4 4 4 1 prom 2,05×10 +2,05×10 k = =2,05×10 s 2 − − − − c. A 3t 1/2 la concentración de reactivo que queda es: [A] = 1/8 [A] o Se ha consumido también: [A] consumido = 1/8[A] o En el experimento 1: [C 2 H 2 O 4 ] consumido = 1/8 [C 2 H 4 O] o = 1/8 (0,00272) = 0,00034 M En el experimento 2: [C 2 H 2 O 4 ] consumido = 1/8 [C 2 H 4 O] o = 1/8 (0,00544) = 0,00068 M 23 ln[A] -2.3026 -2.5207 m = -k -2.7364 -2.9584 5,0 10,0 15,0 t(min) Asesoría Universitaria TETRIX 4. a. Para aplicar el método gráfico, se debe usar la ecuación de la recta. Para una ecuación de primer orden se cumple la fórmula: ln[A] = ln[A] o – kt Entonces tenemos que graficar: ln[A] vs. t Tiempo (min):0,0 5,0 10,0 15,0 [H 2 O 2 ] (M): 0,1000 0,0804 0,0648 0,0519 ln [H 2 O 2 ]: -2,3026 -2,5207 -2,7364 -2,9584 b. 1 2,7364 ( 2,5207) k = m= =0,043min 10- 5 − − − − | ` − − . , Método Analítico: Si la reacción es de primer orden, se cumple: o [A] ln [A] k = t | ` | ` . , . , o [A] ln [A] k = t | ` | ` . , . , Para un tiempo de: t = 5 min 1 0,100 ln 0,0804 k = =0,0436min 5 − | ` | ` . , . , Para un tiempo de: t = 10 min 1 0,100 ln 0,0648 k = =0,0434min 10 − | ` | ` . , . , Para un tiempo de: t = 15 min 24 Asesoría Universitaria TETRIX -1 0,100 ln 0,0519 k = =0,0437min 15 | ` | ` . , . , 1 prom 0,0436+0,0434+0,0437 k = =0,0436min 3 − 5. MnO 4 - (ac) + Br – (ac) + H + (ac) → Mn 2+ (ac) + Br 2 (l) Oxidación: (2Br – (ac) → Br 2(l) + 2e – ) x 5 Reducción: (5e – + 8 H + (ac) + MnO 4 – (ac) → Mn 2+ (ac) + 4H 2 O (l) ) x 2 Reacción Global: 10Br - (ac) 16 H + (ac) + 2MnO 4 − (ac) → 5Br 2 (l) + 2 Mn 2+ (ac) + 8H 2 O (l) E o celda = Eº oxid + Eº red = − 1,07 V + 1,51 V = 0,44 V Pero como las condiciones no son estándar, entonces usamos la ecuación de Nernst: 0,059 E=Eº logQ n − 2 10 16 2 0,059 (0,15) E=0, 44V log =0,308V 10 (0,010) ×(1,0) ×(0,010) − 6. a. 1) CO + OH → CO2 + H 2) H + O 2 → HOO 3) HOO + NO → OH + NO 2 Reacción Global: CO + O 2 + NO → CO 2 + NO 2 b. Los intermediarios son: H y HOO c. El catalizador es el que aparece en la reacción primero como reactivo y luego desaparece como producto: Catalizador: OH i. V = k[CO] [OH] ii. Molecularidad de la etapa lenta: 2 (o bimolecular) 7. a. La lluvia ácida es cuando el pH de la lluvia se vuelve ligeramente ácido, generalmente debido a la presencia de 3 sustancias (gases): CO 2 , NO y SO 2 . Estos gases al reaccionar con el H 2 O de la lluvia producen los ácidos: H 2 CO 3 (ácido carbónico), HNO 3 (ácido nítrico) y H 2 SO 4 (ácido sulfúrico), respectivamente. b. Para que una central térmica produzca energía eléctrica necesita de la combustión de un combustible fósil usado para evaporar el agua cuya energía se va a convertir en energía eléctrica. El problema de estos combustibles fósiles es que producen gases tales como el SO 2 y el CO 2 causantes de daños ambientales como la lluvia ácida. Por otro lado, una celda de combustión produce agua a partir de H 2 y O 2 , los cuales no afectan a nuestro medio ambiente. 25 Asesoría Universitaria TETRIX c. i. Porque el catalizador acelera la velocidad de la reacción no necesariamente aumentando la temperatura de la reacción, sino tan sólo disminuyendo la energía de activación. Mientras que si se lleva la reacción a altas temperaturas necesitamos de un combustible cuyos gases emanados de la combustión podrían ocasionar peligros ambientales. Energía Ea1 Ea1: reacción sin catalizar Ea2: reacción catalizada Ea2 Avance de Rx d. Fenómeno Gases que lo conforman Smog fotoquímico Óxidos de nitrógeno (NO x ), compuestos orgánicos volátiles, SO 2 , aerosoles ácidos y material particulado. Efecto invernadero H 2 O (g) , CO 2 , CH 4 , N 2 O y O 3 . 26 Asesoría Universitaria TETRIX INSTRUCCIONES: I. La prueba consta de 6 preguntas de las cuales debe resolver sólo 5 de ellas, tenga en cuenta que: - Para completar puntaje, no puede desarrollar parcialmente ninguna pregunta. - Cada pregunta tiene espacio suficiente para su desarrollo en forma limpia, ordenada y legible. - Toda la información auxiliar necesaria se encuentra al final del tema de examen. II. Está prohibido el uso de corrector líquido y celulares así como el préstamo de calculadoras, lápices borradores, etc. III. EL INCUMPLIMIENTO DE ESTAS INSTRUCCIONES NO SERÁ MOTIVO DE RECLAMO. __________________________________________________________________________ 1. (4 p) Dos componentes de los gases de escape de los automóviles, que participan en la formación del “smog fotoquímico” son los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos que no sufren combustión. Antes de que sean enviados a la atmósfera, es necesario eliminar estas emisiones del motor. Esto se consigue en el convertidor catalítico. Se midió la velocidad inicial de una de las reacciones que ocurren en el convertidor, representada como + → A B productos, para diversas concentraciones iniciales de A y B, con los resultados que se indican: Experimen to [ ] 0 A (M) [ ] 0 B (M) 1 0 V (Ms ) − 1 0,100 0,100 5 4,0 10 − × 2 0.100 0.100 5 4,0 10 − × 3 0,200 0,200 5 16,0 10 − × Usando esta información, determine para la reacción: a. (1 p) la ecuación o ley de velocidad y el orden total. b. (0.5 p) la magnitud y unidades de la constante c. (1 p) la velocidad inicial, cuando [ ] 0 A 0,050M · y [ ] 0 B 0,100M · . d. (1 p) si la reacción propuesta se realizara en un solo paso o etapa elemental, ¿la ley de velocidad sería igual o diferente a la determinada en (a)? Justifique. e. (0,5 p) el dibujo del diagrama de energía, sabiendo que la reacción es exotérmica, que el mecanismo es en 2 etapas y que la primera es la etapa lenta. 2. (4 pts) a. (2 p) Un ingeniero está supervisando una obra en un Pueblo Joven cercano al mar (ambiente muy húmedo) y encuentra una viga de hierro, 27 EXAMEN FINAL QUIMICA 2 (2007 – I) Asesoría Universitaria TETRIX Fe, fijado al techo con una placa de cobre, Cu. El ingeniero pronostica que allí ocurrirán procesos electroquímicos espontáneos. i. (1 p) ¿Cuál es el proceso más espontáneo?. Escriba las ecuaciones de las semirreacciones y la ecuación iónica global, usando los siguientes datos: Electrodo Potencial estándar de reducción, a 25ºC (V) Cu 2+ (ac) / Cu (s) + 0,34 Fe 2+ (ac) / Fe (s) - 0,44 O 2(g) / H 2 O (l) / OH 1- (ac) + 0,40 ii. (0,75 p) Para el proceso llevado a cabo en el laboratorio, ¿qué voltaje se leerá en un voltímetro, si la concentración de los iones involucrados es 0,2 M? iii. (0,25 p) Transcurrido un período largo de tiempo, ¿cuál de los dos metales habrá sufrido mayor deterioro? b. (2 p) La batería de mercurio, Hg, para marcapasos es una celda galvánica que consta de un ánodo de zinc, Zn, en contacto con un electrolito fuertemente alcalino (básico), que contiene óxido de zinc, ZnO, y óxido de mercurio, HgO. La reacción neta es, Zn (s) + HgO (s) → ZnO (s) + Hg (l) El potencial estándar es 1,35 V, a 25º C. i. (1 p) Escriba las ecuaciones balanceadas de las semirreacciones de oxidación y reducción, respectivamente. Utilice el método del Ión- electrón. Tenga en cuenta que las sustancias al estado sólido no se ionizan. ii. (0,5 p) Calcule el trabajo eléctrico (w) que produce la batería de mercurio, en kJ. iii. (0,5 p) ¿en qué momento dejará de funcionar la celda en el marcapaso? 3. (4 pts) La Organización Mundial de la Salud (OMS), recomienda el uso de soluciones de hipoclorito de sodio, NaClO, para desinfectar el agua de consumo humano. La Empresa AQUACHLOR está desarrollando un equipo de fácil tecnología para producir soluciones de hipoclorito de sodio, mediante la electrolisis de una solución de NaCl, con electrodos de Ti, y una fuente de voltaje de 9,0 V. El gas cloro, Cl 2 , producido, al estar en contacto con el agua, forma ácido hipocloroso, HClO. Que a su vez se convertirá en hipoclorito de sodio, agente responsable de la desinfección. AQUACHLOR realizará una serie de experimentos que conducirán a establecer la ficha técnica del equipo. Para ello, usarán una solución acuosa de NaCl al 3% en peso (d=1,07 g/mL). El volumen total de la solución es de 28 Asesoría Universitaria TETRIX 5,0 L. Los electrodos se sumergen en la solución salina, y se hace pasar una corriente de intensidad 5,0 A. a ficha técnica debe contener: a. (0,75 p) Las respectivas reacciones anódica , catódica y global. b. (1,0 p) el flujo de gas cloro por hora, expresado en g/hora, teniendo en cuenta una eficiencia de 80%. c. (1,0 p) el tiempo total, necesario para agotar la celda electrolítica. d. (0,5 p) la razón por la cual, en esta electrólisis, se produce gas H 2 ; y no, sodio metálico, Na. e. (0,5 p) El número de moles de gas H 2 , producido hasta agotarse la celda. f. (0,25 p) el cálculo de la concentración del ácido hipocloroso que se podría producir por cada hora de uso de la celda electrolítica. La reacción de formación del ácido hipocloroso, es: Cl 2(g) + H 2 O (l) → HClO (ac) + Cl 1- (ac) + H + (ac) 4. (4 pts) Se ha observado que la producción de Cl (g) es menor de la esperada, debido a que el Cl 2(g) formado reacciona con el agua produciendo ácido hipocloroso, HClO, según: Cl 2(g) + H 2 O (l) → HClO (ac) + Cl 1- (ac) + H + (ac) Por esta razón, el equipo técnico analizará el comportamiento del proceso de ionización del ácido hipocloroso, siendo importante conocer la proporción entre ácido hipocloroso y el ión hipoclorito ClO 1– , ante las variaciones del pH de la solución. a. (0,5 p) Escriba la ecuación de ionización del ácido hipocloroso, aplicando la teoría de Bronsted-Lowry, mostrando los respectivos pares conjugados. b. (1,5 p) Si se observa que trabajando a 25º C el pH de la solución es 4,42 y sabiendo que el K a es 3,7 x 10 -8 , determine cuál era la concentración inicial del HClO, y la proporción HClO a ClO 1- , en el equilibrio iónico. c. (0,5 p) Si el proceso se realizara en la Sierra, a 15º C, determine el valor de la constante de equilibrio, sabiendo que la entalpía de reacción de ionización es de 14,96 kJ/mol. d. (1,0 p) Determine el pH de la solución cuando se trabaja a 15º C, considerando la concentración inicial hallada en b. e. (0,5 p) Si el proceso es más favorable cuando la concentración del H 3 O 1+ es menor, para una misma concentración inicial de HClO, a qué temperatura recomendaría trabajar, a 15º o a 25º C. 5. (4 pts) Si se tiene 250 mL de una solución acuosa de hidroxilamina, H 2 NOH, 0,2 M (K b = 1,1 X 10 -8 ), y se le añade 350 mL de una solución acuosa de cloruro de hidroxilamina, H 3 NOH + Cl - , 0,2 M; a. ¿qué ocurre con el valor del pH de la solución de hidroxilamina, y con su grado de ionización? (aumenta, disminuye o no varía)? Justifique. b. ¿qué tipo de solución se obtiene? Señale una característica de este tipo de soluciones. c. Escriba la ecuación de la reacción que ocurre al adicionar: 29 Asesoría Universitaria TETRIX i. KOH ii. HCl a la mezcla formada. d. Si a 50 mL de una solución acuosa de hidroxilamina, H 2 NOH, 0,2 M , se le hubiese agregado 20 mL de solución acuosa de HCl 0,2 M, ¿cuántos moles de sal se formarían? ¿la sal formada sufre hidrólisis? Justifique. 6. (4 pts) El crecimiento económico de los países desarrollados y de los en vía de desarrollado, depende en grado crítico de los procesos químicos, los cuales van desde el tratamiento de suministros de agua hasta procesos industriales que generan productos o subproductos dañinos para el ambiente. En Julio del 2001, en Bonn, Alemania, 178 naciones firmaron un tratado basado en los Protocolos de Kyoto. Una comisión, constituida por representantes de los países latinoamericanos para estudiar los mismos problemas, obtuvo la siguiente información sobre las principales fuentes de energía, en: • Argentina : 75% petróleo y gas natural / 25% energía hidráulica. • Bolivia : 63% petróleo y gas natural / 37% energía hidráulica. • Brasil : 85% energía hidráulica/10% gas natural, energía nuclear/5% etanol (caña azúcar) • Chile : mayor % gas natural y carbón / menor % energía hidráulica. • Paraguay : 40% biomasa (leña) / energía hidráulica / importan 100% petróleo que consumen • Perú : 80% energía hidráulica / 20% combustibles fósiles / gas natural. • Uruguay : 60% petróleo importado / gas natural. • Venezuela : 100% combustibles fósiles. a. (2,5 pts) en su cuadernillo de examen, complete la siguiente tabla. Tome como referencia la información sobre las fuentes de energía, para sustentar qué país contribuye en menor escala a los problemas ambientales y cuál, en mayor escala: País, en menor escala Ventaja – Fuentes (2) Efectos sobre el medio ambiente (2) País , en mayor escala Desventaja – Fuentes (2) Efectos sobre el medio ambiente (2) b. (1,0 p) Indique dos sustancias que contribuyen: i. al efecto invernadero ii. A la lluvia ácida. c. (0,5 p) En su opinión, en nuestro país, ¿cómo se podría mejorar o disminuir los problemas que contribuyen a contaminar el medio ambiente? 30 Asesoría Universitaria TETRIX Datos: Masas molares (g/mol): Na 23 Cl 35,5 NaCl58,5 2 Cl 71 G = w = n F ∆ − ⋅ ⋅ ε 0 0,0592 E E logQ n · − q i t · × 1 F = 96500 C/mol e − 1 1 2 2 1 2 k T T H ln k R T T − ∆ ] · ] ] PV = nrt R=0,082L–atm/(mol ⋅ K) = 8,314 J/( mol ⋅ K) ELECTRODO 0 reducción ε Na 1+ (ac) / Na (s) – 2,714 V H 2 O / H 2(g) – 0,828 V Cl 2(g) / Cl 1– (ac) + 1,359 V 31 Asesoría Universitaria TETRIX 1. a. Para la reacción indicada: a b v k A B · ⋅ ] ] ] ] experimento 1 : 5 a b 4 10 k(0,1) (0,1) − × · ⋅ ………. (I) experimento 2 : 5 a b 4 10 k(0,1) (0,2) − × · ⋅ ………. (II) experimento 3 : 5 a b 16 10 k(0,2) (0,1) − × · ⋅ ………. (III) resolviendo el sistema (I), (II) y (III), se obtienen, b = 0 ; a = 2 ∴ la Ley de velocidad es: 2 v k A · ⋅ ] ] y el orden de la reacción es: a + b = 2 (orden 2) b. Sustituimos, a = 2 y b = 0, en (I) 5 2 3 1 1 4 10 k(0,1) k 4 10 M s − − − − × · ⇒ · ⋅ ⋅ c. De la ley de velocidad, 2 3 2 5 1 v k A v 4 10 (0,050) 10 M s − − − · ⋅ ⇒ · ⋅ ⋅ · ⋅ ] ] d. Para una reacción elemental, se cumple que las potencias de las ] ] en la expresión de la v, son iguales a los coeficientes estequiométricos respectivos. Siendo la ecuación: A + B → P La expresión de la velocidad es: 2 0 v k A B · ⋅ ⋅ ] ] ] ] ∴ la ley de velocidad será diferente. e. E c u r s o d e l a r e a c c i ó n H ∆ 2. a. i. El proceso más espontáneo es el que proporciona el mayor potencial: Reducción { 1 0 2 2 O 2H O 4e 4OH ; E 0, 40V − − + + → · Oxidación { 2 0 (s) (ac) 4Fe 4Fe 4e ; E 0, 44V + + + · + ------------------------------ --------------------- 32 SOLUCIONARIO SEGUNDO EXAMEN DE QUÍMICA 2 (2007 – I) Asesoría Universitaria TETRIX 2 1 0 (s) 2(g) 2 (l) (ac) (ac) PILA 2Fe O 2H O 2Fe 4OH ; E 0,84V + − + + → + · + ii. Siendo la reacción neta de la celda galvánica: 2 1 (s) 2(g) 2 (l) (ac) (ac) 2Fe O 2H O 2Fe 4OH + − + + → + 2 2 1 2 3 Q Fe OH (0,2) (0,2) 8 10 + − − ] ] · ⋅ · ⋅ · ⋅ ] ] n = # electrones transferidos = 4 Luego, para el potencial de la celda: 0 0,0592 E E logQ n · − ⋅ 3 0,0592 E 0, 84 log(8 10 ) 0,871V 4 − · + − ⋅ ⋅ · + iii. Comparando los potenciales de oxidación, el de (s) Fe , es el mayor: 2 0 (s) (ac) Cu Cu 2e ; E 0,34V + − → + · − 2 0 (s) (ac) Fe Fe 2e ; E 0, 44V + − → + · + Luego, será el (s) Fe quien se deteriore más en el tiempo. b. i. Balanceando por el método ión–electrón: En el ánodo: (s) (s) Zn ZnO ÷÷→ (oxidación) 1 (s) (ac) (s) 2 (l) Zn 2OH ZnO H O 2e − − + ÷÷→ + + En el cátodo (s) (l) HgO Hg ÷÷→ (reducción) 1 (s) 2 (l) (l) (ac) HgO H O 2e Hg 2OH − − + + ÷÷→ + ii. El trabajo eléctrico G W n F E ∆ · · − ⋅ ⋅ Siendo : n = #e − transferidos = 2 mol e − F = 96500 C/ mol e − E = 1,35 V W = 2 × 96500 C/ mol e − W = 206550 J ⇒ W= –206,55 kJ iii. Dejará de funcionar la celda, cuando los reactivos se consuman ( (s) Zn y (s) HgO ) 3. a. Se electroliza una solución de Na Cl: En el ánodo, hay oxidación: 1 (ac) 2(g) 2Cl Cl 2e − − ÷÷→ + En el cátodo, hay oxidación: 1 2 (l) 2(g) (ac) 2H O 2e H 2OH − − + ÷÷→ + La reacción global es: 33 Asesoría Universitaria TETRIX 1 1 2 (l) (ac) 2(g) 2(g) (ac) 2H O Cl H Cl 2OH − − + ÷÷→ + + b. Como se electroliza durante t = 1 h = 3600 s Q = I × t = 5 × 3600 = 18000 C hallamos la masa de gas cloro, 2(g) Cl , que se produce: 2 2 2 2 1mol Cl 71g Cl gCl C 1F 1mol e 1800 6,62 h 96500C 1F 2mol e 1mol Cl h − − | ` | ` | ` | ` × × × × · . , . , . , . , y con una eficiencia de 80% 2 2 6,62gCl / h 80% 5,297gCl / h 100% | ` × · . , c. Debemos hallar la cantidad de cloro disponible a partir de la disolución de Na Cl: m d V 1,07 5000 5350 · × · × · g. Solución La solución es al 3% de Na Cl, NaCl NaCl NaCl NaCl sol m m %m 100 3 100 m 160,5g m 5350 · × ⇒ · × ⇒ · Y como , 1 mol de NaCl contiene 1 mol de átomos de Cl, 2 2 2 2 1 mol Cl 71gCl 1 mol NaCl 1 mol átomosCl 160,5 g 97, 4g Cl 58,5 gNaCl 1 mol NaCl 2 mol átomos Cl 1molCl | ` | ` | ` | ` ⋅ × × × · ⋅ . , . , . , . , luego, como el flujo de 2 Cl , es 5,297 2 g Cl ⋅ / h : 2 2 1h 97, 4g Cl 18, 4 5,297g Cl | ` × ⋅ · ⋅ . , h ∴ la celda se agotará al consumirse todo el cloro, al cabo de 18,4 horas. d. Las posibles reacciones en el cátodo son: 1 0 (ac) (s) Na e Na ; E 2,71V + − + ÷÷→ · − 1 0 2 (l) 2(g) (ac) 2H O 2e H 2OH ; E 0,83V − − + ÷÷→ + · − La reacción de reducción del Na + es poco probable porque su 0 E es muy negativo ( ∆ G>0; es más no espontáneo) e. De acuerdo con la reacción global, 2 2 2 2 2 2 1 mol Cl 1 mol H 97, 4g Cl 1,372mol H 71g Cl 1 mol Cl | ` | ` ⋅ × × · . , . , f. Por cada hora se produce 5,297 g de 2 Cl . Siendo la reacción de formación del H Cl O, 2(g) 2 (l) (ac) (ac) (ac) Cl H O H Cl O H Cl + − + ÷÷→ + + 2 2 2 2 1 mol Cl 1 mol HClO 5,297g Cl 0,0746 mol HClO 71g Cl 1 mol Cl | ` | ` × × · . , . , En un volumen de 5 L: 34 Asesoría Universitaria TETRIX Molaridad STO SOL n 0,0746mol M 0,015 M V 5 L · · ⇒ · 4. a. Reacción de ionización del ácido hipocloroso, H Cl O 1 1 ( a c ) 2 ( l ) ( a c ) Z ( a c ) H C l O H O C l O H O − + ÷ ÷→ + + ← ÷ ÷ Á C I D O 1 Á C I D O 2 B A S E 2 B A S E 1 P A R 1 P A R 2 H + b. Inicial : HClO C · ] ] Reacciona : x 1 1 2 3 HClO H O ClO H O − + ÷÷→ + + ←÷÷ Inicial C ---- ---- Se ioniza x ---- ---- Se produce ---- x x En equilibrio C – x x x Como, pH = 4,42 ⇒ 5 3 3 pH log H O H O 3,8 10 x + + − ] ] · − ⇒ · ⋅ · ] ] dado que x es muy pequeño, C x C − ≈ , 1 5 5 3 8 2 A ClO H O (3, 8 10 ) (3, 8 10 ) K 3,7 10 C 3, 9 10 M HClO C − + − − − − ] ] ⋅ ⋅ ] ] · ⇒ ⋅ · ⇒ · ⋅ ] ] Y la proporción entre H Cl O y 1 ClO − , es: a 1 HClO x 1mol K ClO x 1mol − ] ] · · · c. Siendo kJ H 14, 96 mol K ∆ · ⋅ ; 3 kJ R 8,314 10 mol K − · ⋅ ⋅ Para T = 15 ºC ; a k ? · 1 T 25º C · ; 8 a K 3,7 10 − · ⋅ 2 2 1 1 1 2 K T T H ln K R T T | ` | ` − ∆ · ⋅ ⋅ . , . , 8 a a 8 3 K 14, 96 288 298 ln K 3,0 10 3,7 10 8,314 10 288 298 − − − | ` − | ` · ⇒ · ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . , . , d. 3 a ClO H O k HClO − + ] ] ] ] · ] ] Siendo, 5 0 HClO 3,9 10 M − · ⋅ ] ] 35 Asesoría Universitaria TETRIX 8 5 3 2 5 x x 3 10 x 3, 42 10 H O 3, 9 10 pH log(3, 42 10 ) pH 4, 47 − − + − − ⋅ ] × · ⇒ · ⋅ · ] ⋅ · − ⋅ ⇒ · e. Se recomienda trabajar a 15 ºC, con 8 a k 3 10 − · ⋅ , donde se obtiene, 3 H O + ] ] menor. 5. a. Primero, hallamos el pH de la solución de 2 H NOH ; 0,2 M 2 2 3 H NOH H O H NOH OH + − ÷÷→ + + ←÷÷ Inicial 0,2 M ---- ---- Se ioniza X ---- ---- Se produce ---- x x En equilibrio 0,2 x 0,2 − ≈ x x 3 8 4 b 2 H NOH OH x x K 1,1 10 x 1,05 10 0H H NOH 0,2 + − − − − ] ] ⋅ ] ] ] · ⇒ ⋅ · ⇒ · ⋅ · ] ] ] 4 4 1 x pOH log(1,05 10 ) 3, 98 pH 10,02 ; y , 5,25 10 0,2 − − · − ⋅ · ⇒ · α · · ⋅ Cuando a 250 mL de esta solución ( 2 n M V 0,2 0,25 0,05 molH NOH · × · × · ), se añade 350 mL de sol de 1 3 H NOH + , 0,2 M, 1 3 n M V 0,2 0,35 0,07 molH NOH + · × · × · ocurrirá el efecto del IÓN COMÚN: 2 2 3 H NOH H O H NOH OH + − ÷÷→ + + ←÷÷ por el principio de Le Chatelier, el equilibrio va a al IZQUIERDA, se consume OH − , la basicidad disminuye, el pH disminuye. b. Como se obtiene una mezcla de: Una base débil: 2 H NOH 0,2 M ; y Una de sus sales: 3 H NOHCl 0,2 M (ó 1 3 H NOH + 0,2 M) Se trata de una solución BUFFER O AMORTIGUADORA, cuya principal característica es la impedir la variación del pH. c. En la disolución buffer, se cumple la reacción de ionización de la base débil, 1 1 2 2 3 H NOH H O H NOH OH + − ÷÷→ + + ←÷÷ i. Al adicionar una solución de KOH; es decir una solución de 1 OH − , será el ácido del amortiguador quien lo hace reaccionar, 1 1 3 2 2 H NOH OH H NOH H O + − + ÷÷→ + ii. Al adicionar una solución de HCl; es decir una solución de H + , será la base del amortiguador quien lo hace reaccionar, 1 2 3 H NOH H H NOH + + + ÷÷→ . 36 Asesoría Universitaria TETRIX En ambos casos el pH no variará d. i. El número de moles de 2 H NOH , es: n M V 0,2 0,05 0,01mol · × · × · ; y el número de moles de HCl es: n M V 0,2 0,02 0,004 mol · × · × · la reacción química, es: 2 3 H NOH HCl H NOH Cl + − + ÷÷→ el reactivo limitante será HCl con 0,004 mol, luego para la sal: 3 3 1mol H NOHCl 0,004 mol HCl 0,004 mol H NOHCl 1mol HCl | ` × · . , ii. Esta sal previene de una base débil y un ácido fuerte H N O H 2 H N O H C l 3 H C l ( á c i d o f u e r t e ) ( b a s e d é b i l ) Si se verifica HIDRÓLISIS. Se hidroliza el ácido conjugado 1 3 H NOH + , respecto a la base débil. 6. a. Considera, la información sobre las principales fuentes de energía, proporcionada: País, en menor escala. Ventaja – Fuentes Efectos sobre el medio ambiente Brasil. • energía hidráulica. • gas natural. • energía hidráulica no contamina. • quemas gas natural contamina menos. País, en mayor escala. Desventaja – Fuentes Efectos sobre el medio ambiente Venezuela. • Petróleo y gas natural. • Derivados del petróleo. • quemar petróleo emite gases contaminantes. • 2 4 CO y CH contribuyen a EFECTO INVERNADERO.. b. i. Contribuyen al EFECTO INVERNADERO. 2 4 CO y CH ii. Contribuyen a la lluvia ácida: NO y 2 SO c. Algunas actividades para disminuir los problemas de contaminación: 2. Implementar programas efectivos de educación y capacitación, en: - Ahorro de energía - Reciclar materiales 37 Asesoría Universitaria TETRIX 3. Decisión política para darle el poder necesario al Ministerio del Medio Ambiente 4. Cambio de la MATRIZ energética: - Disminuir el uso de PETRÓLEO y derivados. - Aumentar el uso de GAS NATURAL y ETANOL - Desarrollar el uso de energía EÓLICA y ENERGIA SOLAR. 38 Asesoría Universitaria TETRIX Problema 1 Uno de los productos de la empresa Multinacional S.A. son los silicones, pues este grupo de compuestos artificiales tienen un gran número de aplicaciones, por ejemplo son componentes de varios tipos de ceras y barnices domésticos, como aislantes para material eléctrico; en anillos de cierre y ajuste, en casos en que las gomas ordinarias se deteriorarían rápidamente; en lubricaciones especiales para máquinas que trabajan a temperaturas extremas (–70 ºC a 250 ºC); como repelentes de agua, y muchos otros usos. Una de las aplicaciones del clorometano, CH 3 Cl, es precisamente la fabricación de los silicones, por ello, en el laboratorio de investigación se ha seguido la cinética de la reacción de preparación del CH 3 Cl: CH 3 OH + H + + Cl − → CH 3 Cl + H 2 O midiendo la concentración del ión hidronio, H + , en función del tiempo. De dicho estudio a temperatura ambiente, se observa que la velocidad no depende de las concentraciones de los otros reactivos, y se obtuvieron los siguientes gráficos: 39 EXAMEN FINAL QUIMICA 2 (2007 – II) Asesoría Universitaria TETRIX 1. (2,0pts) De la información obtenida, determine, justificando debidamente: a. (0,5 p) la velocidad instantánea en el minuto 360. b. (0,5 p) la velocidad promedio entre los minutos 200 y 500. c. (0,5 p) la constante de velocidad, especificando sus unidades. d. (0,5 p) el orden de la reacción, escribiendo su respectiva ley de velocidad. Conocedora de que los gases que emanan de sus instalaciones son tóxicos, en los laboratorios de la empresa Multinacional S.A. han desarrollado un método para utilizar el óxido nítrico, NO (g) , y hacerlo reaccionar de forma controlada con oxígeno, para producir el dióxido de nitrógeno, NO 2(g) . El NO 2(g) reacciona con agua para formar ácido nítrico y óxido nítrico, el cual regresa a la cámara de reacción y el proceso vuelve a producirse. De esta manera obtienen ácido nítrico, evitando la contaminación del medio ambiente. La reacción de producción de ácido nítrico mediante este proceso sigue una cinética de segundo orden respecto al NO 2(g) y de orden cero respecto al H 2 O (l) En un ensayo realizado a 180 ºC en el laboratorio, se verifica que al cabo 50 minutos la concentración inicial del NO 2(g) ha disminuido en un 75 %, siendo la concentración inicial de 2,0 x 10 −3 M. 2. (2,0 pts) Responda lo siguiente: a. (0,5 p) Escriba la expresión de la ley de velocidad para la reacción. b. (0,5 p) Determine mediante cálculos el valor de la constante de velocidad, indicando las unidades de la misma. c. (0,5p) ¿Sería correcto estimar también un tiempo de 50 minutos, para la disminución del 75%, si el ensayo se efectuara a la misma temperatura pero con una concentración inicial 10 veces mayor? Justifique su respuesta. d. (0,5 p) Encuentre el tiempo de vida media para esa reacción. Problema 2 La empresa sabe que al emitir gases tóxicos, tal como óxido nítrico, NO (g) , a la atmósfera, podrían ser sancionados. Este gas puede reaccionar con oxigeno, O 2(g) o con ozono, O 3(g) y en ambos casos se produce NO 2 , un gas de color amarillento, importante constituyente del smog fotoquímico, venenoso y de olor asfixiante. La reacción con oxigeno que produce el monóxido es: (g) 2(g) 2(g) 2NO O 2NO + → Se realizaron una serie de experimentos para determinar la ley de velocidad de la reacción obteniendo los siguientes resultados a 25 ºC: EXPERIMENT O [ ] NO ] ] 2 O VELOCIDAD INICIAL (M/s) 1 0,002 4 0,001 2 − × 4 1,15 10 2 0,004 8 0,001 2 − × 4 4,55 10 3 0,002 4 0,002 4 − × 4 2,23 10 3. (2,0 pts) Determine: 40 Asesoría Universitaria TETRIX a. (0,5 p) Los órdenes parciales y el orden total de la reacción. b. (0,5 p) El valor de la constante de velocidad a 25 °C con sus respectivas unidades y la ley de velocidad. c. (0,5 p) Establezca las relaciones de velocidad de aparición del producto y desaparición de los reactivos. d. (0,5 p) Si la velocidad de la reacción está dada por –d[O 2 ]/dt, ¿cuál será la velocidad de aparición de NO 2 , si en un momento dado [NO] = 0,0030 M y [O 2 ] = 0,0015 M? Problema 3 El laboratorio investigación de la empresa, ha elaborado un nuevo catalizador denominado TXT para la obtención de amoniaco, NH 3 , que según los estudios experimentales mucho más activo y selectivo que el catalizador comercial y puede trabajar a temperatura y presiones más bajas de las normales Para elaborar la ficha técnica con la cual se acompañará las muestras de catalizador se requiere completar lo siguiente: 4. (2,0 pts) La reacción química: N 2(g) + 3 H 2(g) → 2 NH 3(g) ΔH° = - 92,6 kJ El mecanismo de reacción se lleva a cabo en varias etapas, según se indica: I. → 2 (g) N 2N ∆ < º H 0 II. + → + (g) 2(g) (g) (g) N H NH H ∆ > º H 0 III. + → + (g) 2(g) 2(g) (g) NH H NH H ∆ > º H 0 IV. + → (g) (g) 2(g) H H H ∆ < º H 0 V. + → 2(g) (g) 3(g) NH H NH ∆ < º H 0 a. (0,5p) Representa gráficamente una colección efectiva para la etapa III b. (1p) Si se sabe que la reacción unimolecular es la etapa lenta del mecanismo, identifica dicha etapa. Haga un esbozo del diagrama de energía para todo el mecanismo, señalando la energía de activación de la etapa lenta. Indique el o los intermediarios presentes del mecanismo. c. (0,5p) Se sabe que a 25 °C la constante k para esta reacción es 79 s -1 y a 75 °C es de 3 x 10 3 s -1 , ¿cuál es el valor de la energía de activación? 5. (2,0 pts.) Pregunta Electiva: Resuelva sólo una de las siguientes preguntas: a. (2 pts.) El laboratorio de investigación de la empresa Multinacional S.A. estudiando los reportes sobre reacciones del óxido nítrico, NO (g) encuentra que esta sustancia es un importante neurotransmisor en el cuerpo humano; hace que los músculos que recubren los vasos sanguíneos se relajen permitiendo así un mayor flujo de sangre, que: En condiciones adecuadas reacciona con oxígeno y agua para obtener ácido nítrico, HNO 3 y ácido nitroso, HNO 2 (Ka = 4,5 x 10 -4 ). Una de las disoluciones acuosas de las sales de sodio de estos ácidos, NaNO 3 y NaNO 2 , es neutra y la otra es básica. 41 Asesoría Universitaria TETRIX la mezcla de uno de los ácidos propuestos, con su sal correspondiente forman una disolución buffer. Asuma que la concentración de las disoluciones tanto de los ácidos como de las sales es 0,1M respectivamente: a. Para la solución básica, escriba la ecuación de equilibrio presente y realice los cálculos necesarios para determinar el valor del pH. b. Para la solución buffer: i. Determine el pH. ii. Si se añade un ácido fuerte, identifique la especie que reaccionaría con él b. (2 pts.) a. Señale o indique, justificando, la espontaneidad de: i. Celda de combustión ( o combustible) Ánodo: − + + → e H H g 2 2 ) ( 2 Cátodo: ) ( 2 ) ( 2 2 4 4 g g O H e H O → + + − + ii. Formación de ozono troposférico a 25°C según: kJ S kJ H O O O g g g 35 , 128 2 , 107 ) ( 3 ) ( ) ( 2 − · ∆ · ∆ → + b. Explique la acción del ozono en la troposfera y en la estratosfera, 6. (10,0pts.) a. (6p.) La Multinacional S.A. apoya el desarrollo de un Proyecto Educativo que ha considerado elaborar dos guías de Laboratorio sobre celdas galvánicas. Suponga que forma parte del Proyecto, por tanto debe obtener la siguiente información: En la guía 1, el objetivo será diseñar una celda cuya fem sea no menor de 2 voltios. Para e ensaya con las siguientes celdas: i. + + + − 2 2 4 Zn(s) / Zn (ac,1M) // MnO (ac, 0, 01M),H (ac,1M),Mn (ac, 2M) / Pt(s) ii. − − 2 4 2 Cd(s) / Cd (ac, 0, 001M) // MnO (ac, 2M), OH (ac, 0,1M) / MnO (s) / Pt(s) Todos los ensayos serán a 25 °C Para las celdas I y II : a. (2p) Las medias reacciones balanceadas , catódica y anódica, respectiva b. (0,5p) Los valores de E° c. (1p) Los valores de E, para las concentraciones indicadas d. (0,5p) La elección de la celda que ofrece el voltaje requerido En la guía 2, el objetivo será diseñar una celda que permita medir el pH, en tal sentido se armará una celda con el electrodo Fe(s) / Fe 2+( ac, 1M) y el electrodo de hidrógeno, el cual contiene una solución ácida de pH desconocido y una presión de H 2 de 1 atm. Para la celda de la guía 2: e. (0,5p) Las medias reacciones catódica y anódica, de la celda espontánea estándar f. (0,5p) El esquema ó dibujo de la celda g. (1p) El valor del pH de la solución ácida, si el voltímetro indica un valor para E de 0,30 voltios 42 Asesoría Universitaria TETRIX b. (4p.) En el mismo proyecto, con el objetivo de comprobar el proceso de electrólisis, se propuso verificar su utilidad realizando los siguientes experimentos: i. Descomposición del agua en sus elementos ii. Refinación de una barra de cadmio, Cd, contaminada con plata Ag y zinc Zn. iii. Electroplateado de una pieza metálica a. (1p) Para el experimento I, señale los materiales que tendría que utilizar y los gases que se obtiene en el ánodo y cátodo respectivamente. b. (2p) Para la refinación de la barra de cadmio, determine: i. Si la barra impura se coloca como ánodo o como cátodo. Escriba la semirreacción respectiva. ii. (1p.) El tiempo necesario para obtener 300 g de cadmio puro, con una corriente de 12 A. iii. Considerando los potenciales de oxidación, ¿qué sucede con las impurezas durante la electrólisis? c. (1p) Si para el electroplateado se utiliza 2 L de solución de 2 4 Ag SO 0,2 M y un ánodo inerte, observando que la concentración final de ion plata, Ag+, es 0,3 M luego de los 4 horas que duró el proceso, ¿qué intensidad tenía la corriente utilizada? Considere que el volumen de solución no varía. Datos: Masa molar (g/mol): Cd: 111,4 ∆ · − ∆ 0 0 0 G AH T S ∆ · ∆ + 0 0 G G RTlnQ ∆ · − 0 G nFE · × q i t − · 1F 96500C/ mol e R = 0,082 L – atm/mol K = × kJ 8, 314 molK · − × 0 0, 0591 E E logQ N [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] · − ⋅ · + ⋅ · − ⋅ 0 0 0 1 1 A A K t k t ln A ln A k t A A − − ] · · × · · ] ] act 1 1 2 4 2 1 2 E k T T ln Kw 1, 0 10 Kh Kw/ Ka Kh Kw/ Kb k R T T Potenciales de reducción 0 E , en voltios + 2 Zn (ac) / Zn(s) : –0,76 − + + 2 4 MnO (ac) / H (ac),Mn (ac) : 1,51 − + 4 2 MnO (ac) / OH (ac),MnO (s) : 0,59 + 2 Cd (ac) / Cd(s) : –0,40 + 2 Fe (ac) / Fe(s) : –0,4 0 Ag (ac) / Ag(s) : 0,80 + 2(g) 2 (l) O , 4H / H O : 1,23 + 2 H (ac) / H (g) : 0,00 43 Asesoría Universitaria TETRIX − 2 (l) 2(g) H O / H , OH : –0,83 44 Asesoría Universitaria TETRIX 1. a. La velocidad instantánea de la reacción en un punto cualquiera en un tiempo en particular se hallan de un gráfico ] ] vs. t Del gráfico Nº 3, trazamos una tangente que pase por el punto correspondiente a t = 360. 3 instantánea 2,1 1,5 M tan V 1,67 10 360 0 S − − θ · · · ⋅ − b. 3 promedio H 1,7 1,3 M v 1,33 10 t 500 200 S + − ] ∆ − ] · · − · − ⋅ ∆ − c. En el gráfico Nº 1, la tendencia de la recta corresponde a una reacción de 2do. orden. La pendiente de la recta es igual a k: Pendiente = 4 0,84 0, 46 tan 5,78 10 720 0 − − α · · ⋅ − 4 1 1 k 2,78 10 M min − − − ∴ · ⋅ ⋅ d. a V k H + ] · ⋅ ] Como es una reacción de 2do. Orden, Ley de velocidad: 2 V k H + ] · ⋅ ] ; 4 1 1 k 2,78 10 M min − − − · ⋅ ⋅ 2. (g) 2(g) 2(g) 2NO 1 O 2NO + ÷÷→ …. (I) 2(g) 2 (l) 3(l) (g) 3NO 1H O 2HNO NO + ÷÷→ + …. (II) 2do. orden respecto al 2 NO y orden cero, respecto al 2 H O . a. Para la reacción (II): a b 2 2 V K NO H O · ⋅ ] ] ] ] 2 0 2 2 2 2 V K NO H O v k NO · ⋅ ⇒ · ⋅ ] ] ] ] ] ] b. 3 2 0 NO 2 10 M − · ⋅ ] ] ; luego de t = 50min concentración final, 3 4 2 25 NO 2 10 5 10 M 100 − − · ⋅ ⋅ · ⋅ ] ] Como es una reacción de 2do. orden: 0 2 2 1 1 k t NO NO − · ⋅ ] ] ] ] 1 1 4 3 1 1 k 50 k 30M min 5 10 2 10 − − − − − · ⋅ ⇒ · ⋅ ⋅ ⋅ 45 SOLUCIONARIO SEGUNDO EXAMEN DE QUÍMICA 2 (2007 – II) Asesoría Universitaria TETRIX c. Si la concentración inicial fuera, 0 3 2 2 NO 10 2 10 2 10 M − − · ⋅ ⋅ · ⋅ ] ] disminuye en 75%, la concentración final, 2 3 2 25 NO 2 10 5 10 100 − − · ⋅ ⋅ · ⋅ ] ] Hallar el t: 3 2 0 1 1 1 1 k t 30 t t 5min 5 10 2 10 − − − · ⋅ ⇒ − · ⋅ ⇒ · ⋅ ⋅ ] ] ] ] ∴ sería incorrecto estimar el tiempo en 50min. d. Como es de 2do orden, el t de vida media es: 1/ 2 1/ 2 1/ 2 3 0 1 1 t t t 16,67min k 30 2 10 − · ⇒ · ⇒ · ⋅ ⋅ ⋅ ] ] 3. a. (g) 2(g) 2(g) 2NO O 2NO + ÷÷→ Ley de velocidad: b a 2 v k NO O · ⋅ ⋅ ] ] ] ] Exp. Nº 1 : 4 a b 1,15 10 k(0,0024) (0,0012) − ⋅ · . . . (1) Exp. Nº 2 : 4 a b 4,55 10 k(0,0048) (0,0012) − ⋅ · . . . (2) Exp. Nº 3 : 4 a b 2,23 10 k(0,0024) (0,0024) − ⋅ · . . . (3) (2) ÷ (1) 4 a a 4 a 4,55 10 (0,0048) 4 2 a 2 1,15 10 (0,0024) − − ⋅ · ⇒ · ⇒ · ⋅ (3) ÷ (1) 4 b b 4 b 2,23 10 (0,0024) 2 2 b 1 1,15 10 (0,0012) − − ⋅ · ⇒ · ⇒ · ⋅ ∴ La ley de velocidad es: 1 2 2 v k NO O · ⋅ ⋅ ] ] ] ] respecto al NO : orden 2 respecto al 2 O : orden 1 respecto a la reacción total: orden a + b = 3 b. Del experimento Nº 1 ; a = 2 ; b = 1 4 2 1 1,15 10 k(0,0024) (0,0012) − ⋅ · ⋅ 4 2 1 k 1,66 10 M s − − − · ⋅ ⋅ Con la cual, la Ley de velocidad es: 1 2 4 2 v 1,66 10 NO O − · ⋅ ⋅ ] ] ] ] c. 2 2 Vel. desaparición Vel. aparición Vel.desaparición V deO deNO deNO | ` | ` | ` · · · . , . , . , 46 Asesoría Universitaria TETRIX 2 2 O NO NO 1 1 V 2 t t 2 t ∆ ∆ ∆ ] ] ] ] ] ] · − ⋅ · − · + ⋅ ∆ ∆ ∆ O también: 2 2 NO 0 NO 1 1 V V V V 2 2 · − ⋅ · − · + d. Si, 2 reacción d O V dt − ] ] · mediante la Ley de velocidad 2 4 Rx 2 4 2 4 1 Rx V 1,66 10 NO O V 1,66 10 (0,003) (0,0015) 2,24 10 M s − − − − · ⋅ ⋅ ⋅ ] ] ] ] · ⋅ ⋅ ⋅ · ⋅ ⋅ Luego, 2 2 d O d NO 1 dt 2 dt ] ] ] ] − · + ⋅ 1 2 3 2 2 4 4 1 d NO d NO 1 2,24 10 4, 48 10 M s 2 dt dt − − − ] ] ] ] ⋅ · ⋅ ⇒ · ⋅ ⋅ 4. Reacción: 2(g) 2(g) 3(g) N 3H 2 NH ; Hº 92,6 kJ + ÷÷→ ∆ · − (exotérmica) Etapas: 5 Etapa lenta: la I a. Colisión efectiva, para la etapa III (g) 2(g) 2(g) (g) NH H NH H + ÷÷→ + N-H H-H H-N H-H Colisión ineficaz Colisión eficaz (molécula N-H, orientada correctamente) b. La reacción unimolecular, es la Etapa I 2(g) (g) N 2N → Diagrama de energía: Etapa I : exotérmica Etapa II : endotérmica Etapa III : endotérmica Etapa IV : exotérmica Etapa V : exotérmica Los intermediarios: • Luego de la Etapa I, e iniciar la Etapa III: (g) N 47 E curso c Hº=–92,6 kJ Ea I II III IV V Asesoría Universitaria TETRIX • Luego de la Etapa II, e iniciar la Etapa III: (g) (g) NH , H • Luego de la Etapa III, e iniciar la Etapa V: 2(g) NH c. Para hallar la energía de activación 1 1 1 3 1 2 2 T 25º C 298k ; k 79 s T 75º C 348k ; k 3 10 s − − · · · · · · ⋅ 1 1 2 2 1 2 k T T Ea ln k R T T − · ⋅ ⋅ a 3 79 Ea 298 348 ln E 62,71 kJ 3 10 8,31 298 348 | ` | ` ⋅ · ⋅ ⇒ · ⋅ ⋅ . , . , 5. A. ácidos : 3 HNO , 0,1 M 2 HNO ( ) 4 a k 4,5 10 − · ⋅ ; 0,1 M Sales de sodio : 3 NaNO ; 0,1 M 2 NaNO ; 0,1 M a. La sal 2 NaNO , proviene de ácido débil ( ) 2 HNO , y base fuerte (Na OH) Luego, el anión 1 2 NO − (la base conjugada del 2 HNO ), será quien verifique la Reacción de Hidrólisis: 1 1 2(ac) 2 (l) 2 (ac) NO H O HNO OH − − ÷÷→ + + ←÷÷ Inicial 0,1 M ---- ---- ---- Se hidroliza x ---- ---- ---- Se produce ---- ---- x x En equilibrio 0,1 – x ---- x x 14 11 h h 4 Kw 10 k k 1, 85 10 Ka 5, 4 10 − − − · ⇒ · · ⋅ ⋅ Como, 14 h k 10 − < , se puede hacer la aproximación 0,1 x 0,1 − ≈ En la expresión de h k : [ ] 1 2 11 h 1 2 HNO OH x x k 1, 85 10 0,1 NO − − − ] ⋅ ] · ⇒ ⋅ · ] ] [ ] 16 1 x 1,36 10 OH − − · ⋅ · [ ] 1 6 pOH log OH pOH log(1,36 10 ) 5, 87 − − · − ⇒ · − ⋅ · ⇒ pH = 8,13 (solución básica) b. La solución buffer es: 2 HNO ; 0,1 M 48 Asesoría Universitaria TETRIX 2 NaNO ; 0,1 M (o al disociarse, 1 2 NO − 0,1 M) Se debe cumplir la reacción de ionización del ácido débil: 1 1 2(ac) 2 (l) (ac) (ac) HNO H O NO OH − − ÷÷→ + + ←÷÷ Inicial 0,1 M ---- 0,1 M ---- Se ioniza x ---- ---- ---- Se produce ---- ---- x x En equilibrio 0,1 – x ---- 0,1 + x x Como 4 a k 10 − ≈ ; podemos hacer las aproximaciones: 0,1 x 0,1 − ≈ ; y 0,1 x 0,1 + ≈ En la expresión de a k : [ ] 1 1 2 4 a 2 NO OH (0,1) x k 4,5 10 HNO 0,1 − − − ] ⋅ ⋅ ] · ⇒ ⋅ · ] ] ( ) [ ] 4 1 x 4,5 10 OH − − · ⋅ ·· [ ] 1 4 pOH log OH pOH log(4,5 10 ) 3,27 − − · − ⇒ · − ⋅ · ⇒ pH = 10,73 (solución básica) B. a. i. Se determina el potencial, 0 CELDA ε : Ánodo: 1 2(g) (ac) H 2H 2e + − → + ; 0 0,0V ε · Cátodo : 1 2(g) (ac) 2 (l) O 4H 4e 2H O + − + + → ; 0 1,23V ε · 0 0 0 CELDA oxidación reducción ε · ε + ε 0 CELDA 0,0 1,23 1,23V ε · + · + Como, 0 CELDA 0 ε > , es una REACCIÓN ESPONTÁNEA. ii. Para la reacción dada, º º G H T S ∆ · ∆ − ⋅ ∆ 3 G 107,2kJ 298k ( 128,35 10 kJ / K) − ∆ · − − ⋅ − ⋅ G 68,95kJ ∆ · − Como º G 0 ∆ < , es una REACCIÓN ESPONTÁNEA. b. Ozono en la tropósfera (la baja atmósfera, en la superficie terrestre) El ozono en la tropósfera es contaminante. Es un gas muy tóxico, y muy reactivo (es oxidante), destruye materiales como el nylon, el caucho, pinturas, etc. Ozono en la estratósfera (la alta atmósfera, por encima de 20 km) 49 Asesoría Universitaria TETRIX El ozono en la estratósfera, es beneficioso porque forma la capa de ozono, que absorbe más del 90% de la radiación ultravioleta, de esta forma impide que llegue a la superficie terrestre (la troposfera). 6. A. En la GUIA 1 a. CELDA I Ánodo (oxidación): 2 (s) (ac) Zn Zn 2e + − → + Cátodo (reducción): 1 2 4(ac) (ac) (ac) 2 (l) MnO 8H 5e Mn 4H O − + − + + + → + CELDA II Ánodo (oxidación): 2 (s) (ac) Cd Cd 2e + − → + Cátodo (reducción): 1 1 (ac) 2 (l) 2(s) (ac) MnO 2H O 3e MnO 4OH − − − + + → + b. El 0 ε se determina: 0 0 0 CELDA REDUC. OXIDACIÓN ε · ε + ε CELDA I: 0 CELDA 0,76V 1,51V 2,27V ε · + + · + C ELDA II: 0 CELDA 0, 40V 0,59V 0, 99V ε · + + · + c. Hallamos la reacción neta de la CELDA (los e − perdidos en la oxidación se igualarán a los e − ganados en la reducción) CELDA I: 1 2 2 (ac) (s) (ac) (ac) (ac) 2 (l) 2MnO 5Zn 16H 2Mn 5Zn 8H O − + + + + + → + + • 2 5 2 2 2 5 4 2 16 2 16 4 Mn Zn (2) (1) Q 4 10 (0,01) (1) MnO H + + − + ] ] ⋅ ⋅ ] ] · · · ⋅ ⋅ ] ] ⋅ ] ] • n = 10 mol de e − transferidos 0 4 0,0591 logQ 2,27 0,0591 log(4 10 ) n ε · ε − ⋅ ⇒ ε · + − ⋅ ⋅ 2,24V ε · + CELDA II: 1 2 1 4(ac) (s) 2 (l) 2(s) (ac) (ac) 2MnO 3Cd 4H O 2MnO 3Cd 8OH − + − + + → + + • 3 8 2 1 3 8 18 2 2 4 Cd OH (0,001) (0,1) Q 2,5 10 (2) MnO + − − − ] ] ⋅ ⋅ ] ] · · · ⋅ ] ] • N = 6 mol de e − transferidos. 0 18 0,0591 0,0591 logQ 0, 990 log(2,5 10 ) n 6 − ε · ε − ⋅ ⇒ ε · + − ⋅ ⋅ 0,817 V ε · + d. Como se obtendrá una celda cuya f.e.m. sea no menor de 2V Se elige la CELDA I; que proporciona 2,24 V ε · + EN LA GUIA 2 Con electrodo : 2 (S) (ac) Fe / Fe + , y electrodo de H. e. Reacción catódica (reducción): (ac) 2(g) 2H 2e H + − + → ; 0 0V ε · 50 Asesoría Universitaria TETRIX Reacción anódica (oxidación) : 2 (s) (ac) Fe Fe 2e + − → + ; 0 0, 4V ε · + 0 0, 4V ε · + f. Esquema de la CELDA: V ÁNODO CÁTODO Fe (s) 0 Fe 2+ PUENTE SALINO H + H 2(g) Alambre de Pt g. El voltímetro indica: 0,30V ε · + De las semireacciones, catódica y anódica, hallamos la reacción total: 2 (s) (ac) (ac) 2(g) Fe 2H Fe H + + + → + ; 0 0, 4V ε · + • 1 2 2 2 Fe 1 Q H H + + + ] ] · · ] ] ] ] • N = 2 mol de e − transferidos 0 0,0591 0,0591 logQ 0,3 0, 4 logQ n 2 ε · ε − ⋅ ⇒ · − ⋅ Q = 2421,56 Luego, 2 2 1 1 Q 2421,56 H 0.0203M H H + + + ] · ⇒ · ⇒ · ] ] ] ] ] Finalmente, pH log H + ] · − ] pH log(0,0203) pH 1.7 · − ⇒ · B. Electroplateado de una pieza metálica Se usó solución de: 2 4 Ag SO 0,2 M ⇒ n M V 0,2 2 0, 4mol · ⋅ · ⋅ · este electrólito se ioniza. 2 2 4 (ac) 4(ac) 1Ag SO 2Ag SO 0, 4mol _____ 0,8mol + − ÷÷→ + Reducción del Ag + en el catódo: 0 Ag e Ag + − + ÷÷→ Luego, como quedó del ión Ag + , 0,3 M n M V 0,3 2 0,6mol · ⋅ · ⋅ · Se depositó en la electrodeposición: 0,8 – 0,6 mol = 0,2 mol 0 Ag 0 0 1F 1mol e 1mol Ag I 4 3600A S 0,2mol Ag 96500c 1F 1mol e − − | ` | ` | ` × × ⋅ × × · . , . , . , I = 1,34 A 51 Asesoría Universitaria TETRIX 52 Asesoría Universitaria TETRIX Kp, es la CONSTANTE DE EQUILIBRIO EN FUNCIÓN DE PRESIONES PARCIALES DE GASES Para reacciones que involucran soluciones acuosas: La actividad es la concentración molar aA(ac) + bB(ac) cC(ac) + dD(ac) Kc , es la CONSTANTE DE EQUILIBRIO EN FUNCION DE LAS CONCENTRACIONES c d MOLARES aCcaDd C eq D eq K= a b = = Kc a b aA aB A eq B eq – Si K >> 1: en el equilibrio, los productos son más abundantes que los – reactivos. Si K << 1: en el equilibrio, los reactivos son más abundantes que los productos. Si Q > K: para alcanzar el equilibrio los productos deben disminuir y los reactivos deben aumentar se produce Rx. Inversa. - Si Q = K: el sistema está en equilibrio. - Si Q < K: para alcanzar el equilibrio, los productos deben aumentar y los reactivos deben disminuir se Fórmulas Importantes: Kp = Kc (RT)∆n Siendo: ∆n = Kp = Kx (PT)∆n ; nPRODUCTOS - nREACCIONANTES Equilibrio Homogéneo: Se aplica a las reacciones en las que todas las especies (tanto reactivos como productos) se encuentran en la misma fase: aA(g) + bB(g) aA(ac) + bB(ac) cC(g) + dD(g) cC(ac) + dD(ac) K = Kp K = Kc Equilibrio Heterogéneo: Los reactivos y productos que intervienen en la reacción se encuentran en distintas fases: aA(s) + bB(g) cC(l) + dD(g) aCcaDd pDd K= a b K = Kp = b aA aB pB La actividad de un sólido en un sistema heterogéneo es 1. Principio de Le Chatelier: “Cualquier cambio de una de las variables que exista en un sistema de equilibrio provoca una reacción que tiende a contrarrestar el cambio de dicha variable”. a) Variación de la Concentración: – Al aumentar la concentración de un reactante se favorece el sentido directo, es decir, el sistema se desplaza hacia la derecha. 2 Asesoría Universitaria TETRIX – Al aumentar la concentración de un producto, se favorece el sentido inverso, es decir, el sistema se desplaza hacia la izquierda. b) Variación de la Presión y el Volumen: – Al aumentar la presión de un sistema gaseoso en equilibrio, disminuye el volumen, entonces el sistema se desplaza hacia donde haya menor número de moles. – Al disminuir la presión, el volumen aumenta, entonces el sistema se desplaza hacia donde haya mayor número de moles. c) Variación de la Temperatura: – Si se incrementa la temperatura, se favorece el sentido endotérmico de la reacción. – Una disminución de la temperatura, favorece el sentido exotérmico de la reacción. d) Efecto del catalizador: Un catalizador no afecta al equilibrio, tan sólo incrementa la rapidez con la que se alcanza el equilibrio. Ecuación de Van’t Hoff: Nos indica la dependencia de la constante de equilibrio, K, con la temperatura: ln Donde, K2 ∆Hº T2 − T1 = K1 R T1 T2 K1 es la Constante de equilibrio a la temperatura T1 K2 es la Constante de equilibrio a la temperatura T2 Grado de Reacción (α ): Fracción que ha reaccionado de la sustancia, respecto a la cantidad inicial de la misma. A Rx ( PA ) Rx n α = RX = = no A o ( Pa ) o Porcentaje de reacción: % que reacciona = α . 100 ELECTROQUÍMICA Estudia la interconversión de la energía eléctrica (corriente eléctrica) y la energía química (reacciones de reducción-oxidación). Por lo tanto, hay dos sistemas: – CELDA GALVÁNICA. A partir de reacciones REDOX espontáneas, produce corriente eléctrica. – CELDA ELECTROLÍTICA. A partir de energía eléctrica, se provocan reacciones REDOX no espontáneas. 3 Asesoría Universitaria TETRIX Un proceso electroquímico, está dado por una reacción redox, en la cual se produce una transferencia de electrones, desde un agente reductor hacia un agente oxidante. Procesos Redox: – Semireacción de oxidación: Se produce una pérdida de e-. Ejm: Fe2+ → Fe3+ + e– Agente reductor especie oxidada Agente reductor: es la sustancia inicial (un reactante) que se oxida, es decir, que pierde e-; por lo tanto, un reductor obliga a que otra sustancia se reduzca. Semireacción de reducción: Se produce una ganancia de e–. Ejm: Zn2+ + 2e– → Zn Agente oxidante especie reducida Agente oxidante: es la sustancia inicial (un reactante) que se reduce, es decir, que gana electrones; por lo tanto; un oxidante obliga a que otra sustancia se oxida – Balanceo de Ecuaciones Redox: Método del ión-electrón: – Ejemplo: Se pide balancear la siguiente ecuación: Fe2+ + Cr2O72– → Fe3+ + Cr3+ (en medio ácido) 1º Escribir las dos semirreacciones. Balancear los átomos distintos al H y al O. Oxidación: Fe2+ → Fe3+ Reducción: Cr2O72– → 2 Cr3+ 2º Balancear los átomos de H y de O en cada una de las semireacciones. Usar las siguientes reglas: En MEDIO ÁCIDO: Por cada O excesivo en un lado de la ecuación, agregar igual número de H2O en el lado opuesto, y doble número del ión H1+ en el primer lado. En MEDIO BÁSICO O ALCALINO: Por cada O excesivo en un lado de la ecuación, agregar igual número de H2O en el mismo lado, y doble número del ión OH1– en el otro lado. 3º Balancear las “cargas eléctricas” agregando electrones. En la Oxidación van a la derecha, junto a los productos; y en la Reducción, a la izquierda, junto a los reactantes. Reducción: Cr2O72– → 2 Cr3+ 14 H1+ + Cr2O72– → 2 Cr3+ + 7 H2O , porque es en Medio ácido 14 H+ + Cr2O72- + 6 e– → 2 Cr3+ + 7 H2O , se balancean 6 “cargas (+)” Oxidación: Fe2+ → Fe3+ 2+ 3+ Fe → Fe + e– , se balancean 2 “cargas (+)” 4 Asesoría Universitaria TETRIX 4º Cada semireacción multiplicar por un número, con el objeto de igualar eperdidos y ganados. Finalmente, sumar las semireacciones, cancelar los “términos semejantes”, y se obtiene la ecuación neta, debidamente balanceada. x1{ } x6{ 6 Fe2+ → 6 Fe3+ + 6 e– } Ecuación neta (sumando): 14 H+ + Cr2O72– + 6 Fe2+ → 2 Cr3+ + 6 Fe3+ + 7 H2O Celdas Galvánicas o Voltaicas: Si tenemos las dos siguientes semireacciones podemos construir una celda voltaica: Ánodo (oxidación): Zn(s) → Zn2+ (ac) + 2e– Cátodo (reducción): Cu2+ (ac) + 2e– → Cu(s) Electrodo: Son las superficies de contacto entre el conductor metálico y la solución de semicelda (anódica o catódica). Tipos de electrodo: – – Activo (participa en la reacción redox) Pasivo o inerte (no participa en la reacción redox) IMPORTANTE: 1º La oxidación se produce en el ánodo y la reducción en el cátodo. 2º Los electrones fluyen espontáneamente desde el ánodo negativo hacia el cátodo positivo. 3º El circuito eléctrico se completa por el mov. de los iones en solución: los aniones se mueven hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo. 4º Los compartimientos de la celda pueden estar separados por una barrera de vidrio poroso (celda de Daniell) o por un puente salino. 14 H+ + Cr2O72– + 6 e– → 2 Cr3+ + 7 H2O – Notaciones de celdas: Zn (s) / Zn2+ (ac, 1M) // Cu2+ (ac, 1M) / Cu (s) Zn (s) / Zn2+ (ac, 1M) // Fe3+ (ac, 1M), Fe2+ (ac, 1M) / Pt • Pt ó C(s,grafito) , son ejemplos de electrodos inertes. Potenciales Estándar de reducción: Potencial de Celda o fem (fuerza electromotriz) = Ecelda Condiciones estándar: 1 M para soluciones acuosas y 1 atm para gases. Eº celda =Eº oxidación +Eº reducción – – El Potencial de celda (E), es una propiedad intensiva (mide energía potencial/carga eléctrica) Si Ecelda > 0 la reacción es espontánea. 5 la electrólisis da: 2 NaCl (l) → 2 Na(l) + Cl2 (g) Cátodo (reducción): Ánodo (oxidación): 2Na+(l) + 2e– → 2 Na (l) 2Cl–(l) → Cl2 (g) + 2e– ----------------------------------------6 . La celda es activada por una batería o alguna fuente de corriente eléctrica continua. el cátodo es ( – ). NaCl. No metales en general Electrólisis de Sales Fundidas: Para la sal.0592 logQ n Celdas de Concentración: Son dos semiceldas hechas del mismo material pero con diferente concentración iónica.(NaCl) = 801ºC). A diferencia de las celdas galvánicas. Ecuación de Nernst: E = Eº − – 0. – Un agente reductor es más fuerte si su Ereducción es menos positivo (o su Eoxidación es más positivo) ya que así tendrá mayor tendencia a oxidarse. Ejm: Zn (s) / Zn2+ (ac. y la oxidación. en la de menor concentración (más diluido). y el ánodo. Metales en general O2. tomándolos del ánodo y llevándolos al cátodo.F. Na.1 M) // Zn2+ (ac. FEM y Cambio de Energía Libre: ΔG= −nFE Donde: F. en su estado fundido (P. ( + ). la que actúa como una bomba de electrones.Asesoría Universitaria TETRIX Agentes Oxidantes o Reductores: – Un agente oxidante es más fuerte si su Ereducción es más positivo ya que así tendrá mayor tendencia a reducirse.0592 CELDAS ELECTROLÍTICAS Se usa Energía Eléctrica para producir Reacciones REDOX no espontáneas. Cl2. Cu. 0. Al. 1 M) / Zn (s) Aquí la reducción ocurre en la semicelda de mayor concentración. ELECTROD O Cátodo Ánodo PROCES O Reducció n Oxidació n SUSTANCIAS MÁS COMUNES QUE SE OBTIENE H2. constante de Faraday = 96500 C/mol e– = 96500 J/V-mol e– Efecto de la Concentración sobre la fem de la celda. FEM y constante de equilibrio: ∆G = 0 y si ∆G = − nFE E=0 y Q=K logK = nEº 0. 2 moles de e– reaccionan con 1 mol de Cu2+. 1 mol de electrones.36 V Eº = – 1.Asesoría Universitaria TETRIX 2Na+(l)+ 2Cl–(l) → 2 Na(l) + Cl2 (g) • Nota: Para esta electrólisis. Cu2+(ac) + 2e– → Cu(s) significa que. 2 H2O(l) → 4 H+(ac) + O2 (g) + 4 e– . En cambio esta reacción se da rápidamente con una disolución 0. Por ejemplo: Al electrolizar una solución acuosa de NaCl. las reacciones posibles en el cátodo son: 2H2O (l) + 2 e– → H2 (g) + 2OH–(ac) . Eº = – 2. Ejm: Si en un cátodo ocurre. Eº = – 0. Eºcelda = – 2. Electrólisis del Agua: Si se somete a electrólisis agua pura. 7 . debería favorecerse la oxidación del agua.71 V Como el Eº de reducción del agua es mayor. LEY DE FARADAY: “La masa de una sustancia producida o depositada en un electrodo. Eº = – 1. denominado sobrevoltaje. los electrodos usados son inertes. Luego. aplicando un potencial adicional.36 V -----------------------------------------2H2O(l) + 2Cl–(ac) → H2 (g) + Cl2 (g) + 2OH–(ac) .1 M de H 2SO4 porque en ella hay suficiente cantidad de iones para conducir la corriente. Ánodo (oxidación): Cátodo (reducción): 2 H2O(l) → O2 (g) + 4H+(ac) + 4 e– 2(2 H2O(l) + 2e– → H2 (g) + 2OH–(ac)) -------------------------------------------------2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g) Electrólisis de Soluciones Acuosas: En este tipo de electrólisis se debe considerar si es el agua o el soluto el que se va a oxidar o reducir. Eº = – 0.83 V Ánodo: 2 Cl–(ac) → Cl2 (g) + 2e– . Eº = – 1.. por 1 mol de Cu2+ circulan 2 moles de e– . Por otro lado. pero en ciertas celdas electrolíticas se favorece la oxidación del Cl– (debido a factores cinéticos). Entonces las semireacciones serían las siguientes: Cátodo: 2H2O (l) + 2 e– → H2 (g) + 2OH–(ac) .23 V Como el Eº de oxidación del agua es mayor. es directamente proporcional a la cantidad de corriente que pasa a través de la celda”.19 V El Eºcelda hallado para la reacción anterior es el mínimo voltaje que se debe aplicar a la celda.83 V + – Na (ac) + e → Na (s) . se llama Faraday (F). se produce en el cátodo la reducción del H2O (l). las reacciones posibles en el ánodo son: 2 Cl–(ac) → Cl2 (g) + 2e. – La cantidad de corriente que requiere la celda. El agua puede oxidarse (forma O2 (g)) o puede reducirse (forma H2 (g)). Aspectos Cuantitativos de la Electrólisis: 1ra. no sucede nada porque no hay suficientes iones que transporten una buena cantidad de corriente eléctrica. interactúa con fotones de luz y usa su energía en la fotosíntesis. petróleo y gas natural. q = I x t . Esta energía solar fue capturada hace millones de años según la siguiente reacción de fotosíntesis de las plantas: clorofila 2800 kJ + 6 CO2 (g) + 6 H2O(l) C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) glucosa La clorofila. una disolución de iones Cu2+.8g − 96500C 1F 2mol e 1molCu PRINCIPALES FUENTES DE ENERGÍA QUÍMICA A. I = intensidad de corriente (A). A ↑ % de carbono e hidrógeno en el combustible ↑ valor energético.5g 45000C × × × × = 14.Asesoría Universitaria TETRIX 1 F = 96500 C = 1 mol de electrones – La unidad de carga eléctrica es el Coulomb (C). líquido y gaseoso. 8 . Al quemarse. t = 12. t = tiempo (s) Pasos que relacionan la cantidad de carga eléctrica utilizada en la electrólisis con las cantidades de sustancias oxidadas o reducidas. COMBUSTIBLES FÓSILES: Hulla. que es la cantidad de carga que pasa a través de un circuito determinado. un pigmento de las plantas. cuando en 1 segundo (s) se suministra una corriente de 1 Amperio (A). Corriente (amperios y tiempo) Cantidad de carga (coulomb) Moles de electrones (faraday) Moles de sustancia oxidada o reducida Gramos de sustancia oxidada o reducida Ejemplo: Se somete a electrólisis. donde.5 A. 3600 s = 2 e– → 1 Cu 2 mol 1 mol 1F 1mol e− 1molCu 63. La reacción catódica es: Cu2+(ac) + 2 e– → Cu(s) ¿Cuántos gramos de cobre se depositará en el cátodo? La carga eléctrica que pasa por el circuito es: 45000 C La reacción en el cátodo: 1 Cu2+ + Q = I .5 A . q = carga (C) . usando una corriente de 12. Tienen elevado Poder Calorífico (capacidad de liberar energía). Los combustibles fósiles son energía solar al estado sólido. durante una hora. el carbono se convierte en CO2 (g) y el hidrógeno se convierte en H2O. mediante procesos de combustión. No deja residuos de ceniza o metales pesados y produce 30% menos de dióxido de carbono que el petróleo y 43% menos que la hulla por Joule. principalmente metano. Es fuente de energía para autos. Como es líquido se puede bombear con facilidad desde su reservorio a la superficie. Es el combustible más abundante (90% de reserva mundial). El calor generado por la combustión de madera o hulla se usaba para evaporar agua y este vapor se usaba para mover pistones o turbinas. molinos. así como compuestos que contienen azufre. CH4. sin refinar. singas El Petróleo: El petróleo crudo. Este proceso ocurre por la técnica de destilación. 9 . camiones y para generar electricidad. por la que se separa o purifica calentando a su punto de ebullición. según el siguiente esquema: Conversión Hulla + vapor de agua mezcla compleja H2 y CO purificación mezcla de CH4. C2H6. Es así que se inventó la máquina de vapor. Consiste en la “gasificación de la hulla”. para luego colectar y condensar los vapores generados. de energía generada. * Gas Natural: • Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos. uno de los principales causantes de la lluvia ácida. La Convención – Cusco).Usado como combustible doméstico e industrial pero la minería subterránea de extracción es muy costosa. CH4. Yacimientos principales en el Perú: Aguaytía (Ucayali – Selva Central) y a orillas del río Camisea (prov. se produce una mezcla de hidrocarburos llamada “singas” (o gas sintético). H2 y CO gaseosos. propano. por lo que se inventó recursos para convertir esta energía (calor) en trabajo. C3H8 y butano. oxígeno y nitrógeno. difícil de controlar.Asesoría Universitaria TETRIX La Hulla: Es un material sólido que contiene hidrocarburos de ↑ peso molecular. La ventaja es que combustiona más completa y limpiamente que los otros. cicloalcanos y compuestos aromáticos que se formó por la descomposición anaeróbica de material vegetal o animal ocasionada por bacterias. Actualmente. C4H10. Esta energía mecánica se usó para mover bombas. TRANSFORMANDO LA ENERGÍA Los combustibles mencionados dan energía por medio de la combustión. En la refinación se separa en sus componentes individuales o en fracciones que contienen compuestos de propiedades similares. Al quemarlo libera SO2 (dióxido de azufre). con pequeñas cantidades de etano. pudiendo ser transportado por tuberías (oleoductos). botes y trenes. a se pulveriza y se trata con vapor de agua supercalentado. alquenos. es una mezcla compleja de alcanos. Luego se separan los compuestos que contienen azufre. Positrones (β+): representados también como +10e. Se representan como. pero con carga (+). Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número atómico Z (número de protones) pero pueden diferir en número de masa A. a inicios del siglo XX.Asesoría Universitaria TETRIX Posteriormente. T − T2 Eficiencia = 1 T1 = Temp. ambos desaparecen y se emiten dos fotones de radiación gamma. -10β. Su emisión transforma a un protón del núcleo en un neutrón. rayos beta y rayos gamma. más baja a la que el agua es enfriada (K) B. ya que pueden tener diferente número de neutrones (isótopos). Combustión Turbina Energía Potencial (enlaces Energía Eléctrica Energía Térmica Generador Energía Mecánica Energía y Eficiencia: No se puede convertir todo el calor en trabajo. Cuando un positrón choca con un electrón. Un núcleo con un número definido de protones y neutrones se llama “núclido”. e involucran: Partículas α: Son núclidos de 24 He = 24α. fenómeno denominado radiactividad. se comercializó la energía eléctrica. Su velocidad de emisión es mayor que las partículas α. más alta a la cual el vapor es calentado T1 (K) T2 = Temp. FISIÓN NUCLEAR COMO FUENTE DE ENERGÍA Radioactividad: En el núcleo atómico hay 2 tipos de partículas subatómicas: protones y neutrones (nucleones). Al positrón se le llama “antimateria” porque destruye al electrón. Se forman a partir de los protones del núcleo. La ineficiencia es inevitable. pueden ser frenadas por una hoja de aluminio de 1cm. Los radionúclidos (núcleos radioactivos) son inestables y emiten espontáneamente partículas y energía. son partículas que tienen la misma masa de los electrones. 10 . Tienen alta energía pero viajan escasos centímetros en el aire y son detenidos por capas relativamente delgadas de materia sólida. tienen mayor poder de penetración. Las emisiones de los radionúclidos son rayos alfa. Partículas β: Son electrones. Es así que se transforman de un núcleo inestable a uno estable con menor energía. disminuyendo su número atómico en 1. Estos rayos son los de mayor poder de penetración (pueden atravesar el cuerpo humano) y se necesitan capas de concreto y plomo para disminuir su poder de penetración. comparado con 30 kJ/g que genera la hulla. se liberan 286 kJ por mol de H2: H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O(l) + 286 kJ Significa que se libera 143 kJ/g . no contamina y es inextinguible. En el ánodo se oxida el hidrógeno gaseoso: 2 H2 (g) + 4 OH–(ac) → 4 H2O(l) + 4e– 11 . etanol con gasolina.Asesoría Universitaria TETRIX Rayos Gamma ( γ ): Son radiación electromagnética de una longitud de onda muy corta. Casi siempre acompañan a otra emisión. Pero los enlaces O – H en la molécula de agua son fuertes. es el “gasohol” (un combustible menos contaminante). Es fuente alternativa de energía renovable. Biogas. C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 La mezcla. Una alternativa es usar energía solar para descomponer el agua.8 kJ/g que genera el octano y los 54 kJ/g que genera el gas natural. Hulla + H2O(g) → CO(g) + H2 (g) CH4 (g) + H2O(g) → CO(g) + 3 H2 (g) Celdas de Combustión: El principio de una celda de combustión es el mismo de una celda común. Ejm: Madera (pero la quema de árboles agrava el problema del calentamiento terrestre). Otras formas de obtención de hidrógeno son a partir de la hulla y del metano. desperdicios sólidos de origen vegetal y animal los cuales son fermentados para producir este gas. debido a que representan la energía perdida cuando se reorganiza el resto de nucleones en una disposición más estable. C. La sustancia en estudio es el cloruro de tris(bipiridin) rutenio (Ru(bpy)3Cl2). los 47. tales como almidones o azúcares. Etanol (C2H5OH). El hidrógeno tiene un gran potencial como fuente de energía. es fotones de alta energía y se pueden representar como γ . Uso de la Energía Solar para la Obtención de Hidrógeno: Cuando el hidrógeno reacciona con el oxígeno para formar agua. Energía Solar: Disponible en casi todos los lugares del planeta. pero no puede ser usado como fuente de energía primaria porque su abundancia es muy pequeña en la naturaleza. el cual se forma a partir de carbohidratos. esto. FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA QUÍMICA Biomasa: Material producido por procesos biológicos. por lo que en la actualidad los científicos están investigando una sustancia capaz de ayudar a la luz solar a generar oxígeno e hidrógeno del agua. principales responsables del adelgazamiento de la capa de ozono. parte de la luz solar da UV. Como la composición del sol es de aproximadamente 73% de hidrógeno y 26% de helio. Un átomo de Cl puede destruir más de 100000 moléculas de ozono. no inflamables. pero en vez de hacerlo en forma de calor. Consiste en la combinación de pequeños núcleos para formar otros mayores con liberación de energía. solventes.Asesoría Universitaria TETRIX En el cátodo se reduce el oxígeno gaseoso: O2 (g) + 2 H2O(l) + 4e– → 4 OH–(ac) La reacción global de formación de agua. libera 286 kJ/mol. Poseen largos periodos de vida atmosférica. El principal problema es que se requieren temperaturas muy altas. El efecto 12 . Son incoloros. El ozono (O3) es una molécula que contiene tres átomos de oxígeno. llegue a la superficie de la Tierra. Fusión Nuclear: El sol genera cada segundo una cantidad de energía considerable. Clorofluorocarbonos (CFC). es de color azul y tiene un olor fuerte. el 70 – 75 % aparece como energía eléctrica. Son muy estables por lo que la lluvia no los puede disolver. La reacción responsable de esta energía se llama Fusión Nuclear. las moléculas de CFC liberan átomos de cloro. la cantidad total permanece relativamente constante. La capa del ozono absorbe más del 98% de radiación UV. Se usan como refrigerantes. razón por la cual es una fuente potencial de energía. QUÍMICA AMBIENTAL – Adelgazamiento de la Capa de Ozono: Los seres humanos. impelentes en spray. Sin embargo. agentes en el soplado de espuma. así. lo suficiente como para ser transportados por los vientos a la estratosfera. La producción directa de electricidad elimina las eficiencias asociadas con la conversión de calor en trabajo. Las fuertes radiaciones UV pueden lograr disociarlos. En todo momento las moléculas de ozono están constantemente formándose y destruyéndose en la estratosfera. etc. muchos tipos de plantas y otros animales sobrevivimos porque la delgada capa de ozono en la estratosfera evita que gran parte de la nociva radiación UV producida por el sol. bajos en toxicidad y baratos de producir. ya que se debe vencer la repulsión natural entre los núcleos para poder acercarlos y producir la fusión. se piensa que en su interior ocurren los siguientes procesos: 1 1 3 2 H + 1H → 2H + 1 1 0 +1 β 1 1 He + 1H → 4 He + 21 H 2 1 1 3 2 3 H + 2H → 2 He 1 1 He + 1H → 4 He + 2 0 +1 β Los productos de fusión no son radioactivos. El SO2. 13 . los dos que afectan significativamente el pH de la lluvia son: NO y SO2. formación de cataratas así como también se pueden producir alteraciones en el sistema inmunológico humano.0. CO2 (dióxido de carbono): Fuente Natural: Descomposición orgánica NO (óxido nítrico): Fuente Natural: Descargas eléctricas (rayos en las tormentas). reacciona con agua para dar HNO3 (ácido nítrico). causando efectos severos: La liberación de iones tóxicos. Este NO destruye también la capa de ozono. El NO reacciona con O2 (g) para producir NO2 (g). N2O y N2O5. el cual a su vez. originando la pérdida de árboles y daño de los cultivos. La acidez de la lluvia viene principalmente de la presencia de tres sustancias: CO2. plásticos y otros materiales. En adición. – Lluvia Ácida: El agua pura tiene un pH de 7.Asesoría Universitaria TETRIX es que el ozono es destruido más rápidamente que su velocidad de formación natural. los cuales son transportados en forma acuosa a quebradas y ríos. produciendo la liberación de muchos metales. Fuente NoNatural: Combustión de combustibles fósiles. Fuente No-Natural: Combustión interna (autos) SO2 (dióxido de azufre): Fuente Natural: Gases Volcánicos. en el abastecimiento de agua potable. y ciertos tipos de vida marina como el fitoplancton que a su vez podría alterar la cadena alimenticia marina. reacciona con el agua para formar H 2SO4 (ácido sulfúrico). La degradación de los suelos. NO y SO2. como el Al+3. dañan algunos cultivos. pero las actividades humanas han incrementado sus niveles. Estos óxidos se descomponen por la acción de la radiación solar y forman NO (óxido nítrico). Peligros del adelgazamiento de la capa de Ozono: Estudios epidemiológicos han mostrado que los rayos UV causan un tipo de cáncer a la piel. causante del 25% de la acidez de la lluvia. Efectos Ambientales de la Lluvia Ácida: Muchos lagos se han vuelto tan ácidos que han terminado con la vida de los peces. sin embargo la lluvia natural tiene un pH cercano a 5. a su vez. NO2. actuando como un catalizador y el NO2 es el intermediario. estos gases se encuentran en la troposfera. La pérdida de importantes minerales del suelo. De estos tres gases.6 (moderadamente ácida). como el Ca2+. Óxidos de Nitrógeno (NOx): NO. ácido causante del 75% de la acidez de la lluvia. Compuestos generados en forma natural en muy pequeñas cantidades. Los gases atmosféricos mayormente 14 . Los hidrocarburos son otro ingrediente del esmog fotoquímico. Estos reaccionan con NO para producir una serie de compuestos orgánicos volátiles conocidos como PAN (peroxiacetil nitratos). donde es dañino. Así. que atrapan calor y mantienen el interior a una temperatura mayor de la normal. lográndose una temperatura mayor que la que tendría si no hubiera atmósfera. Por consiguiente hay dos problemas con el ozono: cantidades excesivas en ambientes urbanos. Estos gases resultan de las reacciones de ciertos contaminantes atmosféricos y la fuerte radiación solar de tipo UV. aerosoles ácidos. es contaminante en la troposfera (nivel de la superficie). La lesión a los pulmones podría producir estrés al corazón. el nylon y las pinturas. y fatiga. debido a que estos gases actúan como los vidrios de invernadero.Asesoría Universitaria TETRIX Los contaminantes atmosféricos son fácilmente transportados por los vientos. y respirar aire con cantidades apreciables puede ser peligroso para quienes sufren de asma. Otras implicaciones a la salud podrían incluir deterioro del sistema inmunológico. Aunque es un filtro de UV indispensable en la atmósfera superior. Es un gas muy reactivo y tóxico. Otro componente del esmog fotoquímico es el ozono. – Esmog Fotoquímico: Es una mezcla de gases que forman una nube difusa de color amarillento-marrón sobre áreas urbanas. principal componente de la lluvia ácida ocasionando su erosión. El principal componente de estos materiales es el carbonato de calcio (CaCO3). compuestos orgánicos volátiles (COV o VOC por sus siglas en inglés). El término invernadero es usado para describir este fenómeno. ocasionando el calentamiento de la superficie de la tierra. Oxidantes fuertes como el ozono pueden causar daño a los pulmones. y agotamiento en la estratosfera. Sus componentes incluyen óxidos de nitrógeno (en general: NOx). Oxidantes como el ozono. Muchos gases de la atmósfera (como un colchón de nubes) absorben esta energía y la re-irradian otra vez a la superficie de la Tierra. El trastorno puede ser causado por exposición a grandes cantidades de contaminantes por períodos cortos. donde es vital. El daño a la salud podría ser peor en personas con problemas pulmonares y cardíacos. el cual reacciona con el H2SO4 (ácido sulfúrico). entonces los efectos pueden afectar aún a regiones lejanas de la fuente de emisión. y hacerlas más susceptibles. causando la formación de manchas marrones sobre ellas. reducir su desarrollo normal. y material particulado. Posibles Consecuencias: Puede causar irritación a los ojos y visibilidad pobre. – Efecto Invernadero: Gran parte de la energía absorbida en la superficie de la tierra (de los rayos solares) es irradiada de regreso como energía infrarroja (IR) térmica. pueden también corroer y destruir muchos materiales como el caucho. Edificaciones y monumentos en todo el mundo están hechos de mármol y caliza. hacen ejercicios y para los ancianos. Los oxidantes pueden matar las células de las plantas. y también por exposición crónica por períodos largos de tiempo. el calor que pudo haberse perdido hacia el espacio es atrapado. mayor susceptibilidad a infecciones. dióxido de azufre. Agua no apta para bebida. así como los glaciares. El exceso de materiales orgánicos biodegradables en el agua son perjudiciales porque agotan el oxígeno necesario para sustentar la vida normal. Las fuentes típicas de desechos que demandan oxígeno son las agua residuales. De hecho. Consecuencias del Efecto Invernadero: Los diez años más calurosos jamás registrados han ocurrido desde 1980. sales. estos materiales biodegradables se conocen como desechos que demandan oxígeno. por el incremento de los gases de efecto invernadero. América Latina es una de las regiones del mundo más afectadas. Virus. como Brasil y Uruguay. Las bacterias aerobias consumen oxígeno disuelto para oxidar materiales orgánicos y satisfacer así sus necesidades de energía. Es necesario para los peces y para muchas otras formas de vida acuática. podrán sufrir más sequías. Esto. los países del Atlántico. ya que han aumentado las sequías y tormentas tropicales. compuestos de metales tóxicos. – Contaminación del Agua: Las fuentes de contaminación del agua se pueden clasificar como sigue: Localizadas o Puntuales: º º º Industrias º Minería º Núcleos Urbanos Difusas: Utilización de fertilizantes y productos fitosanitarios Deposición de contaminantes atmosféricos Oxígeno Disuelto y Calidad de Agua: La cantidad de oxígeno disuelto es un indicador importante de la calidad del agua. Compuestos inorgánicos solubles en agua: Ácidos. y el material orgánico desaparece gradualmente. fábricas de papel. Los países de la costa del Pacífico. los desechos industriales de plantas procesadoras de alimentos. como el mercurio y el plomo. El material orgánico que las bacterias son capaces de oxidar es biodegradable. Esta oxidación ocurre a través de un conjunto complejo de reacciones químicas. como Perú. N2O y el Ozono (O3). Ecuador y Chile. están sufriendo lluvias e inundaciones. protozoos Desecho de alto DBO: Desechos orgánicos que al ser degradados por bacterias pueden consumir todo el oxígeno disuelto. CH4. el CO2. Principales Agentes y Tipos de Contaminación Acuática: Agentes Causantes de Enfermedades: Bacterias.Asesoría Universitaria TETRIX responsables de este efecto son el vapor de agua (H 2O). Otra consecuencia será el incremento del número de especies amenazadas en los bosques tropicales. Daño a la vida acuática. En cambio. y el efluente (desechos líquidos) de las plantas empacadoras de carne. van retrocediendo. 15 . Acelera la corrosión. Los nevados de la Cordillera de los Andes. pesticidas. bacterias. parásitos y sustancias tóxicas. plásticos. haciendo la vida acuática más vulnerable a enfermedades. metales tóxicos Sustancias Radioactivas: Radioisótopos solubles en agua o que son biomagnificados en la cadena trófica Puede causar mutaciones del ADN. gasolina. Compuestos Orgánicos: Aceites. detergentes Daño a la salud humana. daño genético Calor: Agua de refrigeración de industrias El aumento de la temperatura hace disminuir la concentración de oxígeno. peces y vida humana Sólidos Suspendidos: Partículas de suelo. sólidos orgánicos y sólidos inorgánicos Reduce la fotosíntesis Interrumpe cadenas tróficas Transportan pesticidas. Excesivo crecimiento de algas y plantas acuáticas (eutrofización). 16 . cáncer. fosfatos. Descomposición Consumen el oxígeno disuelto Muerte de organismos animales.Asesoría Universitaria TETRIX Nutrientes: Nitratos. los electrodos en la celda electrolítica son inertes. Escriba la ecuación de la reacción de equilibrio. a 150º c? (1. (0. 2. (6. (6. Calcule la corriente en amperios que se requerirá para producir 15 kg/h de NaOH. en un recipiente de 1L. asumiendo una eficiencia del 100%.0 P) Por sobre la temperatura ambiente el dióxido de nitrógeno (NO2 (g)) se encuentra en equilibrio con el tetraóxido de dinitrógeno (N2O4 (g)) . (2.0 P) e. (1. ¿cuál es el pH de la solución? 3.00272 17 Velocidad inicial (Ms–1) 5. Calcule el número de moles de NaOCl(ac) que se obtiene con las cantidades en b). responda a las siguientes preguntas relacionadas a la REACCIÓN DE DISOCIACIÓN.0 P) Una empresa química que fabrica productos de limpieza. disolviendo el Cl2 (g) en la disolución de NaOH(ac). así como la ecuación global balanceada.0 P) f.5 P) a.0 P) d. Justifique el hecho de que a 150 ºC el equilibrio está muy desplazado a la derecha.Asesoría Universitaria TETRIX EXAMEN FINAL QUIMICA 2 (2006 – 0) 1.57 x 10–7 . (0.5 P) (1.0 P) a. Los cálculos termodinámicos revelan que el proceso de disociación de N2O4 no es espontáneo a 25 ºC.5 P) b.5 P) (1. En base a la información dada y utilizando los datos necesarios. La cinética establece que la reacción de disociación ocurre en una sola etapa y que la energía de activación de la reacción inversa es 23 kJ/mol. ambos productos de la electrólisis de de la salmuera (NaCl(ac) concentrado). Dibuje el diagrama de energía potencial Vs.0 P) c. (1. Escriba las medias ecuaciones de oxidación y reducción.0 P) d. en cambio por encima de 140 ºC la mezcla es principalmente NO2 . avance de la reacción. mostrando el valor de la energía de activación. la reacción es: Cl2 (ac) + 2 NaOH(ac) → NaCl(ac) + NaOCl(ac) + H2O(l) (2. Escriba la ley de velocidad para la reacción. Si cada frasco de lejía tiene una capacidad de 200 mL y contiene 5. (1.2 g de NaOCl.0 P) El óxido de etileno (C2H4O). Calcule la constante Kp a 25 ºC. b. se descompone cuando se calienta para dar metano y monóxido de carbono C2H4O(g) → CH4 (g) + CO(g) Se observaron los datos cinéticos siguientes para la reacción a 688 K. experimen to 1 Concentración inicial de óxido de etileno (M) 0. obtiene lejía (NaOCl(ac)). c. cuando se colocan 0. ¿Qué porcentaje estará disociado el N2O4 .03 moles del mismo. (2. 5. c. Escriba la ley de velocidad. c. (2. desde el punto de vista ecológico? 7.0 0. durante La formación del “smog” 1) CO + OH → CO2 + H 2) H + O2 → HOO 3) HOO + NO → OH + NO2 a.010 M [Br-(ac)] = 0.0 P) (0. b. Obtenga del gráfico el valor de k. Determine el orden de la reacción.5 P) (1. Una celda de combustible y una central térmica producen energía eléctrica ¿Cuál es la ventaja de la primera sobre la segunda.100 0 5.080 4 10.051 9 b. utilizando el método gráfico.0 P) En una celda galvánica se lleva a cabo la reacción cuya ecuación sin balancear es: MnO4–(ac) + Br–(ac) + H+(ac) → Mn2+(ac) + Br2 (l) Calcule la fem de la celda para los siguientes condiciones [MnO4–(ac)] = 0. Si 1) es la etapa lenta y las demás son rápidas: i.0 P) Se propone el siguiente mecanismo para la reacción de transformación de NO(g) a NO2 (g). La descomposición del peróxido de hidrógeno acuoso en una concentración dada del catalizador proporcionó los datos siguientes.10 x 10–7 a. ¿Qué es la lluvia ácida y cómo se genera? b. Calcule la concentración del reactivo que se ha consumido al cabo de tres vidas medias. Escriba la ecuación de la reacción.0 M 6.064 8 15.0 0. 4. (2.Asesoría Universitaria TETRIX 2 (0.5 P) (0. ii. d.0 0. (2.0 P) a.0 0. compare este valor con el que se obtiene por el método analítico.5 P) (0. a la temperatura del experimento.0 P) 0. Calcule el kprom. (2.5 P) 18 .010 M [Mn2+(ac)] = 0. ¿Cuál (cuales) es (son) el (los) intermediario(s)? Identifique el catalizador.15 M [H+(ac)] = 1. a una determinada temperatura Tiempo (min): [H2O2] (M): 0. ¿Cuál es la molecularidad de la etapa lenta? a.00544 11. Verifique que la reacción es de primer orden. c. b. 5 P) d. F = 96500C 0. Dibuje el diagrama energía potencial vs.51 Ecuaciones integradas de velocidad 19 .Kw = 1 × 10−14 Potenciales estándar de reducción. (0.83 +1.36 +1.Asesoría Universitaria TETRIX (0. ¿Por qué en algunos casos se prefiere catalizar una reacción que llevarla a cabo a alta temperatura? La catálisis encarece el producto. a 25 ºC Electrodo H+ (ac) / H2 (g) H2O(l) / H2 (g) / OH (ac) Br2 (l) / Br (ac) O2 (g) / H+ (ac) / H2O(l) Cl2 (g) / Cl (ac) MnO (ac) / Mn (ac)H ac [A]o = kt [A] [A]o − [A] = kt ln 1 1 − = kt [A] [A]o Otros datos q = i × t .5 P) c. i.07 +1. ∆Hº = (–) muestre las energías de activación de la reacción catalizada y sin catalizar.23 +1.059 E = Eº − logQ n − 4 2+ + − − − Gases que lo conforman Eº (V) 0. Complete la siguiente tabla: Fenómeno Smog fotoquímico Efecto invernadero Datos: Constantes de Equilibrio ∆Gº = −RT lnQ Kp = Kc(RT)∆n K ∆Hº T2 − T1 ln 2 = R T1 T2 K1 Ka = 3 × 10−8 (HClO). avance de la reacción para la reacción: A → Productos.0 -0. ii. 987 = 8.Asesoría Universitaria TETRIX R = 0.314 molK molK molK 20 .082 L − atm cal J = 1. ∆H0 0 ∆HRx = 0 ∆HRx = [ 2 × 33.314 ⋅ 10−3 ⋅ 298 ⋅ ln kp ⇒ Kp = 0. se favorece el sentido de la reacción endotérmica.66] ⇒ ∆H0 = 57.1763 c.03 − x) NO2 = (2x)M 4x2 + 5.3kJ Luego.524 ⋅ 10−4 ) = 0 Resolviendo la “ecuación cuadrática”. Se debe hallar Kc . Ecuación de la reacción de disociación del N2O4 : N2O4(g) ←→ 2NO2(g) b. por consiguiente.3 = −8.03 mol X ------0. x = 0.03 − x)M 2 NO2 ⇒ 5. produciendo más del NO2 . con ∆n = 1.03 – x . Al elevar la temperatura.082 ⋅ 423) Luego. a 150 ºC: Kp 0.Asesoría Universitaria TETRIX SOLUCIONARIO SEGUNDO EXAMEN DE QUÍMICA 2 (2006 – 0) 1. ------------2x 2x En el equilibrio: N2O4 = (0. Se determina ∆G0 para la reacción.7] ⇒ ∆GRx = +4. Kp: ∆G0 = R ⋅ T ⋅ ln kp 4.08 ⋅ 10−3 = (2x) Kc = N2O4 (0. d.24 kJ Rx ∑ ∆H 0 f(PROD) − ∑ ∆H0 f(REAC) La reacción es ENDOTÉRMICA. para la constante de equilibrio.0101 21 .08 ⋅ 10−3 x + (−1. N2O4 ←→ 2NO2(g) INICIAL REACCIONA SE PRODUCE EN EQUILIBRIO 0. Se determina el “calor de reacción”.85] − [ 9. el equilibrio está más desplazado hacia la derecha. 0 0 0 ∆GRx = ∑ ∆GPROD − ∑ ∆GREAC 0 0 ∆GRx = [ 2 × 51] − [ 97.03 moles de N2O4(g) iniciales.1763 Kc = = ⇒ Kc = 5. a.08 ⋅ 10−3 ∆n 1 (R ⋅ T) (0. con 0. 7 mol mol 2. Ea = 23 + 57.5moles ⋅ NaOCl 40g ⋅ NaOH 2mol ⋅ NaOH 22 . Diagrama Energía potencial vs.75 % % disociación = α × 100 ⇒ f.03 − 0.0101 = = 0. Grado de disociación es. En la electrólisis de una salmuera se dan las siguientes reacciones: NaCl(ac) Na+(ac) → Na(s) Cl–(ac) → Cl2(g) Oxidación: 2 Cl–(ac) → Cl2 (g) + 2e– Reducción: 2 e– + 2H2O(l) → H2 (g) + 2OH–(ac) Reacción Global: 2Cl–(ac) + 2 H2O(l) → Cl2(g) + H2 (g) + 2 OH–(ac) b. se trata de una reacción ELEMENTAL: N2O4(g) ←→ 2NO2(g) Ley de velocidad: V = k N2O4 . Ea = 23 kJ / mol .24 kJ / mol kJ kJ Además. avance de la reacción. ∆H0 = +57. EREACTANTES = 9. Cl2(g) + 2NaOH(ac) → NaCl(ac) + NaOCl(ac) + H2O(l) moles ⋅ NaOCl(ac) = 15000g ⋅ NaOH × 1mol ⋅ NaOH 1mol ⋅ NaOCl × = 187.24 = 80.66 . donde a = 1 V = k N2O4 .08A 3600s t 1h × 1h c.24 kJ / mol (Rx. para la reacción inversa De (c). En 1 hora: − − − = 15Kg ⋅ NaOH × 1000g ⋅ NaOH × 1mol ⋅ NaOH × 1molOH × 2mol ⋅ e moles ⋅ e 1Kg ⋅ NaOH 40g ⋅ NaOH 1mol ⋅ NaOH 2mol ⋅ OH− moles⋅ e. EPROD = 67. α= nreacciona 0.5075 ninicial 0.=375 moles⋅ e− 96500C q = 375moles ⋅ e− × = 36187500C 1mol ⋅ e− q 36187500C i= = = 10052. a.0101 50. ENDOTÉRMICA) Para la reacción directa. reacción de orden 1 a g.Asesoría Universitaria TETRIX e. Como la reacción ocurre en una sola etapa. y . 5g = 0.00068 M 23 .00272) = 0.35M 0.57x10-7 = k(0.35 – x [ [ [ [ ]o ]Rx ]forma ]eq x x x x Kw 1 × 10−14 x2 = = 3.10x10-7 = k(0.47 pH = 14 – pOH = 10. 42 × 10−4 M Ka 3 × 10−8 0.35 − x pOH = –log(3.05x10-4 kprom = 2.57×10−7 ( 0.05x10-4 Experimento 2: 11.00272) = 11. NaOCl(ac) Na+(ac) OCl–(ac) 1mol ⋅ NaOCl 74.00544) k = 2.10×10−7 ( 0.42 x 10–4) = 3. Experimento 1: 5.00544) m m 0.2L + H2O(l) HOCl(ac) + OH–(ac) 512g ⋅ NaOCl × NaOCl o = OCl–(ac) 0.33 × 10−7 = ⇒ x = OH− = 3.05×10−4 =2.00544) = 0.53 Kh = 3. A 3t1/2 la concentración de reactivo que queda es: [A] = 1/8 [A]o Se ha consumido también: [A]consumido = 1/8[A]o En el experimento 1: [C2H2O4]consumido = 1/8 [C2H4O]o = 1/8 (0. La ley de velocidad es: V = k[C2H4O]m 5.05×10−4 +2.00034 M En el experimento 2: [C2H2O4]consumido = 1/8 [C2H4O]o = 1/8 (0.35M x 0.Asesoría Universitaria TETRIX d.5) m → m=1 V = k[C2H4O] Orden de reacción: 1 b. C2H4O(g) → CH4(g) + CO(g) a.00272) k = 2.5= ( 0.05×10−4 s−1 2 c. Asesoría Universitaria TETRIX 4.7364 − (−2.0804 ln [H2O2]: -2.3026 ln o k= [A] o ln [A] [A] k= t t Para un tiempo de: t = 5 min -2.5 Si la reacción es de primer orden.043min Método Analítico: 10 .0434min−1 10 Para un tiempo de: t = 15 min 24 5.0519 ln[A] −2. Para una ecuación de primer orden se cumple la fórmula: ln[A] = ln[A]o – kt Entonces tenemos que graficar: ln[A] vs. t Tiempo (min):0.0 .0648 =0.5207 -2.0 0. a.0648 -2.100 ln 0. k = −m= − =0. se debe usar la ecuación de la recta.9584 ln 0.0 10.7364 0.7364 15.5207 -2. se cumple: [A] -2.0 5.1000 0.9584 0.5207) −1 b.0 [H2O2] (M): 0.0804 =0.3026 -2. Para aplicar el método gráfico.100 -2.0436min−1 k= 5 Para un tiempo de: t = 10 min k= 0. Molecularidad de la etapa lenta: 2 (o bimolecular) 7. 25 . HNO3 (ácido nítrico) y H2SO4 (ácido sulfúrico). b. La lluvia ácida es cuando el pH de la lluvia se vuelve ligeramente ácido.0436+0. 1) CO + OH → CO2 + H 2) H + O2 → HOO 3) HOO + NO → OH + NO2 Reacción Global: CO + O2 + NO → CO2 + NO2 b. los cuales no afectan a nuestro medio ambiente.059 (0.100 ln 0. 44V − 6.Asesoría Universitaria TETRIX 0.059 logQ n 0. NO y SO2. entonces usamos la ecuación de Nernst: E =Eº − 0.07 V + 1.0434+0. El catalizador es el que aparece en la reacción primero como reactivo y luego desaparece como producto: Catalizador: OH i.51 V = 0.308V 10 (0. Los intermediarios son: H y HOO c.010)10 ×(1.44 V Pero como las condiciones no son estándar.0519 =0. V = k[CO] [OH] ii.010)2 E = 0. El problema de estos combustibles fósiles es que producen gases tales como el SO 2 y el CO2 causantes de daños ambientales como la lluvia ácida. Estos gases al reaccionar con el H 2O de la lluvia producen los ácidos: H2CO3 (ácido carbónico).0)16 ×(0. a.0437min-1 k= 15 0. respectivamente. a. generalmente debido a la presencia de 3 sustancias (gases): CO2.0437 = 0. Para que una central térmica produzca energía eléctrica necesita de la combustión de un combustible fósil usado para evaporar el agua cuya energía se va a convertir en energía eléctrica.15)2 log = 0. Por otro lado.0436min−1 3 kprom = 5. una celda de combustión produce agua a partir de H 2 y O2. MnO4-(ac) + Br –(ac) + H+(ac) → Mn2+(ac) + Br2 (l) Oxidación: (2Br–(ac) → Br2(l) + 2e–) x 5 Reducción: (5e– + 8 H+(ac) + MnO4–(ac) → Mn2+(ac) + 4H2O(l)) x 2 Reacción Global: 10Br-(ac) 16 H+(ac) + 2MnO4 − (ac) → 5Br2 (l) + 2 Mn2+(ac) + 8H2O(l) Eocelda = Eºoxid + Eºred = − 1. Gases que lo conforman Óxidos de nitrógeno (NOx).Asesoría Universitaria TETRIX c. N2O y O3. Efecto invernadero H2O(g). CO2. Fenómeno Smog fotoquímico volátiles. aerosoles ácidos y material particulado. Energía d. 26 . Mientras que si se lleva la reacción a altas temperaturas necesitamos de un combustible cuyos gases emanados de la combustión podrían ocasionar peligros ambientales. sino tan sólo disminuyendo la energía de activación. i. compuestos orgánicos SO2. CH4. Porque el catalizador acelera la velocidad de la reacción no necesariamente aumentando la temperatura de la reacción. II. etc. determine para la reacción: a.Cada pregunta tiene espacio suficiente para su desarrollo en forma limpia.0 × 10−5 Usando esta información.050M y [ B] 0 = 0. con los resultados que se indican: Experimen to 1 2 3 [ A] 0 (M) 0.5 p) la magnitud y unidades de la constante c. lápices borradores.100 0. ordenada y legible. Esto se consigue en el convertidor catalítico.100 0.0 × 10−5 16. (0.200 V0 (Ms−1) 4. representada como A + B → productos. que participan en la formación del “smog fotoquímico” son los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos que no sufren combustión. b.Asesoría Universitaria TETRIX EXAMEN FINAL QUIMICA 2 (2007 – I) INSTRUCCIONES: I. Antes de que sean enviados a la atmósfera. es necesario eliminar estas emisiones del motor.100M. ¿la ley de velocidad sería igual o diferente a la determinada en (a)? Justifique. III.Para completar puntaje. Se midió la velocidad inicial de una de las reacciones que ocurren en el convertidor. . . (0.Toda la información auxiliar necesaria se encuentra al final del tema de examen.0 × 10−5 4.5 p) el dibujo del diagrama de energía. (1 p) la velocidad inicial.100 0. (2 p) Un ingeniero está supervisando una obra en un Pueblo Joven cercano al mar (ambiente muy húmedo) y encuentra una viga de hierro. (4 p) Dos componentes de los gases de escape de los automóviles. d. __________________________________________________________________________ 1. EL INCUMPLIMIENTO DE ESTAS INSTRUCCIONES NO SERÁ MOTIVO DE RECLAMO. que el mecanismo es en 2 etapas y que la primera es la etapa lenta. La prueba consta de 6 preguntas de las cuales debe resolver sólo 5 de ellas. Está prohibido el uso de corrector líquido y celulares así como el préstamo de calculadoras. cuando [ A] 0 = 0. sabiendo que la reacción es exotérmica. (1 p) la ecuación o ley de velocidad y el orden total. 2. no puede desarrollar parcialmente ninguna pregunta. e. tenga en cuenta que: . para diversas concentraciones iniciales de A y B. (1 p) si la reacción propuesta se realizara en un solo paso o etapa elemental.100 0.200 [ B] 0 (M) 0. (4 pts) a. 27 . ZnO. ii. (1 p) ¿Cuál es el proceso más espontáneo?. que contiene óxido de zinc. recomienda el uso de soluciones de hipoclorito de sodio. La reacción neta es. La Empresa AQUACHLOR está desarrollando un equipo de fácil tecnología para producir soluciones de hipoclorito de sodio. AQUACHLOR realizará una serie de experimentos que conducirán a establecer la ficha técnica del equipo. (0.25 p) Transcurrido un período largo de tiempo. fijado al techo con una placa de cobre. HgO.Asesoría Universitaria TETRIX Fe. y una fuente de voltaje de 9.0 V. (2 p) La batería de mercurio. forma ácido hipocloroso. Que a su vez se convertirá en hipoclorito de sodio.40 ii. Para ello. Cl2.07 g/mL). i. al estar en contacto con el agua. Escriba las ecuaciones de las semirreacciones y la ecuación iónica global. respectivamente. El ingeniero pronostica que allí ocurrirán procesos electroquímicos espontáneos. El gas cloro. usarán una solución acuosa de NaCl al 3% en peso (d=1. en contacto con un electrolito fuertemente alcalino (básico). para marcapasos es una celda galvánica que consta de un ánodo de zinc. El volumen total de la solución es de 28 . (0.44 + 0.0. para desinfectar el agua de consumo humano.35 V. iii. usando los siguientes datos: Electrodo Cu2+(ac) / Cu(s) Fe2+(ac) / Fe(s) O2(g) / H2O(l) / OH1(ac) Potencial estándar de reducción. y óxido de mercurio. mediante la electrolisis de una solución de NaCl.5 p) ¿en qué momento dejará de funcionar la celda en el marcapaso? 3. (0. (0. (4 pts) La Organización Mundial de la Salud (OMS). si la concentración de los iones involucrados es 0. Tenga en cuenta que las sustancias al estado sólido no se ionizan. ¿cuál de los dos metales habrá sufrido mayor deterioro? b. Zn. Zn(s) + HgO(s) → ZnO(s) + Hg(l) El potencial estándar es 1. Hg. HClO. i. a 25º C. Utilice el método del Iónelectrón.2 M? iii. a 25ºC (V) + 0. ¿qué voltaje se leerá en un voltímetro. Cu.5 p) Calcule el trabajo eléctrico (w) que produce la batería de mercurio. (1 p) Escriba las ecuaciones balanceadas de las semirreacciones de oxidación y reducción. NaClO.75 p) Para el proceso llevado a cabo en el laboratorio. con electrodos de Ti. en kJ. producido.34 . agente responsable de la desinfección. 0. necesario para agotar la celda electrolítica.5 p) Si el proceso se realizara en la Sierra. c. (0. Escriba la ecuación de la reacción que ocurre al adicionar: 29 .42 y sabiendo que el Ka es 3. a 15º C. mostrando los respectivos pares conjugados. siendo importante conocer la proporción entre ácido hipocloroso y el ión hipoclorito ClO1–. H2NOH.5 p) Si se observa que trabajando a 25º C el pH de la solución es 4. es: Cl2(g) + H2O(l) → HClO(ac) + Cl1-(ac) + H+(ac) 4. (1. determine el valor de la constante de equilibrio. a. según: Cl2(g) + H2O(l) → HClO(ac) + Cl1-(ac) + H+(ac) Por esta razón. H3NOH+Cl-.96 kJ/mol. (4 pts) Se ha observado que la producción de Cl(g) es menor de la esperada. (0. en esta electrólisis. (1. 0. e. f. a qué temperatura recomendaría trabajar. disminuye o no varía)? Justifique. La reacción de formación del ácido hipocloroso. expresado en g/hora. (0. c. ¿qué tipo de solución se obtiene? Señale una característica de este tipo de soluciones. debido a que el Cl2(g) formado reacciona con el agua produciendo ácido hipocloroso. Na. producido hasta agotarse la celda. para una misma concentración inicial de HClO. HClO. el equipo técnico analizará el comportamiento del proceso de ionización del ácido hipocloroso. y no. d. catódica y global.25 p) el cálculo de la concentración del ácido hipocloroso que se podría producir por cada hora de uso de la celda electrolítica. b. y se hace pasar una corriente de intensidad 5. aplicando la teoría de Bronsted-Lowry. (0. (0. (0. teniendo en cuenta una eficiencia de 80%. ante las variaciones del pH de la solución.5 p) la razón por la cual. a ficha técnica debe contener: a.5 p) Escriba la ecuación de ionización del ácido hipocloroso. se produce gas H2 . b. d. e.5 p) El número de moles de gas H2.5 p) Si el proceso es más favorable cuando la concentración del H 3O1+ es menor. 5. y la proporción HClO a ClO1-.Asesoría Universitaria TETRIX 5. sabiendo que la entalpía de reacción de ionización es de 14.0 p) el tiempo total. sodio metálico. determine cuál era la concentración inicial del HClO. Los electrodos se sumergen en la solución salina. (0. c.75 p) Las respectivas reacciones anódica . en el equilibrio iónico.1 X 10-8).0 A. ¿qué ocurre con el valor del pH de la solución de hidroxilamina.2 M (Kb = 1. (4 pts) Si se tiene 250 mL de una solución acuosa de hidroxilamina.2 M. (1. a 15º o a 25º C.0 p) Determine el pH de la solución cuando se trabaja a 15º C. a.7 x 10-8. y con su grado de ionización? (aumenta. y se le añade 350 mL de una solución acuosa de cloruro de hidroxilamina. considerando la concentración inicial hallada en b.0 p) el flujo de gas cloro por hora.0 L. b. (1. HCl a la mezcla formada.2 M . en Bonn. complete la siguiente tabla. Venezuela : 100% combustibles fósiles.5 p) En su opinión.2 M. Bolivia : 63% petróleo y gas natural / 37% energía hidráulica. d. Paraguay : 40% biomasa (leña) / energía hidráulica / importan 100% petróleo que consumen Perú : 80% energía hidráulica / 20% combustibles fósiles / gas natural. en mayor escala: País. 6. ¿cuántos moles de sal se formarían? ¿la sal formada sufre hidrólisis? Justifique. 0. para sustentar qué país contribuye en menor escala a los problemas ambientales y cuál. KOH ii. se le hubiese agregado 20 mL de solución acuosa de HCl 0.0 p) Indique dos sustancias que contribuyen: i. Si a 50 mL de una solución acuosa de hidroxilamina. obtuvo la siguiente información sobre las principales fuentes de energía. en escala País . (1. Brasil : 85% energía hidráulica/10% gas natural.Asesoría Universitaria TETRIX i. (4 pts) El crecimiento económico de los países desarrollados y de los en vía de desarrollado. Uruguay : 60% petróleo importado / gas natural. Alemania. en nuestro país. los cuales van desde el tratamiento de suministros de agua hasta procesos industriales que generan productos o subproductos dañinos para el ambiente. escala en menor Ventaja – Fuentes (2) Efectos sobre ambiente (2) el medio mayor Desventaja – Fuentes Efectos sobre (2) ambiente (2) el medio b. A la lluvia ácida. al efecto invernadero ii. (2. energía nuclear/5% etanol (caña azúcar) Chile : mayor % gas natural y carbón / menor % energía hidráulica. ¿cómo se podría mejorar o disminuir los problemas que contribuyen a contaminar el medio ambiente? 30 . en: • • • • • • • • Argentina : 75% petróleo y gas natural / 25% energía hidráulica. 178 naciones firmaron un tratado basado en los Protocolos de Kyoto.5 pts) en su cuadernillo de examen. (0. a. Tome como referencia la información sobre las fuentes de energía. Una comisión. c. H2NOH. constituida por representantes de los países latinoamericanos para estudiar los mismos problemas. En Julio del 2001. depende en grado crítico de los procesos químicos. 359 V 31 .314 J/( mol Cl 35.714 V – 0.5 q = i× t Cl2 71 1 F = 96500 C/mol 0 εreducción – 2.Asesoría Universitaria TETRIX Datos: Masas molares (g/mol): Na 23 ∆G = w = − n ⋅ F ⋅ ε e− k1 ∆H T1 − T2 = k2 R T1 T2 ⋅ K) ln ELECTRODO Na1+(ac) / Na(s) H2O / H2(g) Cl2(g)/ Cl1–(ac) PV = nrt R=0.082L–atm/(mol ⋅ K) = 8.5 0.828 V + 1.0592 E = E0 − logQ n NaCl58. 1)b ………. se obtienen. se cumple que las potencias de las en la expresión de la v. El proceso más espontáneo es el que proporciona el mayor potencial: − 1− .1)a ⋅ (0. De la ley de velocidad. a = 2 y b = 0.2)a ⋅ (0. (III) resolviendo el sistema (I). Siendo la ecuación: A + B → P La expresión de la velocidad es: v = k ⋅ A ⋅ B ∴ la ley de velocidad será diferente. Para la reacción indicada: v = k ⋅ A B −5 4 × 10 = k(0. en (I) 4 × 10−5 = k(0. b=0 .1)2 ⇒ k = 4 ⋅ 10−3 M−1 ⋅ s−1 c. e. (I) experimento 1 : 4 × 10−5 = k(0. (II) y (III). E0 = +0.2)b ………. a=2 2 ∴ la Ley de velocidad es: v = k ⋅ A y el orden de la reacción es: a + b = 2 (orden 2) b. a. 40V Reducción { O2 + 2H2O + 4e → 4OH Oxidación { 4Fe (s) 2+ + 4Fe(ac) + 4e .1)b ………. son iguales a los coeficientes estequiométricos respectivos. (II) experimento 2 : experimento 3 : 16 × 10−5 = k(0.Asesoría Universitaria TETRIX SOLUCIONARIO SEGUNDO EXAMEN DE QUÍMICA 2 (2007 – I) 1. d e l a r e a c c i ó n i. Sustituimos. a. Para una reacción elemental. v = k ⋅ A 2 a b ⇒ v = 4 ⋅ 10−3 ⋅ (0.050)2 = 10−5 M ⋅ s−1 d. 2 0 E ∆H c u r s o 2. 44 V -----------------------------32 --------------------- . E0 = 0.1)a ⋅ (0. 84V ii.84 − ⋅ log(8 ⋅10−3 ) = +0. El trabajo eléctrico ∆ G = W = −n ⋅ F ⋅ E Siendo : n = # e− transferidos = 2 mol e− F = 96500 C/ mol e− E = 1. Se electroliza una solución de Na Cl: En el ánodo. E0 = +0. 0 EPILA = +0. cuando los reactivos se consuman ( Zn(s) y HgO(s) ) 3. i. Comparando los potenciales de oxidación.871V 4 iii.0592 E = +0. Dejará de funcionar la celda. Balanceando por el método ión–electrón: Zn(s) ZnO(s) → En el ánodo: (oxidación) En el cátodo (reducción) Zn(s) + 2OH1− ZnO(s) + H2 O(l) + 2e− → (ac) HgO(s) Hg(l) → 1− HgO(s) + H2O(l) + 2e− Hg(l) + 2OH(ac) → ii. hay oxidación: 2Cl1− Cl2(g) + 2e− → (ac) En el cátodo. hay oxidación: 1− 2H2O(l) + 2e− H2(g) + 2OH(ac) → La reacción global es: 33 . b.35 V W = 2 × 96500 C/ mol e− ⇒ W = 206550 J W= –206.2)2 ⋅ (0. Siendo la reacción neta de la celda galvánica: 2+ 1− 2Fe(s) + O2(g) + 2H2 O(l) → 2Fe(ac) + 4OH(ac) Q = Fe+2 ⋅ OH1− = (0.2) = 8 ⋅ 10−3 n = # electrones transferidos = 4 Luego. el de Fe(s) .0592 E = E0 − ⋅ logQ n 0. será el Fe(s) quien se deteriore más en el tiempo. a. es el mayor: 2+ Cu(s) → Cu(ac) + 2e− . para el potencial de la celda: 0.Asesoría Universitaria TETRIX 2+ 1− 2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l) → 2Fe(ac) + 4OH(ac) .34 V 2+ Fe(s) → Fe(ac) + 2e− 2 . E0 = −0. 44 V Luego.55 kJ iii. 4 horas.372mol H2 71g Cl2 1 mol Cl2 f.83V La reacción de reducción del Na+ es poco probable porque su E0 es muy negativo ( ∆ G>0. %mNaCl = Y como × 100 ⇒ m = 160. al cabo de 18. 4 h 5. 1 mol de NaCl contiene 1 mol de átomos de Cl. es más no espontáneo) e. 4g⋅ Cl2 × × = 1.297gCl2 / h c.297 g de Cl2 .5 g ⋅ × × × 58.62gCl2 / h 100% × 80% = 5.62 × × − h 96500C 1F 2mol e 1mol Cl2 h y con una eficiencia de 80% 6. es 5.07 × 5000 = 5350 g.71V 1− 2H2O(l) + 2e− H2(g) + 2OH(ac) .5 gNaCl 1 mol NaCl 2 mol átomos Cl luego. 4g⋅ Cl2 = 18. + − Cl2(g) + H2O(l) H Cl O(ac) + H(ac) + Cl(ac) → 1 mol Cl2 1 mol HClO 5. 4g Cl2 1molCl2 mNaCl × 100 ⇒ 3 = mNaCl 1 mol Cl2 1 mol NaCl 1 mol átomos Cl 160. 71gCl2 ⋅ = 97.0746 mol HClO 71g Cl2 1 mol Cl2 En un volumen de 5 L: 34 . De acuerdo con la reacción global.297g⋅ Cl2 ∴ la celda se agotará al consumirse todo el cloro. que se produce: gCl2 C 1F 1mol e− 1mol Cl2 71g Cl2 1800 × × = 6. Siendo la reacción de formación del H Cl O. Por cada hora se produce 5. d. como el flujo de Cl2 .Asesoría Universitaria TETRIX 2H2O(l) + Cl 1− H2(g) + Cl2(g) + 2OH1− → (ac) (ac) b.5g NaCl msol 5350 . Solución La solución es al 3% de Na Cl. Como se electroliza durante t = 1 h = 3600 s Q = I × t = 5 × 3600 = 18000 C hallamos la masa de gas cloro. Cl2(g) . Debemos hallar la cantidad de cloro disponible a partir de la disolución de Na Cl: m = d × V = 1. E0 = −2. Las posibles reacciones en el cátodo son: Na1+ (ac) + e− Na(s) → .297g Cl2 × × = 0. → E0 = −0.297 g⋅ Cl2 / h : 1h × 97. 1 mol Cl2 1 mol H2 97. ka = HClO −5 Siendo.Asesoría Universitaria TETRIX Molaridad = nSTO 0.7 ⋅ 10−8 . 8 ⋅ 10 ) (3.42 ⇒ pH = − log H3O ⇒ H3O = 3. H Cl O H Cl O Á C (ac) + H 2O R 1 ( l) → ← C l O E 2 B P A A R 1− (ac) + HZ O E 2 1 Á C 1+ (ac) I D O B 1A S S I D O 2 P A b. HClO 0 = 3. R = 8.96 Para kJ kJ −3 .0 ⋅ 10−8 −8 3. Inicial : Reacciona HClO = C : x HClO + H2O ←→ ClO1− + H3O1+ C x ---C–x ------x x ------x x Inicial Se ioniza Se produce En equilibrio + + −5 Como. Reacción de ionización del ácido hipocloroso. a.96 288 − 298 ln = ⇒ Ka = 3. 8 ⋅ 10 ) ⇒ C = 3. K ∆H T2 − T1 ln 2 = ⋅ R T1 ⋅ T2 K1 Ka 14. −5 −5 ClO1− H3O+ ⇒ 3.0746mol = ⇒ M = 0.9 ⋅ 10 M 35 . T1 = 25º C K a = 3. 9 ⋅ 10−2 M KA = C HClO HClO x = = 1mol Y la proporción entre H Cl O y ClO1− .015 M VSOL 5L H + 4.7 ⋅ 10 8. pH = 4.314 ⋅ 10−3 288 ⋅ 298 ClO− H3O+ d. Siendo ∆H = 14.7 ⋅ 10−8 = (3.314 ⋅ 10 mol ⋅ K mol ⋅ K ka = ? T = 15 ºC . C − x ≈ C . es: K a = 1− ClO x 1mol c.8 ⋅ 10 = x dado que x es muy pequeño. el pH disminuye.2 H2 NOH x = 5. se cumple la reacción de ionización de la base débil. donde se obtiene. 0.2 ------x x ------x x H3 NOH+ OH− ⇒ 1.1 ⋅ 10−8 = x ⋅ x ⇒ x = 1. H3 NOH1+ + OH1− H2 NOH + H2 O → ii.2 M (ó H3 NOH 0.35 = 0. hallamos el pH de la solución de H2 NOH . 47 + −8 e. 42 ⋅ 10−5 = H3O+ 3. con ka = 3 ⋅ 10 . 98 ⇒ pH = 10. Al adicionar una solución de KOH.Asesoría Universitaria TETRIX 3 × 10−8 = x⋅ x ⇒ x = 3. 0. pOH = − log(1. cuya principal característica es la impedir la variación del pH. α1 = n = M × V = 0.07 molH3 NOH1+ ocurrirá el efecto del IÓN COMÚN: H2 NOH + H2O ←→ H3 NOH+ + OH− por el principio de Le Chatelier.2 M. el equilibrio va a al IZQUIERDA.2 M H2 NOH + H2O ←→ H3 NOH+ + OH− Inicial Se ioniza Se produce En equilibrio 0. será el ácido del amortiguador quien lo hace reaccionar. Primero.2 Cuando a 250 mL de esta solución ( n = M × V = 0. es decir una solución de H+ . Al adicionar una solución de HCl. c. 42 ⋅ 10−5 ) ⇒ pH = 4. es decir una solución de OH1− . a.9 ⋅ 10−2 pH = − log(3. Como se obtiene una mezcla de: Una base débil: H2 NOH 0. b. +1 se añade 350 mL de sol de H3 NOH .25 = 0. + 1+ H2 NOH + H H3 NOH . será la base del amortiguador quien lo hace reaccionar. → 36 . Se recomienda trabajar a 15 ºC.05 ⋅ 10−4 ) = 3.02 .2 M X ---0.2 × 0. la basicidad disminuye. y 1+ Una de sus sales: H3 NOHCl 0. y .2 × 0.2 M .25 ⋅ 10−4 0. En la disolución buffer. H2 NOH + H2O ←→ H3 NOH1+ + OH1− i.2 M) Se trata de una solución BUFFER O AMORTIGUADORA.05 molH2 NOH).2 − x ≈ 0. se consume OH− . 5.05 ⋅ 10−4 = 0H− Kb = 0. H3O menor. a. Efectos sobre el medio ambiente • energía hidráulica no contamina. b.004 mol → la reacción química.004 mol H3 NOHCl 1mol HCl ii.Asesoría Universitaria TETRIX En ambos casos el pH no variará d.05 = 0. País. es: H2 NOH + HCl H3 NOH+ Cl− el reactivo limitante será HCl con 0.Reciclar materiales 37 .2 × 0. Esta sal previene de una base débil y un ácido fuerte H H ( b a s e 2 3 N O H C H l ( C á cl i d o f u e r t e ) N O H d é b i l ) Si se verifica HIDRÓLISIS. Se hidroliza el ácido conjugado H3 NOH 1+ . • quemas gas natural contamina menos. Venezuela. i. 6. CO2 y CH4 ii.004 mol. proporcionada: País. es: n = M × V = 0.2 × 0. • gas natural. Considera. Contribuyen a la lluvia ácida: NO y SO2 c.. luego para la sal: 1mol H3 NOHCl 0. en mayor escala. i. la información sobre las principales fuentes de energía. Brasil.Ahorro de energía . en menor escala. respecto a la base débil. Implementar programas efectivos de educación y capacitación.004 mol HCl × = 0. Contribuyen al EFECTO INVERNADERO. Desventaja – Fuentes • Petróleo y gas natural. • Derivados del petróleo. y el número de moles de HCl es: n = M × V = 0. El número de moles de H2 NOH . Efectos sobre el medio ambiente • quemar petróleo emite gases contaminantes. • CO2 y CH4 contribuyen a EFECTO INVERNADERO.01 mol . en: . Algunas actividades para disminuir los problemas de contaminación: 2.02 = 0. Ventaja – Fuentes • energía hidráulica. Cambio de la MATRIZ energética: .Disminuir el uso de PETRÓLEO y derivados.Aumentar el uso de GAS NATURAL y ETANOL . 38 .Desarrollar el uso de energía EÓLICA y ENERGIA SOLAR. . Decisión política para darle el poder necesario al Ministerio del Medio Ambiente 4.Asesoría Universitaria TETRIX 3. por ejemplo son componentes de varios tipos de ceras y barnices domésticos. CH3Cl.Asesoría Universitaria TETRIX EXAMEN FINAL QUIMICA 2 (2007 – II) Problema 1 Uno de los productos de la empresa Multinacional S. como repelentes de agua. como aislantes para material eléctrico. es precisamente la fabricación de los silicones. en el laboratorio de investigación se ha seguido la cinética de la reacción de preparación del CH3Cl: CH3OH + H+ + Cl− → CH3Cl + H2O midiendo la concentración del ión hidronio. en casos en que las gomas ordinarias se deteriorarían rápidamente. H+. Una de las aplicaciones del clorometano. y se obtuvieron los siguientes gráficos: 39 . son los silicones. en anillos de cierre y ajuste. pues este grupo de compuestos artificiales tienen un gran número de aplicaciones. y muchos otros usos. por ello. se observa que la velocidad no depende de las concentraciones de los otros reactivos. en función del tiempo. De dicho estudio a temperatura ambiente. en lubricaciones especiales para máquinas que trabajan a temperaturas extremas (–70 ºC a 250 ºC).A. De esta manera obtienen ácido nítrico. (0.002 4 0. indicando las unidades de la misma.5 p) la constante de velocidad.A.Asesoría Universitaria TETRIX 1. d. importante constituyente del smog fotoquímico.0pts) De la información obtenida. La reacción de producción de ácido nítrico mediante este proceso sigue una cinética de segundo orden respecto al NO2(g) y de orden cero respecto al H2O(l) En un ensayo realizado a 180 ºC en el laboratorio. (2.001 2 0. para producir el dióxido de nitrógeno. evitando la contaminación del medio ambiente.0 pts) Determine: 40 [ NO] 0.55 × 10 2. c. se verifica que al cabo 50 minutos la concentración inicial del NO2(g) ha disminuido en un 75 %.0 x 10−3M. O2(g) o con ozono. especificando sus unidades.001 2 0.15 × 10 −4 4.23 × 10 −4 −4 . (0. justificando debidamente: a.004 8 0. Este gas puede reaccionar con oxigeno. Conocedora de que los gases que emanan de sus instalaciones son tóxicos. venenoso y de olor asfixiante. (2. en los laboratorios de la empresa Multinacional S. si el ensayo se efectuara a la misma temperatura pero con una concentración inicial 10 veces mayor? Justifique su respuesta. c. escribiendo su respectiva ley de velocidad. (0. (0. (0. (0. a la atmósfera. para la disminución del 75%.5p) ¿Sería correcto estimar también un tiempo de 50 minutos. (0. NO(g).002 4 O2 0. un gas de color amarillento. el cual regresa a la cámara de reacción y el proceso vuelve a producirse. podrían ser sancionados. y hacerlo reaccionar de forma controlada con oxígeno.5 p) la velocidad promedio entre los minutos 200 y 500. NO2(g) . O3(g) y en ambos casos se produce NO2. han desarrollado un método para utilizar el óxido nítrico. Problema 2 La empresa sabe que al emitir gases tóxicos. 2. (0. b.5 p) la velocidad instantánea en el minuto 360.5 p) Escriba la expresión de la ley de velocidad para la reacción. El NO2(g) reacciona con agua para formar ácido nítrico y óxido nítrico. La reacción con oxigeno que produce el monóxido es: 2NO(g) + O 2(g) → 2NO2(g) Se realizaron una serie de experimentos para determinar la ley de velocidad de la reacción obteniendo los siguientes resultados a 25 ºC: EXPERIMENT O 1 2 3 3. d.5 p) Determine mediante cálculos el valor de la constante de velocidad.0 pts) Responda lo siguiente: a. determine.002 4 VELOCIDAD INICIAL (M/s) 1.5 p) el orden de la reacción.5 p) Encuentre el tiempo de vida media para esa reacción. siendo la concentración inicial de 2. b. (2. NO(g). tal como óxido nítrico. N2 N(g) + H2(g) NH(g) + H2(g) H(g) + H(g) NH2(g) + H(g) → → → → → 2N(g) NH(g) + H(g) NH2(g) + H(g) H2(g) NH3(g) ∆H < 0 ∆H > 0 ∆H > 0 ∆H < 0 ∆H < 0 º º º º º a. es neutra y la otra es básica. (0. d. (2 pts.5p) Representa gráficamente una colección efectiva para la etapa III b. V. HNO2 (Ka = 4. (0.) El laboratorio de investigación de la empresa Multinacional S. NH3.5 p) Si la velocidad de la reacción está dada por –d[O2]/dt. 41 . identifica dicha etapa. II.A. hace que los músculos que recubren los vasos sanguíneos se relajen permitiendo así un mayor flujo de sangre.5 x 10-4). ¿cuál es el valor de la energía de activación? 5. que: En condiciones adecuadas reacciona con oxígeno y agua para obtener ácido nítrico.6 kJ El mecanismo de reacción se lleva a cabo en varias etapas. Haga un esbozo del diagrama de energía para todo el mecanismo. (0. IV.0 pts.0015 M? Problema 3 El laboratorio investigación de la empresa. (1p) Si se sabe que la reacción unimolecular es la etapa lenta del mecanismo. señalando la energía de activación de la etapa lenta. según se indica: I.5p) Se sabe que a 25 °C la constante k para esta reacción es 79 s -1 y a 75 °C es de 3 x 103 s-1.5 p) El valor de la constante de velocidad a 25 °C con sus respectivas unidades y la ley de velocidad. (0. (0.0030 My [O2] = 0.5 p) Establezca las relaciones de velocidad de aparición del producto y desaparición de los reactivos.0 pts) La reacción química: N2(g) + 3 H2(g) →2 NH3(g) ΔH° = . (2. (2.) Pregunta Electiva: Resuelva sólo una de las siguientes preguntas: a. NaNO3 y NaNO2. NO(g) encuentra que esta sustancia es un importante neurotransmisor en el cuerpo humano. c. que según los estudios experimentales mucho más activo y selectivo que el catalizador comercial y puede trabajar a temperatura y presiones más bajas de las normales Para elaborar la ficha técnica con la cual se acompañará las muestras de catalizador se requiere completar lo siguiente: 4.Asesoría Universitaria TETRIX a. si en un momento dado [NO] = 0. HNO3 y ácido nitroso. b. Indique el o los intermediarios presentes del mecanismo. ¿cuál será la velocidad de aparición de NO2. estudiando los reportes sobre reacciones del óxido nítrico. c. (0. Una de las disoluciones acuosas de las sales de sodio de estos ácidos. III.5 p) Los órdenes parciales y el orden total de la reacción. ha elaborado un nuevo catalizador denominado TXT para la obtención de amoniaco.92. Formación de ozono troposférico a 25°C según: O2( g ) + O( g ) → O3( g ) ∆H = 107 . 1M) y el electrodo de hidrógeno. 0.1M) / MnO2 (s) / Pt(s) Todos los ensayos serán a 25 °C Para las celdas I y II : a. el objetivo será diseñar una celda que permita medir el pH. Si se añade un ácido fuerte.5p) El esquema ó dibujo de la celda g.2kJ ∆S = −128 .Mn (ac.1M respectivamente: a.5p) Las medias reacciones catódica y anódica. Suponga que forma parte del Proyecto. respectiva b. 2M) / Pt(s) ii. el cual contiene una solución ácida de pH desconocido y una presión de H2 de 1 atm. (0.) La Multinacional S.1M).A. catódica y anódica.5p) Los valores de E° c.Asesoría Universitaria TETRIX la mezcla de uno de los ácidos propuestos.) a. (1p) El valor del pH de la solución ácida. para las concentraciones indicadas d. 0. correspondiente forman una disolución buffer. con su sal Asuma que la concentración de las disoluciones tanto de los ácidos como de las sales es 0. Para la solución buffer: i.H (ac.30 voltios 2 − − 42 . Para la solución básica. OH (ac. por tanto debe obtener la siguiente información: En la guía 1. Para la celda de la guía 2: e. en tal sentido se armará una celda con el electrodo Fe(s) / Fe2+(ac. 6. 01M). 0. Cd(s) / Cd (ac. ii. Zn(s) / Zn (ac. si el voltímetro indica un valor para E de 0. apoya el desarrollo de un Proyecto Educativo que ha considerado elaborar dos guías de Laboratorio sobre celdas galvánicas. 2M). la espontaneidad de: i. escriba la ecuación de equilibrio presente y realice los cálculos necesarios para determinar el valor del pH.5p) La elección de la celda que ofrece el voltaje requerido En la guía 2. Señale o indique. Explique la acción del ozono en la troposfera y en la estratosfera. 001M) // MnO4 (ac. (0. el objetivo será diseñar una celda cuya fem sea no menor de 2 voltios. identifique la especie que reaccionaría con él b. (0. Para e ensaya con las siguientes celdas: 2+ + 2+ i. de la celda espontánea estándar f. Celda de combustión ( o combustible) Ánodo: H 2( g ) →2 H + + 2e − Cátodo: O2( g ) + 4 H + + 4e − → ii. (10.) a. justificando.35 kJ 2 H 2 O( g ) b. (2p) Las medias reacciones balanceadas . (2 pts. b.1M) // MnO4 − (ac. (1p) Los valores de E. Determine el pH.0pts. (0. (6p. con el objetivo de comprobar el proceso de electrólisis. Considerando los potenciales de oxidación. Datos: Masa molar (g/mol): Cd: 111. Refinación de una barra de cadmio. es 0. determine: i.MnO2 (s) Cd (ac) / Cd(s) Fe2+ (ac) / Fe(s) 2+ E0 .23 : 0. con una corriente de 12 A. Si la barra impura se coloca como ánodo o como cátodo. Cd.4 0 0 − ∆G = ∆G + RT lnQ ∆G0 = −nFE q = i × t 1F = 96500C / mol e kJ 0. señale los materiales que tendría que utilizar y los gases que se obtiene en el ánodo y cátodo respectivamente.51 : 0. (1p) Para el experimento I. iii. ¿qué sucede con las impurezas durante la electrólisis? c.Asesoría Universitaria TETRIX b. se propuso verificar su utilidad realizando los siguientes experimentos: i. voltios : –0. (2p) Para la refinación de la barra de cadmio. Escriba la semirreacción respectiva.4 en Ag0 (ac) / Ag(s) O2(g) .082 L – atm/mol K = 8.00 43 . ¿qué intensidad tenía la corriente utilizada? Considere que el volumen de solución no varía. b. iii. observando que la concentración final de ion plata.) El tiempo necesario para obtener 300 g de cadmio puro. 0 × 10−4 Kh = Kw / Ka Kh = Kw / Kb k2 R T1 T2 ∆G = AH − T ∆S 0 0 0 Potenciales de reducción Zn2+ (ac) / Zn(s) MnO4− (ac) / H+ (ac). Descomposición del agua en sus elementos ii. (1p.3 M luego de los 4 horas que duró el proceso. ii.2 M y un ánodo inerte. 4H+ / H2 O(l) H+ (ac) / H2 (g) : 0.80 : 1.) En el mismo proyecto. 314 × molK N 1 1 [ A] = [ A] 0 − K ⋅ t = + k⋅ t ln [ A] = ln [ A]0 − k ⋅ t [ A] [ A] 0 E T − T2 k ln 1 = act 1 Kw = 1. (1p) Si para el electroplateado se utiliza 2 L de solución de Ag2 SO4 0.59 : –0.40 : –0. Ag+. 0591 E = E0 − × logQ R = 0.Mn2+ (ac) MnO4− (ac) / OH+ (ac).76 : 1. Electroplateado de una pieza metálica a. contaminada con plata Ag y zinc Zn. (4p. OH− : –0.83 44 .Asesoría Universitaria TETRIX H2O(l) / H2(g) . NO2 0 = 2 ⋅ 10 M .78 ⋅ 10−4 M−1 ⋅ min−1 d. V = k ⋅ H+ Como es una reacción de 2do.3 M = −1.78 ⋅10−4 Pendiente = tan α = 720 − 0 ∴ k = 2. La pendiente de la recta es igual a k: 0. a. Orden.Asesoría Universitaria TETRIX SOLUCIONARIO SEGUNDO EXAMEN DE QUÍMICA 2 (2007 – II) 1. orden. luego de t = 50min 25 −3 −4 concentración final. La velocidad instantánea de la reacción en un punto cualquiera tiempo en particular se hallan de un gráfico vs.7 − 1. 2 a . vpromedio = =− c. t en un Del gráfico Nº 3. (I) 2NO(g) + 1 O2(g) 2NO2(g) → 3NO2(g) + 1H2O(l) 2HNO3(l) + NO(g) …. orden respecto al NO2 y orden cero. orden: 1 1 − = k⋅ t NO2 NO2 0 1 1 − = k ⋅ 50 ⇒ −4 5 ⋅ 10 2 ⋅ 10−3 k = 30M−1 ⋅ min−1 45 . Para la reacción (II): V = K NO2 ⋅ H2O 2 0 a b 2 V = K NO2 ⋅ H2O ⇒ v = k ⋅ NO2 −3 b. respecto al H2O .84 − 0. 46 = 5.67 ⋅ 10−3 360 − 0 S 1.5 M = 1. (II) → 2do. tan θ = Vins tantánea = ∆ H+ ∆t 2. trazamos una tangente que pase por el punto correspondiente a t = 360. a. NO2 = 100 ⋅ 2 ⋅ 10 = 5 ⋅ 10 M Como es una reacción de 2do. la tendencia de la recta corresponde a una reacción de 2do.33 ⋅ 10−3 500 − 200 S b.78 ⋅ 10−4 M−1 ⋅ min−1 …. Ley de velocidad: V = k ⋅ H+ 2. k = 2. En el gráfico Nº 1.1 − 1. (2) . Nº 3 : (2) ÷ (1) (3) ÷ (1) ∴ a b 1.15 ⋅ 10−4 (0. (3) 4. .desaparición Vel. V = = = deO2 deNO2 deNO 46 .15 ⋅ 10−4 = k(0. .0012)b 2.0048)a = ⇒ 4 = 2a ⇒ a = 2 −4 a 1. 25 −2 −3 NO2 = 100 ⋅ 2 ⋅ 10 = 5 ⋅ 10 Hallar el t: 1 1 1 1 − = k⋅t ⇒ − = 30 ⋅ t ⇒ t = 5min −3 5 ⋅ 10 2 ⋅ 10−2 0 ∴ sería incorrecto estimar el tiempo en 50min.0048)a (0.55 ⋅ 10−4 = k(0. Si la concentración inicial fuera. NO2 = 10 ⋅ 2 ⋅ 10−3 = 2 ⋅ 10−2 M 0 disminuye en 75%. desaparición Vel. . .23 ⋅ 10−4 = k(0. Del experimento Nº 1 . Nº 1 : Exp.0012)b 4.23 ⋅ 10−4 (0.0024)2 ⋅ (0.0012)b 2 1 La ley de velocidad es: v = k ⋅ NO ⋅O2 respecto al NO : orden 2 respecto al O2 : orden 1 respecto a la reacción total: orden a + b = 3 b. d. la Ley de velocidad es: v = 1. Nº 2 : Exp.0024)a (0.67min k ⋅ 0 30 ⋅ 2 ⋅ 10−3 3. (1) .0012)1 k = 1. 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) → Ley de velocidad: v = k ⋅ NO ⋅O2 Exp. a = 2 .55 ⋅ 10−4 (0.15 ⋅ 10 (0.66 ⋅ 10−4 NO ⋅O2 2 1 Vel.0024)a (0. la concentración final.15 ⋅ 10−4 = k(0.0024) 2. . aparición c.66 ⋅ 10−4 M−2 ⋅ s−1 Con la cual. b = 1 1.0024)b = ⇒ 2 = 2b ⇒ b = 1 1.0024)b . el t de vida media es: 1 1 t1/ 2 = ⇒ t1/ 2 = ⇒ t1/ 2 = 16. a. . Como es de 2do orden.Asesoría Universitaria TETRIX c. 0015) = 2.66 ⋅ 10 ⋅ (0. Reacción: N2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g) . La reacción unimolecular. orientada correctamente) b. Colisión efectiva.003)2 ⋅ (0. es la Etapa I N2(g) → 2N(g) E Diagrama de energía: Etapa I : exotérmica Etapa II : endotérmica I Etapa III : endotérmica Ea Etapa IV : exotérmica Etapa V : exotérmica II III IV V Hº=–92. 48 ⋅ 10−4 M ⋅ s−1 ⋅ 2 dt dt 2 2.6 kJ curso Los intermediarios: • Luego de la Etapa I. ∆Hº = −92.24 ⋅ 10−4 M ⋅ s−1 Luego.Asesoría Universitaria TETRIX ∆ O 1 ∆ NO 1 ∆ NO ⋅ = − 2 = + ⋅ 2 2 ∆t ∆t 2 ∆t O también: 1 1 V = − ⋅ VNO = − V02 = + VNO2 2 2 V= − d. − d O2 dt 123 =+ 1 d NO2 ⋅ 2 dt 1 d NO2 ⇒ d NO2 = 4.24 ⋅ 10−4 = 4. para la etapa III NH(g) + H2(g) NH2(g) + H(g) → N-H H-H H-N H-H Colisión ineficaz Colisión eficaz (molécula N-H.6 kJ (exotérmica) → Etapas: 5 Etapa lenta: la I a. e iniciar la Etapa III: N(g) 47 .66 ⋅ 10−4 ⋅ NO ⋅O2 −4 VRx = 1. Si. Vreacción = − d O2 dt mediante la Ley de velocidad VRx = 1. 87 ⇒ pH = 8. e iniciar la Etapa III: NH(g) .1 − x ≈ 0. ácidos : HNO3 . 4 ⋅ 10−4 −14 Como. k1 = 79 s−1 T2 = 75º C = 348k k Ea T1 − T2 ln 1 = ⋅ k2 R T1 ⋅ T2 . A.1 En la expresión de kh : HNO2 [ OH1− ] x⋅ x kh = ⇒ 1. e iniciar la Etapa V: NH2(g) c. 85 ⋅ 10−11 = 1− 0. 0.13 b. 0.1 M NaNO2 . H(g) Luego de la Etapa III.Asesoría Universitaria TETRIX • • Luego de la Etapa II. Para hallar la energía de activación T1 = 25º C = 298k . kh < 10 .1 – x ------------- ------x x ------x x Kw 10−14 ⇒ kh = = 1.1 M Sales de sodio : NaNO3 . y base fuerte (Na OH) 1− Luego.1 M a. 48 . se puede hacer la aproximación 0.71 kJ (k a = 4. k2 = 3 ⋅ 103 s−1 79 Ea 298⋅ 348 ln = ⋅ 3 3 ⋅ 10 8. proviene de ácido débil ( HNO2 ) . 0. La sal NaNO2 .85 ⋅ 10−11 Ka 5.1 M x = 1.31 298⋅ 348 5. el anión NO2 (la base conjugada del HNO2 ). será quien verifique la Reacción de Hidrólisis: 1− NO1− + H2O(l) ←→ HNO2 + OH(ac) 2(ac) Inicial Se hidroliza Se produce En equilibrio kh = 0.5 ⋅ 10−4 ) .1 M HNO2 ⇒ Ea = 62. 0.36 ⋅ 10−16 = [ OH−1 ] HNO2 . La solución buffer es: (solución básica) 0.1 NO2 pOH = − log[ OH−1 ] ⇒ pOH = − log(1.1 M x ---0.36 ⋅ 10−6 ) = 5. 1 M (o al disociarse.35 ⋅ 10−3 kJ / K) ∆G = −68.95kJ Como ∆Gº < 0 . etc. es una REACCIÓN ESPONTÁNEA.5 ⋅ 10−4 = 0.5 ⋅ 10−4 ) = 3.1 M ---x 0. Se determina el potencial. y 0. Ozono en la estratósfera (la alta atmósfera.1 − x ≈ 0.73 B.1) ⋅ x ka = 2 ⇒ 4.0 + 1. por encima de 20 km) 49 .1 .23 = +1.Asesoría Universitaria TETRIX NaNO2 . (ac) (solución básica) 0 0 ε0 CELDA = ε oxidación + εreducción ε0 CELDA = 0. y muy reactivo (es oxidante). el caucho.1 + x ------x x Como ka ≈ 10−4 . b.1 M x ---0. en la superficie terrestre) El ozono en la tropósfera es contaminante. a. ii.1 + x ≈ 0.1 M) 2 Se debe cumplir la reacción de ionización del ácido débil: 1− 1− HNO2(ac) + H2O(l) ←→ NO(ac) + OH(ac) Inicial Se ioniza Se produce En equilibrio 0. ∆G = ∆Hº − T ⋅ ∆Sº ∆G = −107.23V O2(g) + 4H1+ + 4e− → 2H2O(l) .5 ⋅ 10 ) == [ OH1− ] pOH = − log[ OH−1 ] ⇒ pOH = − log(4. ε 0 CELDA : Ánodo : Cátodo : H2(g) → 2H1+ + 2e− (ac) . ε 0 CELDA > 0 . i.1 – x ------------- 0.2kJ − 298k ⋅ (−128. Ozono en la tropósfera (la baja atmósfera. es una REACCIÓN ESPONTÁNEA. Es un gas muy tóxico. Para la reacción dada.1 HNO2 −4 x = ( 4. 0. pinturas.23V Como. podemos hacer las aproximaciones: 0. destruye materiales como el nylon. NO1− 0.1 En la expresión de ka : NO1− ⋅ [ OH1− ] (0.27 ⇒ pH = 10. ε 0 = 0.0V ε 0 = 1. e.1) = 2. es beneficioso porque forma la capa de ozono.24 V EN LA GUIA 2 2+ Con electrodo : Fe(S) / Fe(ac) .27 − 0.5 ⋅ 10−18 Q= 2 (2)2 MnO− 4 3 8 N = 6 mol de e− transferidos. y electrodo de H.01) ⋅ (1) MnO4 ⋅ H 2 5 n = 10 mol de e− transferidos 0. 990 − ⋅ log(2.0591 0.51V = + 2.24 V CELDA II: 1 2MnO1− + 3Cd(s) + 4H2O(l) → 2MnO2(s) + 3Cd2+ + 8OH − 4(ac) (ac) (ac) • • 3 8 Cd2+ ⋅ OH1− = (0. ε0 CELDA I: CELDA = + 0. ε 0 = 0V 50 .001) ⋅ (0. Reacción catódica (reducción): + 2H(ac) + 2e− → H2(g) .e. 0.27V C ELDA II: ε0 CELDA = +0. A.Asesoría Universitaria TETRIX El ozono en la estratósfera.0591 ⋅ logQ ⇒ ε = + 0. Hallamos la reacción neta de la CELDA (los e− perdidos en la oxidación se igualarán a los e− ganados en la reducción) + 2+ 2+ 2MnO1− + 5Zn(s) + 16H(ac) → 2Mn(ac) + 5Zn(ac) + 8H2 O(l) CELDA I: (ac) • • 2 5 Mn2+ ⋅ Zn2+ = (2) ⋅ (1) Q= = 4 ⋅ 104 2 16 − 2 + 16 (0. Como se obtendrá una celda cuya f.5 ⋅ 10−18 ) n 6 ε = ε0 − ε = +0. En la GUIA 1 a.0591 ⋅ log(4 ⋅ 104 ) n ε = ε0 − ε = +2. que proporciona ε = +2. sea no menor de 2V Se elige la CELDA I. que absorbe más del 90% de la radiación ultravioleta.817 V d.99V c.m. 6. CELDA I Ánodo (oxidación): Cátodo (reducción): CELDA II Ánodo (oxidación): Cátodo (reducción): 2+ Zn(s) → Zn(ac) + 2e− + MnO1− + 8H(ac) + 5e− → Mn2+ + 4H2 O(l) 4(ac) (ac) 2+ Cd(s) → Cd(ac) + 2e− 1− MnO1− + 2H2O(l) + 3e− → MnO2(s) + 4OH(ac) (ac) 0 0 ε0 b.0591 ⋅ logQ ⇒ ε = +2. El ε 0 se determina: CELDA = ε OXIDACIÓN + εREDUC.59V = +0. de esta forma impide que llegue a la superficie terrestre (la troposfera). 40V + 0.76V + 1. 2 M ⇒ n = M ⋅ V = 0. como quedó del ión Ag+ .2molAg0 × − 1mol e 51 . hallamos la reacción total: + 2+ Fe(s) + 2H(ac) → Fe(ac) + H2(g) ε 0 = +0.8mol Reducción del Ag+ en el catódo: Ag+ + e− Ag0 → Luego. catódica y anódica. Electroplateado de una pieza metálica Se usó solución de: Ag2 SO4 0. Esquema de la CELDA: ÁNODO 0 Fe(s) 2+ Fe(s) → Fe(ac) + 2e− . El voltímetro indica: ε = +0. + 2− 1Ag2 SO4 2Ag(ac) + SO4(ac) → 0. 4 V .2 ⋅ 2 = 0.6mol Se depositó en la electrodeposición: 0. 4 − ⋅ logQ n 2 Q = 2421. ε 0 = +0.30V De las semireacciones.3 = 0. 4mol este electrólito se ioniza. 0.0203) ⇒ pH = 1. 4 V V PUENTE SALINO CÁTODO H2(g) Alambre de Pt Fe2+ H + g. Q = + 2 ⇒ 2421.6 mol = 0. pH = − log H pH = − log(0.0591 ε = ε0 − ⋅ logQ ⇒ 0.Asesoría Universitaria TETRIX Reacción anódica (oxidación) : f.0203M H H + Finalmente. 4mol _____ 0.2 mol Ag0 1F 1mol e− I × 4 × 3600A ⋅ S × 96500c 1F I = 1.56 1 1 + Luego. Fe2+ = 1 • Q= 2 2 H+ H+ • N = 2 mol de e− transferidos 0.0591 0. 4 V ε 0 = +0.34 A 1molAg0 = 0.56 = + 2 ⇒ H = 0.3 ⋅ 2 = 0.3 M n = M ⋅ V = 0.8 – 0.7 1 B. Asesoría Universitaria TETRIX 52 .