40 solucionari del llibre de l’alumne 40 04 solucionari del llibre de l’alumne j unitat 4....

40 SOLUCIONARI DEL LLIBRE DE L’ALUMNE04

j Unitat 4. Equilibri químic

Activitats

1. A la revista Investigación y Ciencia del mes de juliol de 2008 es va publicar un article sobre la perillositat de l’ad-dicció al tabac entre els adolescents. En relació amb aquest problema, el monòxid de carboni alliberat per la combustió del tabac entra en competició amb l’oxigen per tal d’unir-se a l’hemoglobina. Aquesta reacció d’equilibri és:

CO(g) 1 Hb-O2 [ Hb-CO(g) 1 O2(g)

Quina és la seva Kc?

Dades: O2(g)/CO(g) 5 4 000; Hb-CO(g)/Hb-O2 5 0,05

[Hb-CO] [O2]Kc 5 ——————— 5 0,05 ? 4 000 5 200

[Hb-O2] [CO]

2. La normativa d’etiquetatge dels productes de consum ali-mentari estableix que en el cas del vinagre cal indicar la proporció d’àcid acètic que conté. Es disposa de 50 g d’un vinagre del qual no coneixem el contingut d’àcid, que reac-ciona amb 0,18 g d’alcohol etílic del 96 % en massa. Si s’obtenen 0,32384 g d’acetat d’etil i sabem que la constant d’equilibri és 4, quin és el percentatge d’àcid acètic en aquest vinagre?

Primer, calculem les quantitats inicials:

96 g CH3CH2OH0,18 g alcohol 96 % ? ———————— 5 0,1728 g CH3CH2OH 100 g alcohol 96 %

0,1728 gn (CH3CH2OH) 5 ————— 5 3,76 ? 1023 mol

46 g/mol

0,32384 gn (CH3COOC2H5) 5 —————— 5 3,68 ? 1023 mol

88 g/mol

Escrivim la reacció d’equilibri:

CH3COOH 1 CH3CH2OH [ CH3COOCH2CH3 1 H2O

x 3,76 ? 1023

C0 — —————— 0 0 V V

3,68 ? 1023 3,68 ? 1023 3,68 ? 1023 3,68 ? 1023

Cr —————— —————— —————— —————— V V V V

x 2 3,68 ? 1023 3,76 ? 1023 2 3,68 ? 1023 3,68 ? 1023

Ce ———————— —————————————— —————— V V V

3,68 ? 1023

—————— V

Escrivim l’expressió de la constant d’equilibri:

[CH3COOCH2CH3] [H2O]Kc 5 ———————————— 5 4

[CH3COOH] [CH3CH2OH]

Hi substituïm les concentracions de les espècies en equilibri:

3,68 ? 1023 3,68 ? 1023

3——————4 3——————4 V VKc 5 ———————————————————————— 5 4 x 2 3,68 ? 1023 3,76 ? 1023 2 3,68 ? 1023

3————————4 3—————————————4 V V

Com podem observar, els volums desapareixen i podem rees-criure l’expressió de la manera següent:

(3,68 ? 1023) (3,68 ? 1023)Kc 5 —————————————————————— 5 4

(x 2 3,68 ? 1023) (3,76 ? 1023 2 3,68 ? 1023)

I obtenim que x 5 0,046 mol CH3COOH.

Ara ja podem calcular el percentatge d’àcid acètic en el vinagre comercial del problema:

60 g CH3COOH0,046 mol CH3COOH ? ———————— 5 2,76 g CH3COOH

1 mol CH3COOH

2,76 g CH3COOH% CH3COOH 5 ————————— ? 100 5 5,52 %

50 g vinagre

3. Un dels accidents domèstics més habituals és la intoxicació provocada per la barreja de lleixiu amb salfumant. La reac-ció produeix clor, que és tòxic. Aquesta reacció està descrita per l’equació d’equilibri següent:

HClO 1 HCl [ Cl2 1 H2O

Cap a on està desplaçat l’equilibri?

Dades: [HClO] 5 0,2 M; [HCl] 5 0,5 M; [Cl2] 5 1 M; [H2O] 5 2 M; K25 °C 5 3,125

Per a aquesta reacció:

[Cl2] [H2O] (1 M) (2 M)Qc 5 ——————— 5 ——————— 5 20

[HClO] [HCl] (0,2 M) (0,5 M)

Kc 5 3,125 i Qc 5 20; per tant, Qc . Kc, la qual cosa ens indica que la concentració de productes és molt superior a la de reac-tius i que en aquest moment la concentració dels productes està per sobre de la concentració que tindran en l’equilibri. Per tant, el sentit de la reacció és cap a la formació de reactius.

4. El brom es dissocia segons la reacció:

Br2(g) [ 2 Br(g)

A una temperatura determinada, les pressions parcials del Br2(g) i del Br(g) són, respectivament, 0,08 atm i 0,05 atm. Troba el valor de Kp.

L’expressió matemàtica de Kp és la següent:

p2Br

Kp 5 —— pBr2

Si substituïm en l’expressió de Kp:

p2Br (0,05 atm)2

Kp 5 —— 5 —————— 5 0,03125 atm pBr2 (0,08 atm)

41QUÍMICA 2 04

5. En una recerca es fan diferents proves amb l’esquema de reacció següent:

A(g) 1 2 B(g) [ C(g) 1 D(g)

En un recipient de 30 L es posen 2 mol de A i 2 mol de B. Quan s’assoleix l’equilibri, la temperatura és de 30 °C i la pressió total, de 3 atm. Calcula la Kp del procés.


A(g) 1 2 B(g) [ C(g) 1 D(g)

n0 2 2 0 0

nr x 2 x x x

ne 2 2 x 2 2 2 x x x

Per tant, els mols totals en l’equilibri es calculen segons l’ex-pressió algèbrica següent:

ntotal 5 (2 2 x) 1 (2 2 2 x) 1 2 x 5 4 2 x

L’enunciat ens dóna el valor de la pressió total en l’equilibri; per tant, podem calcular el nombre de mols totals en l’equilibri a partir de l’equació d’estat dels gasos ideals:

p Vp V 5 ntotal R T f ntotal 5 ——

R T

3 atm ? 30 dm3

ntotal 5 ———————————————— 5 3,62 mol 0,082 atm?dm3/(K?mol) ? 303 K

Substituïm en l’expressió algebraica anterior:

3,62 5 4 2 x

x 5 0,38 mol

Ara ja hem calculat totes les dades necessàries per obtenir el valor de les pressions parcials de cada gas en l’equilibri:

2 2 x 1,62pA 5 xA ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 1,34 atm 4 2 x 3,62

2 2 2 x 1,24pB 5 xB ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 1,03 atm 4 2 x 3,62

x 0,38pC 5 xC ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 0,315 atm 4 2 x 3,62

x 0,38pD 5 xD ? ptotal 5 ———— ? 3 atm 5 ——— ? 3 atm 5 0,315 atm 4 2 x 3,62

Si substituïm els valors de les pressions en l’expressió de la constant Kp, en trobem el valor:

pC ? pD (0,315 atm)2

Kp 5 ———— 5 ———————————— 5 0,0698 atm21

pA ? pB2 (1,34 atm) ? (1,03 atm)2

6. Les molècules de brom es dissocien seguint la reacció d’equilibri següent:

Br2(g) [ 2 Br(g)

El brom està dissociat un 27 % a 1 400 K. Si la pressió total és 0,1 atm, troba Kp i Kc.

En aquest cas, a 5 0,27. Escrivim la reacció d’equilibri:

Br2(g) [ 2 Br(g)

C0 1 0

Cr 0,27 2 ? 0,27

Ce 1 2 0,27 2 ? 0,27

El nombre de mols totals en l’equilibri és:

ntotal 5 1 2 0,27 1 2 ? 0,27 5 1,27

Calculem les pressions parcials:

2 ? 0,27pBr 5 xBr ? ptotal 5 ———— ? 0,1 atm 5 0,0425 atm

1,27

1 2 0,27pBr2

5 xBr2 ? ptotal 5 ————— ? 0,1 atm 5 0,0575 atm

1,27

Apliquem l’expressió de Kp:

p2Br

Kp 5 —— pBr2

I substituint per les pressions en l’equilibri, trobem el valor de Kp:

(0,0425 atm)2

Kp 5 ———————— 5 0,0314 atm 0,0575 atm

Ara podem trobar el valor de Kc aplicant l’expressió que relacio-na Kp i Kc:

Kc 5 Kp (R T)21

Kc 5 0,0314 atm ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 1 400 K)21

Kc 5 2,735 ? 1024 M

7. La reacció de conversió del monòxid de carboni en diòxid de carboni a 1 000 ºC és:

CO(g) 1 H2O(g) [ CO2(g) 1 H2(g)

Si volem eliminar CO per mitjà de la pressió, cal augmentar- la o disminuir-la?

En aquest cas, la pressió no afecta l’equilibri, ja que el nombre de mols de gas és igual en els reactius i en els productes. Per tant, no podem modi&car l’equilibri amb la pressió.

8. Dins una ampolla de cava es produeix la reacció d’e qui libri següent:

CO2(g) 1 H2O(l) [ H2CO3(aq)

Com explicaries el que succeeix en obrir l’ampolla?

En obrir l’ampolla de cava, disminueix la pressió a l’interior i, per tant, l’equilibri es desplaça per tal de contrarestar aquest efecte, és a dir, reacciona de manera que el nombre de mols gasosos augmenti, o sigui cap a la formació de reactius, cosa que fa que s’alliberi el gas del líquid.

9. Representeu gràficament l’evolució de la reacció següent:

N2(g) 1 H2(g) [ NH3(g)


Inicialment hi ha [N2(g)] 5 2 M i [H2(g)] 5 2 M

[NH3(g)] 5 0M

a) Si en l’equilibri s’augmenta la [NH3(g)], cap a on es des-plaça la reacció? Representeu-ho grà$cament.

En arribar a l’equilibri augmenta la concentració d’amoniac i per tant l’equilibri es desplaça cap a l’esquerra (reactius), baixa la concentració d’amoníac i pugen les de nitrogen i hidrogen.

b) Si en l’equilibri s’augmenta la [H2(g)], cap a on es des-plaça la reacció? Representeu-ho grà$cament.

En arribar a l’equilibri augmenta la concentració d’hidrogen i per tant l’equilibri es desplaça cap a la dreta (productes), augmenta la concentració d’amoníac i baixen les de nitro-gen i hidrogen.

10. En la reacció de formació de l’etilè en condicions estàndards (25 ºC i 1 atm), DG° 5 168,12 kJ/mol. Calcula el valor de la constant d’equilibri en aquestes condicions.


2 C(s) 1 2 H2(g) [ C2H4(g)

D’acord amb l’expressió:

DG° 5 2R T ln K

Aïllem la constant d’equilibri:

DG°ln K 5 2——

R T

L’energia lliure de Gibbs s’expressa en joules; així, doncs, R 5 8,314 J/(K?mol).

68 120 J/molln K 5 2————————————

8,314 J/(K?mol) ? 298 K

Per tant:K 5 1,15 ? 10212

11. En una piscifactoria de salmons han d’augmentar la propor-ció d’oxigen dissolt en l’aigua segons l’equilibri següent:

O2(g) [ O2(aq)

Quines condicions afavoriran l’augment de la presència de O2(aq)?

Es tracta d’estudiar les condicions que fan que la reacció d’equi-libri es desplaci cap a la dreta. Els factors que, en modi#car-se, afecten l’equilibri són els següents:

Concentració de reactius: si aconseguim augmentar la quanti-tat de O2(g), l’equilibri es desplaçarà cap a la formació de O2(aq).

Pressió: si s’augmenta la pressió de la mescla gasosa, l’equilibri es desplaçarà cap al sentit en què es redueixi el nombre total de mols de gasos (en aquest cas, cap a la formació de produc-tes) i s’afavorirà la formació de O2(aq).

Temperatura: es tracta d’un procés exotèrmic, DH°r , 0. Ho

podem assegurar, ja que l’entropia és desfavorable, el sistema augmenta d’ordre. Per tant, si es treballa a temperatures baixes, s’afavoreix la formació de O2(aq).

Anàlisi global: una anàlisi global i pràctica ens indica que treballar amb aigües a temperatures baixes és la metodologia econòmicament més rendible.

Activitats finals

1. Escriu l’expressió de la constant d’equilibri de les reaccions següents i indica en quin sentit es desplaça l’equilibri.

a) C2H4(g) 1 HCl(g) [ C2H5Cl(g)

K25 °C 5 3,29·104

[C2H5Cl]Kc 5 ——————— 5 3,29 ? 104

[C2H4] [HCl]

Està desplaçada cap als productes.

b) C4H10(g) [ C2H6(g) 1 C2H4(g)

K25 °C 5 1,12·1029

[C2H6] [C2H4]Kc 5 ——————— 5 1,12 ? 1029

[C4H10]

Està desplaçada cap als reactius.

c) CH25CH2(g) 1 H2O(g) [ CH3CH2OH(g)

K25 °C 5 23,1

[CH3CH2OH]Kc 5 ————————— 5 23,1

[CH2}}CH2] [H2O]

Està desplaçada cap als productes.

2. En la reacció entre l’àcid hipoclorós i l’àcid clorhídric s’alli-bera clor. Si tenim una dissolució 2 M d’hipoclorit i una dissolució 1 M d’àcid clorhídric, quina serà la concentració del clor en l’equilibri, suposant que tot queda dissolt?

HClO 1 HCl [ Cl2 1 H2O K25 °C 5 3,125

HClO 1 HCl [ Cl2 1 H2O

C inicial 2 M 1 M — —

C que reacciona x x x x

C equilibri 2 2 x 1 2 x x x

Escrivim l’expressió de la constant d’equilibri:

[Cl2] [H2O]Kc 5 ——————— 5 3,125

[HClO] [HCl]

x2

Kc 5 ————————— 5 3,125 (2 2 x) (1 2 x)

2,125 x2 2 9,375 x 1 6,25 5 0

x 5 0,82 M

3. En escalfar el HI, es descompon segons la reacció:

2 HI(g) [ I2(g) 1 H2(g)

43QUÍMICA 2 04

A 448 °C un recipient tancat conté 0,38 mol de I2, 0,081 mol de H2 i 1,24 mol de HI en equilibri. En un altre recipient de 2 L de capacitat es posen 0,1 mol de H2, 0,1 mol de I2 i 0,2 mol de HI i es tanca �ns a assolir la temperatura de 448 °C. Calcula les concentracions dels gasos en l’equilibri.

Escrivim la reacció d’equilibri i calculem el valor de Kc:

2 HI(g) [ I2(g) 1 H2(g)

[I2] [H2] (0,38) (0,081)Kc 5 ————— 5 ——————— 5 0,02

[HI]2 (1,24)2

Calculem el valor de Qc per saber en quin sentit evolucionarà l’equilibri: 0,1 0,1 1——2 1——2 2 2

Qc 5 ———————— 5 0,25 0,2 1——2

2

2

Com que Qc . Kc, la reacció d’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius.

2 HI(g) [ I2(g) 1 H2(g)

C inicial 0,1 M 0,05 M 0,05 M

C que reacciona 2 x x x

C equilibri 0,1 1 2 x 0,05 2 x 0,05 2 x

[I2] [H2] (0,05 2 x)2

Kc 5 ————— 5 ——————— 5 0,02 [HI]2 (0,1 1 2 x)2

0,92 x2 2 0,108 x 1 2,3 ? 1023 5 0

rwq

x1 5 0,089

x2 5 0,028

La primera solució no és vàlida, ja que no té sentit químic. Per tant, les concentracions en equilibri són:

[HI] 5 0,1 1 2 x 5 0,156 M

[I2] 5 0,05 2 x 5 0,022 M

[H2] 5 0,05 2 x 5 0,022 M

4. Digues si les a�rmacions següents són certes o falses:

a) Un valor negatiu de la constant d’equilibri signi�ca que l’equilibri està desplaçat cap a la formació de reactius.

Falsa. La constant d’equilibri no pot tenir valor negatiu.

b) Com que la temperatura no és present en l’expressió de la constant d’equilibri, no hi in%ueix.

Falsa. La constant d’equilibri depèn de la temperatura i té un valor determinat per a cada temperatura.

c) Les condicions d’equilibri varien segons si considerem la reacció directa o la inversa.

Falsa. Les condicions d’equilibri són úniques i independents de com s’hagi assolit l’equilibri.

d) Els catalitzadors augmenten la constant d’equi libri.

Falsa. Els catalitzadors no in*ueixen en el valor de la cons-tant d’equilibri.

e) L’equilibri és una situació d’estancament.

Falsa. L’equilibri és dinàmic.

5. A 1 000 °C la constant d’equilibri de la reacció entre el mo-nòxid de carboni i l’aigua gasosa per formar diòxid de car-boni i hidrogen val 0,62. Un recipient tancat conté inicial-ment 0,01 mol CO, 0,50 mol H2O, 0,30 mol CO2 i 0,10 mol H2. El sistema s’escalfa �ns a 1 000 °C. Calcula la quantitat de cada espècie química present en l’equilibri.

Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kc:

CO(g) 1 H2O(g) [ CO2(g) 1 H2(g)

[CO2] [H2]Kc 5 —————— 5 0,62

[CO] [H2O]

Calculem el valor de Qc per saber en quin sentit evolucionarà l’equilibri: (0,30) (0,10)

Qc 5 ——————— 5 6 (0,01) (0,50)

Com que Qc . Kc, la reacció d’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius.

CO(g) 1 H2O(g) [ CO2(g) 1 H2(g)

0,01 0,50 0,30 0,10C inicial ——— ——— ——— ——— V V V V

C que reacciona x x x x

0,01 1 x 0,50 1 x 0,30 2 x 0,10 2 xC equilibri ———— ———— ———— ————

V V V V

0,30 2 x 0,10 2 x 1—————2 1—————2 V V

Kc 5 —————————————— 5 0,62 0,01 1 x 0,50 1 x 1—————2 1—————2 V V

0,38 x2 2 0,7162 x 1 0,0269 5 0

rwq

x1 5 1,8464

x2 5 0,0383

La primera solució no és vàlida, ja que no té sentit químic. Per tant, els mols de cada espècie en l’equilibri són:

0,01 1 x 5 0,0483 mol CO

0,50 1 x 5 0,5383 mol H2O

0,30 2 x 5 0,2617 mol CO2

0,10 2 x 5 0,0617 mol H2

6. Per a una constant d’equilibri qualsevol, cap a quin sentit es desplaçarà l’equilibri si la concentració dels productes supera la concentració d’aquests productes en l’equilibri i


Combinem les equacions de manera que obtinguem l’equació de la reacció de la qual hem d’esbrinar la constant d’equilibri:

4 NH3(g) 1 5 O2(g) [ 4 NO(g) 1 6 H2O(g) K1

[2 NO(g) 1 O2(g) [ 2 NO2(g)] ? 2 K92_________________________________________

4 NH3(g) 1 7 O2(g) [ 4 NO2(g) 1 6 H2O(g) K3

[NO2]2 [NO2]

4

K2 5 ——————; K92 5 —————— [NO]2 [O2] [NO]4 [O2]

2

És a dir, K92 5 K22 i, per tant, K3 5 K1 K2

2 i la resposta correcta és la b).

11. Per sintetitzar un compost orgànic AD es necessita elevar la temperatura "ns a 300 °C. Una vegada assolit l’equi libri, la mescla té 3 atm de pressió. Si la fracció molar del com-post AD és 0,2 i la de la substància D és 0,57, determina el valor de Kp si la reacció és la següent:

A 1 D [ AD

Escrivim l’expressió de Kp: pAD

Kp 5 ———— pA ? pD

Calculem el valor de la fracció molar de A:

xA 5 1 2 0,2 2 0,57 5 0,23


pA 5 xA ? ptotal 5 0,23 ? 3 atm 5 0,69 atm

pD 5 xD ? ptotal 5 0,57 ? 3 atm 5 1,71 atm

pAD 5 xAD ? ptotal 5 0,2 ? 3 atm 5 0,6 atm

Finalment substituïm valors en l’expressió de Kp:

pAD (0,6 atm)Kp 5 ———— 5 ———————————— 5 0,5 atm21

pA ? pD (0,69 atm) ? (1,71 atm)

12. A 600 °C un recipient de 1 000 mL conté una mescla gasosa en equilibri formada per 0,8480 g de triòxid de sofre, 0,2048 g de diòxid de sofre i 0,0512 g d’oxigen. Calcula les constants d’equilibri Kc i Kp del procés:

2 SO2(g) 1 O2(g) [ 2 SO3(g)

a la temperatura esmentada.


2 SO2(g) 1 O2(g) [ 2 SO3(g)

[SO3]2

Kc 5 —————— [SO2]2 [O2]

A partir de les dades que ens dóna el problema podem calcular les concentracions en equilibri:

0,8480 g 1 mol[SO3] 5 ————— ? ———— 5 0,0106 M

1 dm3 80 g

0,2048 g 1 mol[SO2] 5 ————— ? ———— 5 3,2 ? 1023 M

1 dm3 64 g

0,0512 g 1 mol[O2] 5 ————— ? ———— 5 1,6 ? 1023 M

1 dm3 32 g

la de reactants és inferior a les seves concentracions en l’equilibri?

L’equilibri es desplaçarà cap a la formació de reactius, ja que tindrem un valor de Qc . Kc; aleshores, per assolir l’equilibri han de reaccionar els productes per obtenir més reactius.

7. Quina diferència hi ha entre Qc i Kc?

Qc no és una constant i en la seva expressió no hi &guren les concentracions en l’equilibri.

8. Quan coincideixen els valors de les constants d’equilibri Kc i Kp?

Quan no hi ha increment en el nombre de mols gasosos d’una reacció, és a dir, quan el nombre de mols gasosos de reactius és igual al nombre de mols gasosos de productes.

9. En reaccionar el diòxid de sofre amb el diòxid de nitrogen, s’obté triòxid de sofre i monòxid de nitrogen. Un recipient d’1 L conté en equilibri 0,8 mol SO2, 0,1 mol NO2, 0,6 mol SO3 i 0,4 mol NO. Calcula els mols de NO que cal afegir al recipient perquè la concentració de NO2 sigui de 0,3 mol?L21, si la temperatura es manté constant. Tots els compostos són gasos.

Escrivim la reacció d’equilibri i calculem el valor de Kc:

SO2(g) 1 NO2(g) [ SO3(g) 1 NO(g)

[SO3] [NO] (0,6) (0,4)Kc 5 —————— 5 —————— 5 3

[SO2] [NO] (0,8) (0,1)

Tot seguit escrivim la situació que ens descriu el problema:

SO2(g) 1 NO2(g) [ SO3(g) 1 NO(g)

C inicial 0,8 0,1 0,6 0,4 1 y

C que reacciona x x 5 0,2 x x

C equilibri 1 0,3 0,4 0,2 1 y

[SO3] [NO] (0,4) (0,2 1 y)Kc 5 —————— 5 ———————— 5 3

[SO2] [NO] (1) (0,3)

Resolent l’equació resultant obtenim que y 5 2,05; per tant, hem d’afegir 2,05 mol de monòxid de nitrogen.

10. Si coneixem les constants d’equilibri següents:

4 NH3(g) 1 5 O2(g) [ 4 NO(g) 1 6 H2O(g) K1

2 NO(g) 1 O2(g) [ 2 NO2(g) K2

calcula la constat d’equilibri de la reacció següent:

4 NH3(g) 1 7 O2(g) [ 4 NO2(g) 1 6 H2O(g)

a) K3 5 K1 K2 b) K3 5 K1 K22

K1 K1c) K3 5 —— d) K3 5 —— 2 K2 K2

2

e) K3 5 K12 K2 f) K3 5 3 K1 K2

45QUÍMICA 2 04

b) Augmentant la concentració del diòxid de sofre, que en ser un reactiu, desplaça l’equilibri cap a la formació de pro-ductes.

c) Augmentant la concentració d’oxigen, per la mateixa raó que en l’apartat b).

d) Disminuint la concentració de triòxid de sofre, ja que és un producte i, així, l’equilibri es desplaça cap a la dreta.

e) També es pot aconseguir introduint un gas inert en el reci-pient, ja que implica un augment de la pressió i l’equilibri es desplaça cap al sentit on hi ha menys mols de gasos, en aquest cas, cap a la formació de productes.

16. A 750 K, un litre d’una mescla de NH3, N2 i H2 en equilibri es compon d’1,20 mol H2, 1 mol N2 i 0,329 mol NH3. L’equi-libri és:

N2(g) 1 3 H2(g) [ 2 NH3(g)

a) Calcula la constant d’equilibri Kc i les pressions parcials dels gasos en l’equilibri.


N2(g) 1 3 H2(g) [ 2 NH3(g)

[NH3]2

Kc 5 ————— [N2] [H2]

3

Tot seguit calculem el valor de Kc:

[NH3]2 (0,329)2

Kc 5 ————— 5 —————— 5 0,0626 (mol/dm3)22

[N2] [H2]3 (1) (1,20)3

Per calcular les pressions parcials de cada gas en l’equilibri, necessitem conèixer la pressió total:

ntotal 5 1,20 1 1 1 0,329 5 2,529 mol

Apliquem l’equació d’estat dels gasos ideals:

ptotal V 5 ntotal R T

ntotal R T 2,529 mol ? 0,082 atm?L/(K?mol) ? 750 Kptotal 5 ———— 5 —————————————————— V 1 L

ptotal 5 155,53 atm


1p (N2) 5 x (N2) ? ptotal 5 ——— ? 155,53 atm 5 61,5 atm

2,529

1,20p (H2) 5 x (H2) ? ptotal 5 ——— ? 155,53 atm 5 73,8 atm

2,529

0,329p (NH3) 5 x (NH3) ? ptotal 5 ——— ? 155,53 atm 5 20,23 atm 2,529

b) Si la variació d’entalpia corresponent al procés és 292,4 kJ, indica en quin sentit es desplaça l’equi libri si la temperatura augmenta $ns a 1 373 K.

N2(g) 1 3 H2(g) [ 2 NH3(g) DH 5 292,4 kJ

Si la temperatura augmenta, l’equilibri es desplaça en el sentit endotèrmic, és a dir, cap a la formació de reactius.

Finalment, substituïm valors en l’expressió de Kc:

[SO3]2 (0,0106)2

Kc 5 —————— 5 ———————————— [SO2]

2 [O2] (3,2 ? 1023)2 (1,6 ? 1023)

Kc 5 6 858 (mol/dm3)21

Per acabar calculem el valor de Kp:

Kp 5 Kc (R T)Dn

Kp 5 6 858 L/mol ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 873 K)21

Kp 5 95,8 atm21

13. Troba el valor de Kp per a les reaccions següents:

a) COCl2(g) [ CO(g) 1 Cl2(g)

Kc 5 2,8 ? 1023 mol/L (27 °C)

Kp 5 Kc (R T)Dn

Kp 5 2,8 ? 1023 mol/L ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 300 K)1

Kp 5 0,069 atm

b) 4 HCl(g) 1 O2(g) [ 2 Cl2(g) 1 2 H2O(g)

Kc 5 4,38 ? 104 (mol/L)21 (340 °C)

Kp 5 Kc (R T)Dn

Kp 5 4,38 ? 104 L/mol ? (0,082 atm?L/(K?mol) ? 613 K)21

Kp 5 871,4 atm21

14. El monòxid de nitrogen gasós es descompon en nitrogen i oxigen en un procés exotèrmic. Explica raona dament:

a) Si una disminució de la temperatura afavoreix la des-composició del NO.


2 NO(g) [ N2(g) 1 O2(g) DH , 0

Una disminució de la temperatura afavoreix la descomposi-ció del NO, ja que l’equilibri es desplaça en el sentit exotèr-mic i, per tant, cap a la formació de productes.

b) La in;uència de la disminució de volum sobre aquest equilibri.

Una disminució del volum implica un augment de la pressió, però en aquesta reacció no hi ha variació en el nombre de mols gasosos; per tant, l’equilibri no es veu afectat per la variació de la pressió.

15. En un recipient a volum constant té lloc l’equilibri següent:

1 SO2(g) 1 — O2(g) [ SO3(g) DH 5 2981,3 kJ 2

Explica raonadament quatre maneres diferents d’incremen-tar la quantitat de SO3.

Es pot aconseguir desplaçar l’equilibri cap a la formació de pro-ductes de les maneres següents:

a) Disminuint la temperatura, ja que l’equilibri es desplaça en el sentit exotèrmic.



PCl5(g) [ PCl3(g) 1 Cl2(g)

[PCl3] [Cl2]Kc 5 ——————

[PCl5]


PCl5 [ PCl3 1 Cl2

C inicial c — —

C que reacciona c a c a c a

C equilibri c (1 2 a) c a c a

Substituïm els valors en l’expressió de Kc:

[PCl3] [Cl2] c2 a2 c a2

Kc 5 —————— 5 ————— 5 ———— [PCl5] c (1 2 a) (1 2 a)

0,015 ? 0,52

Kc 5 —————— 5 7,5 ? 1023 mol?dm23

1 2 0,5

20. L’alcohol etílic reacciona amb l’àcid acètic i es forma acetat d’etil i aigua, en una reacció anomenada d’esteri�cació.

Si tenim unes dissolucions inicials d’alcohol i àcid 1 M i sabem que Kc a 25 °C és 9, calcula’n el grau de dissociació.


CH3CH2OH 1 CH3COOH [ CH3COOCH2CH3 1 H2O

[CH3COOCH2CH3] [H2O]Kc 5 ———————————— 5 9

[CH3CH2OH] [CH3COOH]


CH3CH2OH 1 CH3COOH [ CH3COOCH2CH3 1 H2O

C inicial 1 1 — —

C reacciona a a a a

C equilibri 1 2 a 1 2 a a a

Substituïm els valors en l’expressió de Kc:

a2

Kc 5 ————— 5 9 (1 2 a)2

I obtenim que a 5 0,75.

21. A 400 °C, el clorur d’hidrogen reacciona en fase gasosa amb l’oxigen, i s’obté clor i vapor d’aigua. La reacció assoleix l’estat d’equilibri. Justi(ca en quin sentit es desplaça l’equi-libri quan:

a) Se’n disminueix la pressió total.


4 HCl(g) 1 O2(g) [ 2 Cl2(g) 1 2 H2O(g)

Si disminuïm la pressió, l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de més mols gasosos, és a dir, cap a la forma-ció de reactius.

b) S’hi afegeix argó mantenint el volum constant.

L’argó no intervé en l’equilibri, però augmenta la pressió del sistema; per tant, l’equilibri es desplaça en el sentit de

17. Què és el grau de dissociació? Quins valors numèrics pot tenir?

El grau de dissociació és el tant per 1 que reacciona (que es dis-socia). Els valors que pot tenir estan compresos entre 0 , a , 1.

18. El N2O4 es dissocia segons l’equilibri:

N2O4 [ 2 NO2

Si inicialment tenim 42 g de N2O4 i en l’equilibri tenim 18,35 L a 50 °C i a una pressió de 710 mmHg, calcula:

a) El grau de dissociació del N2O4.

Calculem els mols de N2O4 a l’inici de la reacció:

42 gn (N2O4) 5 ————— 5 0,46 mol

92 g/mol

Calculem els mols totals (N2O4 1 NO2) que tenim en l’equi-libri aplicant l’equació d’estat dels gasos ideals:

ptotal V 5 ntotal R T

710 ——— atm ? 18,35 L ptotal V 760

ntotal 5 ———— 5 —————————————— R T 0,082 atm?L/(K?mol) ? 323 K

ntotal 5 0,647 mol

Escrivim l’equació d’equilibri:

N2O4(g) [ 2 NO2(g)

n inicial n —

n que reacciona n a 2 n a

n equilibri n (1 2 a) 2 n a

Per tant:

ntotal 5 n (1 2 a) 1 2 n a 5 n (1 1 a)

0,647 5 0,46 (1 1 a)

a 5 0,4

b) La constant d’equilibri Kp.

Escrivim l’expressió de Kp i l’expressem en funció del grau de dissociació: 2 n a 3—————4

2

? ptotal p2 (NO2) x2 (NO2) ? p

2total n (1 1 a)

Kp 5 ———— 5 ——————— 5 —————————— p (N2O4) x (N2O4) ? ptotal n (1 2 a) ————— n (1 1 a) 4 a2

———— ? ptotal (1 1 a)2 4 a2 ? ptotal 4 a2

Kp 5 ———————— 5 ———————— 5 ———— ? ptotal (1 2 a) (1 1 a) (1 2 a) 1 2 a2

———— (1 1 a)

4 (0,4)2 710Kp 5 ————— ? ——— 5 0,712 atm

1 2 0,42 760

19. El grau de dissociació de la reacció de descomposició del pentaclorur de fòsfor en triclorur de fòsfor i clor és 0,5 a 473 K. Quina és la constant d’equilibri si la concentració inicial de PCl5 és 0,015 mol?L21?

47QUÍMICA 2 04

Escrivim l’equació d’equilibri i l’expressió de Kp:

N2O4(g) [ 2 NO2(g)

p2 (NO2)Kp 5 —————

p (N2O4)


N2O4(g) [ 2 NO2(g)

n inicial 1 —

n que reacciona 0,4 2 ? 0,4

n equilibri 0,6 0,8

El nombre de mols totals és d’1,4 mol i la pressió total és apro-ximadament d’1 atm. Desenvolupem l’expressió de Kp en funció de les fraccions molars:

p2 (NO2) x2 (NO2) ? p2total x2 (NO2)

Kp 5 ————— 5 ———————— 5 ———— ? ptotal p (N2O4) x (N2O4) ? ptotal x (N2O4)

Hi substituïm els valors i obtenim Kp:

0,8 1——2

2

x2 (NO2) 1,4Kp 5 ————— ? ptotal 5 ————— ? 1 atm 5 0,76 atm

x (N2O4) 0,6 1——2 1,4

Sabem que l’entalpia és positiva; per tant, signi#ca que la reac-ció és endotèrmica.

Si augmenta la temperatura, l’equilibri es desplaça cap al sentit endotèrmic, és a dir, cap a la formació de productes, i augmen-ta el rendiment de la reacció.

Si augmenta la pressió total, l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de menys mols gasosos, és a dir, cap a la forma- ció de reactius, i disminueix el rendiment de la reacció.

24. Com es pot millorar el rendiment de la reacció següent?

A(g) 1 2 B(g) [ 4 C(g)

DH , 0

Podem millorar el rendiment de la reacció:

a) Disminuint la temperatura del sistema, ja que l’equilibri es desplaçarà en el sentit exotèrmic.

b) Disminuint la pressió, ja que l’equilibri es desplaçarà en el sentit de formació de més mols gasosos, és a dir, cap a la formació de productes.

c) Augmentant la concentració d’algun dels reactius.

d) Disminuint la concentració del producte.

25. A 600 K l’equilibri de dissociació següent:

CH3CHOHCH3(g) [ CH3COCH3(g) 1 H2(g)

és exotèrmic. Indica raonadament si la dissociació augmen-ta, disminueix o no varia:

formació de menys mols de gasos, és a dir, cap a la formació de productes.

c) S’hi afegeix clor mantenint el volum constant.

Si augmentem la concentració de clor, l’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius.

22. A 2 000 °C i 1 atm de pressió total, el diòxid de carboni es descompon en un 60 % segons l’equació següent:

2 CO2(g) [ 2 CO(g) 1 O2(g) DH . 0

a) Calcula la constant d’equilibri Kp a 2 273 K.

Escrivim la reacció d’equilibri i l’expressió de Kp:

2 CO2(g) [ 2 CO(g) 1 O2(g)

p2 (CO) ? p (O2)Kp 5 ———————

p2 (CO2)


2 CO2(g) [ 2 CO(g) 1 O2(g)

n inicial 1 — —

n que reacciona 2 c a 5 0,6 2 c a c a

n equilibri 0,4 0,6 0,3

Els mols totals en l’equilibri són 1,3 mol i la pressió total és d’1 atm.

Desenvolupem l’expressió de Kp en funció de les fraccions molars:

x2 (CO) ? p2total ? x (O2) ? ptotal x2 (CO) ? x (O2)

Kp 5 ————————————— 5 ——————— ? ptotal x2 (CO2) ? p

2total x2 (CO2)

Hi substituïm els valors i obtenim el valor de Kp:

0,6 0,3 1——2

2

? 1——2 x2 (CO) ? x (O2) 1,3 1,3Kp 5 ———————— ? ptotal 5 ————————— ? 1 atm x2 (CO2) 0,4 1——2

2

1,3

Kp 5 0,519 atm

b) Explica quin efecte tindria sobre l’equilibri un augment de temperatura.

Si la temperatura augmenta, l’equilibri es desplaçarà en el sentit endotèrmic, és a dir, cap a la formació de productes.

c) Quin seria l’efecte d’una disminució de pressió?

Si disminuïm la pressió, l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de més mols gasosos, és a dir, cap a la forma-ció de productes.

23. A 323 K i una pressió de 105 Pa, el tetraòxid de dinitrogen està dissociat en un 40 % en diòxid de nitrogen. Calcula Kp de l’equilibri de dissociació. Si la variació d’entalpia és po-sitiva, discuteix l’efecte sobre la constant d’equilibri i so-bre el rendiment de la reacció en augmentar la temperatura i la pressió total.


Obtenim que x 5 4,8 ? 1025 i la concentració de NO en l’equili-bri és:

[NO] 5 2 x 5 9,6 ? 1025 mol/L

La resposta correcta és la e).

28. A 800 °C la constant d’equilibri, Kp, per a la descomposició del carbonat de calci en òxid de calci i diòxid de carboni és 1,16.

a) Indica la massa de carbonat de calci que reaccionarà si s’introdueixen 20 g d’aquest compost en un recipient de 10 L i s’escalfa el recipient &ns a 800 °C.

Calculem el nombre de mols de CaCO3 inicials:

20 gn (CaCO3) 5 ————— 5 0,20 mol

100 g/mol

Escrivim la situació que ens descriu el problema:

CaCO3(s) [ CaO(s) 1 CO2(g)

n inicial 0,2 — —

n que reacciona x x x

n equilibri 0,2 2 x x x

Com que estem treballant amb concentracions, hem d’esbri-nar el valor de Kc.

Kp 5 Kc (R T)Dn

Kp 1,16Kc 5 ———— 5 ———————— 5 0,013 mol/L

(R T)Dn (0,082 ? 1 073)1

Escrivim l’expressió de Kc:

x 1—2

2

[CaO] [CO2] VKc 5 —————— 5 —————— 5 0,013 mol/L

[CaCO3] 0,2 2 x ———— V x2

—————— 5 0,013 mol/L (0,2 2 x) V

Obtenim que x 5 0,109 i, per tant, la massa de carbonat de calci que reacciona és:

100 g CaCO30,109 mol CaCO3 ? ——————— 5 10,9 g CaCO3 1 mol CaCO3

Han reaccionat 10,9 g de CaCO3.

b) Justi&ca el desplaçament de l’equilibri:

— En afegir un gas inert al recipient.

En afegir un gas inert, la pressió augmenta i l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de menys nombre de mols gasosos, és a dir, cap a la formació de reactius.

— En augmentar el volum del recipient.

Si augmentem el volum, la pressió disminueix; per tant, l’equilibri es desplaça cap a la formació de productes.

a) En augmentar la pressió.

En augmentar la pressió, la dissociació disminueix, ja que l’equilibri es desplaça cap a la formació de reactius, sentit en el qual hi ha menys mols gasosos.

b) En disminuir la temperatura.

En disminuir la temperatura, augmenta la dissociació, ja que l’equilibri es desplaça en el sentit exotèrmic.

c) En afegir-hi un catalitzador.

En afegir-hi un catalitzador, l’equilibri no varia.

26. Interpreta els valors de l’energia lliure de Gibbs per a dife-rents valors de la constant d’equilibri:

DG° 5 2R T ln K

Un procés és espontani quan DG° , 0 i K . 1.

Un procés és no espontani quan DG° . 0 i K , 1.

27. En un matràs d’un litre de capacitat s’introdueix un mol de NO2 i la temperatura es manté a 25 °C.

L’equilibri de la reacció que s’estableix és:

2 NO(g) 1 O2(g) [ 2 NO2(g)

Quina serà la concentració de NO un cop establert l’equi-libri?

Dades: DG°f (NO a 25 °C) 5 86,55 kJ/mol

DG°f (NO2 a 25 °C) 5 51,30 kJ/mol

a) 7,6 ? 1025 mol/L b) 1,5 ? 1024 mol/L

c) 0,012 mol/L d) 2,3 ? 10212 mol/L

e) 9,6 ? 1025 mol/L f ) 7,9 ? 1023 mol/L

Calculem l’increment d’entalpia lliure de Gibbs de la reacció:

DG°r 5 2 DG°f (NO2) 2 2 DG°

f (NO)

DG°r 5 2 ? 51,30 2 2 ? 86,55 5 270,5 kJ

A partir de l’expressió DG° 5 2R T ln K, calculem el valor de la constant d’equilibri:

DG° 5 2R T ln K

270 500 5 28,314 ? 298 ? ln K

K 5 2,28 ? 1012 (mol/L)21

Tot seguit, escrivim la situació que ens descriu el problema:

2 NO(g) 1 O2(g) [ 2 NO2(g)

n inicial — — 1

n reacciona 2 x x 2 x

n equilibri 2 x x 1 2 2 x

Escrivim l’expressió de la constant de concentracions de l’equi-libri: [NO2]

2 (1 2 2 x)2

Kc 5 ————— 5 ————— 5 2,28 ? 1012 (mol/L3)21

[NO]2 [O2] x (2 x)2

49QUÍMICA 2 04

Constant d’equilibri de concentracions:

[NO2]2

Kc 5 ———— N2O4

Calculem les masses moleculars:

Massa molecular del N2O4 5 92 g/mol

Massa molecular del NO2 5 46 g/mol

Mols inicials de reactiu 5

1 mol N2O45 184 g N2O4 ? ————— 5 2,0 mols de N2O4 92 g N2O4

Mols !nals de producte 5

1 mol NO25 36,8 g NO2 ? ————— 5 0,80 mols de NO2 46 g NO2

Plantejament de l’equilibri:

N2O4(g) [ 2 NO2(g)

mols inicials 2,0 0

mols en equilibri 2,0 2 x 2 x

mols de NO2 en equilibri 5 0,80 5 2 x ]

0,80] x 5 ——— 5 0,40 mols 2

Calculem les concentracions en equilibri sabent que:

V 5 4,00 litres

2,0 2 x 2,0 2 0,40[N2O4] 5 ———— 5 ————— 5 0,40 M 4,00 4,00

2 x 0,80[NO2] 5 ——— 5 ——— 5 0,20 M 4,00 4,00

Càlcul de la constant d’equilibri:

[NO2]2 (0,20)2

Kc 5 ———— ] Kc 5 ———— N2O4 0,40

Kc 5 0,10

b) Si l’aire de les grans ciutats a l’estiu, i en dies sense vent, és més marró que a l’hivern, justi#queu si la reac-ció de dissociació del N2O4(g) és endotèrmica o exotèr-mica.

Dades: Masses atòmiques relatives: N 5 14,0; O 5 16,0.

Reacció:N2O4(g) [ 2 NO2(g)

incolor marró

Si a l’estiu l’aire és més marró que a l’hivern vol dir que hi ha més proporció de NO2 a l’estiu que a l’hivern.

Per tant, la reacció de dissociació del N2O4 està més despla-çada cap a la dreta a l’estiu, quan la temperatura és més alta, a causa del fet que el N2O4 absorbeix la calor.

Si absorbeix calor, la reacció de dissociació del N2O4 és endotèrmica.

29. Podem obtenir clor a partir de l’oxidació del clorur d’hidro-gen gasós segons l’equació següent:

4 HCl(g) 1 O2(g) [ 2 H2O(g) 1 2 Cl2(g)

a) Calcula la constant d’equilibri, Kp, a 390 °C si en mes-clar 0,080 mol de clorur d’hidrogen i 0,100 mol d’oxigen a aquesta temperatura obtenim 0,0332 mol de clor a la pressió total d’1 atm.

Escrivim la situació que ens descriu el problema:

4 HCl(g) 1 O2(g) [ 2 Cl2(g) 1 2 H2O(g)

n inicial 0,080 0,100 — —

n reacciona 4 x x 5 0,0166 2 x 2 x

n equilibri 0,0136 0,0834 0,0332 0,0332

Els mols totals en l’equilibri són 0,1634 mol i la pressió to-tal és d’1 atm.

Escrivim l’expressió de Kp i l’expressem en funció de les fraccions molars:

p2 (Cl2) ? p2 (H2O) x2 (Cl2) ? p

2total ? x

2 (H2O) ? p2total

Kp 5 ————————— 5 ——————————————— p4 (HCl) ? p (O2) x4 (HCl) ? p4

total ? x (O2) ? ptotal

x2 (Cl2) ? x2 (H2O)

Kp 5 ——————————— x4 (HCl) ? x (O2) ? ptotal

0,0332 0,0332 1————2

2

? 1————22

0,1634 0,1634Kp 5 ————————————— 5 69,6 atm21

0,0136 0,0834 1————2

4

? 1————2 0,1634 0,1634

b) Indica quin desplaçament de l’equilibri es produirà si el volum es redueix a la meitat. Justi#ca la resposta.

Si disminueix el volum, la pressió augmenta i l’equilibri es desplaça en el sentit de formació de menys mols gasosos, és a dir, cap a la formació de productes.

Prepara la selectivitat

1. [Curs 10-11] Els òxids de nitrogen formen part de la pol-lució de les grans ciutats a causa de la combustió en els motors d’explosió. El N2O4(g) és incolor i el NO2(g) és marró i més tòxic. En una experiència de laboratori s’introdueixen 184,0 g de N2O4(g) en un recipient de 4,00 L, i s’es-calfen fins a 300 K per provocar la dissociació del N2O4(g) en NO2(g). Passat un cert temps, quan la mescla ha assolit l’equilibri, s’analitza el contingut del recipient i es troba que la quantitat de NO2(g) és 36,8 g.

a) Determineu la constant d’equilibri en concentracions (Kc) de la reacció de dissociació del N2O4(g) a 300 K.

Reacció de dissociació del N2O4(g):

N2O4(g) [ 2 NO2(g)


b) Si en un recipient tancat d’1,0 L de volum que està a una temperatura de 1 100 K introduïm 1,0 mol de nitro-gen i 1,0 mol d’oxigen, quants mols de monòxid de ni-trogen hi haurà en el recipient quan la reacció assoleixi l’equilibri?

Plantegem les condicions inicials i d’equilibri de la reacció:

N2(g) 1 O2(g) [ 2 NO(g) Kc (1 100 K)

Inicial 1 1 —

Equilibri 1 2 x 1 2 x 2 x

[NO]2

Kc 5 1028 5 ————— [N2] [O2]

(2 x/1)2

Kc 5 ——————————— (1 2 x/1) ? (1 2 x/1)

(2 x)2

Kc 5 1025 5 ————— (1 2 x)2

Fent l’arrel quadrada a cada costat de l’equació:

2 x1022,5 5 ———— 1 2 x

x 5 1,58 ? 1023 mols

Mols de NO a l’equilibri 5 2 x

Mols de NO a l’equilibri 5 3,2 ? 1023

Si suposem que x és petita, arribem a la mateixa solució.

4. [Curs 09-10] La formació de iodur d’hidrogen gasós es pro-dueix a 448 °C segons la reacció:

I2(g) 1 H2(g) [ 2 HI(g) Kc 5 50

Un recipient tancat d’un litre conté inicialment una barreja amb 0,50 mols de iode, 0,50 mols d’hidrogen i 1,00 mol de iodur d’hidrogen, a la temperatura de 448 °C.

a) Justifiqueu, fent els càlculs necessaris, que la reacció no està en equilibri i indiqueu en quin sentit es despla-çarà la reacció.

Calculem les concentracions molars:

[I2] 5 0,5 M [H2] 5 0,5 M [HI] 5 1 M

El quocient de reacció és:

[HI]2 1Qc 5 ———— 5 ————— 5 4 [I2] [H2] (0,5) (0,5)

Kc 5 50 i Qc 5 4. Qc és més petit que Kc. Per tant, la con-centració de productes està per sota de la que tindria en l’equi libri; així doncs, la reacció es desplaçarà cap a la for-mació de més productes, és a dir, cap a la dreta.

b) Calculeu el nombre de mols de iode, hidrogen i iodur d’hidrogen que hi haurà en el recipient quan s’arribi a l’equilibri.

[HI]2

Kc 5 ———— [I2] [H2]

2. [Curs 10-11] L’àcid sulfúric és un dels compostos més fa-bricats del món. Actualment, la major part de la producció es fa servir per elaborar fertilitzants, tot i que també s’uti-litza en diversos processos metal·lúrgics o en les bateries dels automòbils. Una de les etapes en el procés d’obten- ció de l’àcid sulfúric és la reacció d’oxidació del diòxid de sofre a triòxid de sofre. A partir de les dades de la taula següent, responeu a les qüestions i justifiqueu les res-postes.

Variació de la constant d’equilibri amb la temperatura

Reacció 2 SO2(g) 1 O2(g) [ 2 SO3(g)

Temperatura (K) 500 700 1 100

Constant d’equilibri

en pressions (Kp)2,5 ? 1010 3,0 ? 104 1,3 ? 1021

Taula 4.2

a) Per aconseguir que la reacció tingui un rendiment alt, convé treballar a temperatures altes o baixes?

Per aconseguir un rendiment alt de la reacció, ha d’anar al màxim cap a la formació de productes (SO3).

Això passa si la constant d’equilibri és alta.

De la taula podem deduir que a temperatures baixes (500 K) tenim un rendiment més alt.

b) En quines condicions de pressió podem millorar el ren-diment de la reacció?

Per aconseguir un rendiment alt de la reacció, ha d’anar al màxim cap a la formació de productes (SO3). La pressió no modifica la constant d’equilibri, però pot desplaçar la reacció cap a productes o reactius.

Aplicant el principi de Le Châtelier, si la pressió augmenta, l’equilibri de la reacció es desplaça cap a on hi ha menys mols de gasos.

En la reacció igualada, tenim 3 mols de gasos en reactius i 2 mols de gasos en productes. Per tant, un augment de pressió desplaçarà la reacció cap a la formació de productes i n’augmentarà el rendiment.

3. [Curs 09-10] Als motors dels automòbils es produeix la reac ció següent, que provoca contaminació atmosfèrica per òxids de nitrogen:

N2(g) 1 O2(g) [ 2 NO(g)

La constant d’equilibri de concentracions d’aquesta reacció és 1,0 ? 10230 a 298 K, però a una temperatura de 1 100 K és 1,0 ? 1025.

a) Raoneu si la reacció és endotèrmica o exotèrmica.

Quan augmentem la temperatura de 298 K a 1 100 K, la constant d’equilibri augmenta, és a dir, la reacció va més cap a la dreta.

Això ens indica que quan hi afegim calor, la reacció l’absor-beix i evoluciona cap a la formació de productes.

La reacció és endotèrmica (DH . O).

51QUÍMICA 2 04

Quimitest

1. El monòxid de carboni, un dels components del fum del ta-bac, redueix dràsticament la quantitat d’oxigen transporta-da per l’hemoglobina. Quina és la reacció d’equilibri corres-ponent?

a) CO(g) 1 Hb-O2(aq) [ Hb-CO(aq) 1 O2(g)

b) CO2(g) 1 Hb-O2(aq) [ Hb-CO2(aq) 1 O2(g)

c) O2(g) 1 Hb-CO(aq) [ Hb-O2(aq) 1 CO(g)

d) CO(g) 1 Hb 1 O2(aq) [ Hb-CO(aq)

La resposta correcta és la a).

2. A una temperatura determinada el grau de dissociació d’una dissolució 0,15 M d’àcid iodhídric és 0,2. Quina és la cons-tant d’equilibri de concentracions?

a) 0,15

b) 0,2

c) 0,0075

d) 0,012

La resposta correcta és la c).

3. El N2O4 es dissocia segons l’equilibri: N2O4 [ 2 NO2. La Kp a 323 K és 0,79. Quina és la Kc de la reacció inversa?

a) 0,79

b) 33,52

c) 0,0298

d) 0,21

La resposta correcta és la b).

4. En la reacció de conversió de monòxid de carboni a diòxid de carboni a 1 273 K segons la reacció:

CO(g) 1 H2O(g) [ CO2(g) 1 H2(g)

Kc val 0,62. Quant val Kp?

a) 1,24

b) 64,72

c) 0,62

d) 6 755,79


5. El sulfat d’alumini es dissocia segons la reacció:

Al2(SO4)3 [ 2 Al31 1 3 SO422

Quina és la Kc si el grau de dissociació d’aquesta substància en una dissolució 1 M de sulfat d'alumini és 0,22?

a) 0,78

b) 0,078

[HI]2 (1 1 x)2

50 5 ———— 5 —————————— [I2] [H2] (0,5 2 x) (0,5 2 x)

x 5 0,314 M

[HI] 5 1,314 M [I2] 5 0,186 M [H2] 5 0,186 M

5. [Curs 09-10] L’amoníac és un dels compostos de producció industrial més elevada. Es pot obtenir a partir de la reacció del nitrogen amb l’hidrogen segons la següent equació:

N2(g) 1 3 H2(g) [ 2 NH3(g)

Amb l’ajut de la figura, contesteu les qüestions.

temperatura / °C

rendiment

%

pressió/atm

80

60

40

20

200

300400

500400

450

500

60060,6

54,9

47,838,7

27,4 35,9 42,9 48,8

37,8

32,2

26,0

18,9

8,8 12,9 16,920,8

Figura 4.9. Rendiment de la reacció de formació de l’amoníac en funció

de la pressió i la temperatura.

a) Deduïu, i raoneu, si la reacció serà exotèrmica o endo-tèrmica.

Aplicant la fòrmula DG°r 5 DH°r 2 T DS°r

DS°r és negativa. El procés és entròpicament desfavorable, passa de 4 molècules de gas a dues molècules de gas i, per tant, és un procés clarament d’ordenació.

Si la reacció es produeix en determinades circumstàncies, DH°r ha de ser negatiu i, per tant, la reacció és exotèrmica.

Si no ho fos, el procés no es produiria mai, DG°r sempre seria positiu.

b) En quines condicions de pressió es pot obtenir un rendi-ment més alt de la reacció? Expliqueu els fonaments teòrics que justifiquen la vostra resposta.

Si s’observa la *gura, el màxim rendiment s’obté a tempe-ratures (relativament baixes). A temperatures més baixes hi ha problemes de velocitat de reacció i a pressions altes:

Temperatures baixes: Com que la reacció és exotèrmica, si es disminueix la temperatura s’afavoreix el sentit exotèrmic i, per tant, augmenta el rendiment.

Pressions altes: Si s’augmenta la pressió, l’equilibri tendeix a desplaçar-se cap a produir menys pressió, és a dir, cap a menys mols, que és cap a la producció de productes. Aug-menta el rendiment.


La reacció és exotèrmica. Si es vol afavorir la formació de NO2 cal:

a) Disminuir la temperatura.

b) Augmentar la temperatura.

c) Disminuir la pressió.

d) Afegir un catalitzador.

La resposta correcta és la a).

8. L’etilè és un dels productes derivats del craqueig del petroli més utilitzats per a la síntesi de productes orgànics. Fins i tot se’n pot obtenir alcohol etílic segons la reacció:

CH25CH2(g) 1 H2O(g) [ CH3CH2OH(g)

Es podria augmentar el rendiment d’aquesta reacció:

a) Amb platí com a catalitzador.

b) Afegint alcohol.

c) Augmentant la pressió.

d) Disminuint la pressió.


c) 0,71

d) 0,071

La resposta correcta és la d).

6. En les estructures de bronze es produeix la formació de car-bonat de coure, que dóna una coloració verdosa a les #gu-res. La reacció és la següent:

CuO(s) 1 CO2(g) [ CuCO3(s)

Si es vol limitar la formació de carbonat de coure cal:

a) Afegir diòxid de carboni.

b) Evitar la presència de CFC.

c) Limitar la contaminació de diòxid de carboni.

d) Evitar la presència de pluja àcida.


7. Entre les reaccions amb els òxids de nitrogen que es pro-dueixen en processos de combustió tenim la següent:

2 NO(g) 1 O2(g) [ 2 NO2(g)

40 solucionari del llibre de l’alumne 40 04 solucionari del llibre de l’alumne j unitat 4....

Documents