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Semana 30 Química

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CÉSAR VALLEJO

Material Didáctico

30   30 Cinética química y Equilibrio químico I El equilibrio químico es el estado que alcanza de una reacción química reversible, en la que coexisten reactantes y productos por un tiempo indefinido en un sistema cerrado a temperatura constante. Ejemplo

En una bebida carbonatada o gasificada hay equilibrio molecular y equilibrio iónico donde coexisten moléculas y especies iónicas.

CO2+H2O  H2CO3 H2CO3   H++HCO3– HCO–3   H++CO32–

–

se establece

se describe

Cuando se igualan las velocidades de reacción directa (v d)  e inversa (v i)

Cualitativa y cuantitativamente cuantitativamente mediante la constante de equilibrio (K eq) se expresa

por ello

El equilibrio químico es dinámico a nivel molecular.

En función de las concentraciones molares K 

En función de las presiones parciales K 

( c)

(  p)

también

se emplea

se emplea

El equilibrio químico es estático a nivel macroscópico.

En todo tipo de equilibrio químico

Solo cuando hay sustancias gaseosas

debido

A que las propiedades físicas del sistema (temperatura, densi-dad, presión, etc.) permanecen constantes.

en la reacción

aA(g)+bB(g) 



cC (g)+dD(g)

se determina

c

 

K c= [C ]a [D]b [ A] [B]  

c

d 

   

d 

K  p= P C a · P Db P  A  · P B

 

se relaciona

K  p=K c(RT)∆ n  

∆ n=(c+d ) – (a+b)

 

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Problemas resueltos 1. Se tiene la siguiente reacción química elemental:   M(g) + 2N(g)  →  3P(g)  Si la concentración molar de la sustancia M se duplica y la de  se reduce a la mitad, ¿cuánto variará la velocidad de la reac N  se ción respecto de la velocidad inicial?

 A) Aumenta al 50 %. C) Aumenta Aumenta 75 %. D) Aumenta al 25 %.

 

E) Se reduce al 50 %. vapor

Para la reacción química elemental M(g) + 2N(g)  →  3P(g)  Su expresión de velocidad es  v rxn = K[M][N]2. Si la concentración de M se duplica y de N se reduce a la mitad  v rxn

 

  N 

2

2

= K  [2M]     =   K [M]][[N] 2 4

2

líquido

1

 v  rxn

2 =   K [M]][[N]

2

   

Por lo tanto, la nueva velocidad se reduce a la mitad o el 50 %. Rpta.: E

2.  

¿Qué fenómenos son químicos y a la vez reversibles? I. H2O(s)    H2O(g)

 

II. 2SO3(g)    2SO2(g) + O2(g)

 

III. 2O3(g)    3O2(g)  A) II y III D) solo III

 

B) solo I

C) solo II E) I y II

Resolución

I. Es un fenómeno físico reversible po porque rque implic implica a la transformación de sólido a gas y viceversa.   H2O(s)    H2O(g) II. Es un fenómeno q químico uímico reversible porque porque el SO3 se transforma en SO2 y O2. III. Es un fenómeno químico reversible porque el ozono (O3) se transforma en O2.   3.

La velocidad de evaporación y condensación son iguales en el equilibrio líquido - vapor.

B) Se reduce al 25 25%. %.

 Resolución

 

¡Sabía que...!

Rpta.: A 

Respecto a las características de la constante de equilibrio, indique los enunciados correctos. I. Su expresión depende del mecanismo de reacción. II. Su valor cambia al mod modificar ificar la presión o la concentración de los reactivos.

¡Recuerde que...!

Peter Waage, químico noruego, junto a su amigo, el también químico y matemático, Cato Guldberg, descubrieron y desarrollaron la ley de acción de masas entre los años 1864 y 1879.

 

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 A) 1,115

III. Su valor cambia al modificar los coeficien-

B) 0,028

tes estequiométricos.

C) 0,015  A) solo I D) solo III

B) sol solo o II

C) I y II E) II y III

 

Resolución

 

I. Incorrecta   La expresión de la constante de equilibrio depende de la ecuación neta de la reacción.

 

II. Incorrecta  

     

D) 2,182 E) 0,073  

Resolución

 

N2(g) + 3H2(g)    2 NH3(g)

 

La relación entre K p y K c es

 

∆ n  K   p = K c (RT)

El valor de la constante de equilibrio es independiente de la presión y concentración.

 

Solo depende de la temperatura.

 

Datos: –2  K   p = 2,7 × 10

III. Correcta

 

T = 600 K

 

Sea la reacción en equilibrio

 

 R = 0,082 atm · L/mol ·K

 

A

 

  = 2–(1 + 3) = – 2 ∆ n

 

Reemplazando tenemos

 

B

 K c1

Multiplicando por n, tenemos  n  n A   nB  K c1 = ( K c1) Al modificar el coeficiente estequiométrico,

 

2,7 × 10 – 2 = K c (0,082 × 600) – 2

 varía el valor de la la constante de equilibrio.

 

 K c = 65,35

 

Rpta.: D

4.

La constante de equilibrio  K p a 600 K para la

   

La reacción inversa es 2 NH3(g)    N2(g) + 3 H2(g)

siguiente reacción es 2,7 × 10 – 2.

 

 

3 H2(g) + N2(g)    2 NH3(g)

 

 1  K c'=  K c

 

Calcule la constante de equilibrio K   a la misma  

 K c’= 0,015

temperatura para la reacción.  

2 NH3(g)    N2(g) + 3H2(g)

c

 

La constante de equilibrio es

Rpta.: C

=

1 65, 35

 

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 A) VVF D) FFF

PRÁCTICA  DIRIGIDA  1.  Al iniciar la reacción se tienen 60 g de gas hidrógeno y suficiente cantidad de gas nitrógeno. Luego de 50 segundos, en el reactor de 10 L quedan aún 30 g de gas hidrógeno. Calcule la velocidad de formación del gas amoniaco en mol/L×s. N2(g) + H2(g)  →  NH3(g)  A) 0,02 D) 0,01

B) 0,05

 y Peter Waage estudiaron el efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción, estableciendo le ley de acción de masas. Respecto a esta ley, ¿qué enunciados son considerados incorrectos? I. La velocidad de reac reacción ción es inversamente proporcional a la concentración de los productos. II. La suma de las concentraciones de los reactantes es igual a la velocidad de reacción. III. La velocidad de reacción es proporcional a la concentración de los reactivos elevados a ciertos exponentes.  A) solo III D) II y III

B) I, II y III

C) I y II E) solo I

3. En general se busca que una reacción química tenga lugar con rapidez suficiente por razones prácticas. Marque la secuencia de verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. A llas as mismas mismas condiciones d de e temp temperatura, eratura, el gas doméstico se consume con mayor rapidez en Huancayo que en Lima. II. Para una misma cantidad de agua la primera reacción se lleva a cabo con mayor rapidez.   Na(s) + H2O(l) → NaOH(ac) + H2(g) +

K(s) 

→

 H2O(l) 

+

  Una barra de cinc se consume  H2(g) con menor III. rapidez en ácido clorhídrico, HCl(ac), 2 M  que  que las limaduras de cinc en HCl(ac) 2 M .

C) VFV  E) FFV 

4. Dada la reacción química elemental  

 A (g) + 2B(g)  →  2C(g) + D(g) Si se duplica la presión a temperatura constante, ¿cómo varía la velocidad de reacción con respecto a la velocidad de reacción inicial?  A) Aumenta Aument a 7 veces. B) Aumenta 8 veces. C) Aumenta 16 veces. D) Disminuye 8 veces. E) Aumenta 4 veces.

C) 0,04 E) 0,03

2. En 1867, los químicos noruegos Cato Guldberg

B) FVV

5. Se midió la velocidad inicial para la reacción    

química del dióxido de azufre con oxígeno: 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) a 25 °C con lo que se obtuvieron los siguientes datos:

 

  Velocidad (M/ s)

Ex Expe peri rime mento nto

[ SO2]

[O2]

1

0,02 M

0,02 M

0,057

2

0,04 M

0,02 M

0,227

3

0,02 M

0,01 M

0,028

Determine el orden de la reacción, así como la constante de velocidad. 3

 A) 3; 4 × 10 3 B) 2; 4,2 × 10 C) 2; 7,1 × 103  D) 3; 7,1 × 103  E) 3; 4,2 × 103

6. Luego de analizar cada proposición respecto a las características del equilibrio, indique las proposiciones incorrectas. I. A nivel submicroscópico es dinámico. II. Las concentraciones de cada uno de los reactantes y productos se mantienen constantes. III. Solo ocurre en reacciones irreversibles.

 KOH(ac) 

 A) I y II D) solo III

B) I, II y III

C) II y III E) I y III

 

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7. Dadas las siguientes proposiciones referidas a

 

las siguientes reacciones que ocurren a igual temperatura: P(g) + Q(g)    R(g)

 

Keql = 1,9 × 10 – 4

 

R(g) + M(g)    N(g) + Q(g)

   

Keq2 = 8,5 × 102 ¿Cuáles de las siguientes proposiciones son correctas? I. Para la rreacción: eacción: 2P(g)+2Q(g)    2R(g)  la constante de equilibrio es Keq3 = 3,61 × 10– 8, a la misma temperatura. II. Para la reacción: P(g)+M(g)    N(g) la constante de equilibrio es Keq1 × Keq2, a la misma temperatura. III. El valor de la constante de equilibrio K eq3   varía si cambia la temperatura. temperatura.  A) solo I D) Iy II

 A) solo I D) I y III

B) solo II

C) solo III E) I, II y III UNI 2019-I

8. En un recipiente se coloca NO2  y se calienta hasta 427 ºC. Una vez establecido el equilibrio se determina la constante de equilibrio 2NO 2(g)  2NO(g) +  O 2(g)

   

 

K c =  0, 02

calcule la constante de equilibrio K p para la reacción reversible a la misma temperatura. NO(g)+1/2O2(g)    NO2(g)  A) 0,54 D) 0,35

B) 0,93

III. Indica la variación de la concentración molar de los reactantes y productos en un intervalo de tiempo.

C) 0,79 E) 0,81

PRÁCTICA  DOMICILIARIA  1. Respecto a la velocidad de una reacción química, indique las proposiciones correctas. I. Indica lla a rap rapidez idez con la cual se consume los productos en una reacción química. II. Solo se puede d determinar eterminar al inicio d del el fenómeno químico.

B) solo II

C) solo III E) II y III

2. En determinadas condiciones de presión y temperatura, el metano, CH4, reacciona con el cloro para producir tetracloruro de carbono, CCl4. CH4(g) + Cl2(g)  →  CCl4() + HCl(g) Si el metano se consume a razón de 1,5 M/s, calcule la velocidad (en M/s) con la cual se forma el HCl.  A) 3,0 D) 4,5

B) 6,0

C) 1,5 E) 2,5

3. En general se busca que una reacción química tenga lugar con rapidez suficiente para su ma yor rendimiento, para ello, sse e manipula uno o más factores. Al respecto, determine qué factores son los modificados en las siguientes reacciones químicas. I. La combustión de madera en aserrín es más rápida que en trozos. II. El H2SO4(ac) 0,1  M  reacciona  reacciona más lento con el hierro que el H2SO4(ac) 3,0 M . III. La cocción de la carne se hace más rápido a 120 °C que a 70 °C.  A) concentración concent ración – cat cataliz alizador ador – temperat temperatura ura B) superficie de contacto – concentración – temperatura C) concentración – superficie de contacto – temperatura D) naturaleza de reactivos – temperatura – catalizador E) superficie de contacto – concentración – catalizador

 

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4. El monóxido de nitrógeno, NO, es un gas in-

7. Se muestra la ocurrencia de una reacción

coloro y poco soluble en agua. Este reacciona con hidrógeno formando nitrógeno molecular  y agua según la ecuación química: 2NO(g) + 2H2(g)  →  N2(g) + 2H2O(g) Si a 1200 °C su constante de velocidad es de 250  M – 2 · s – 1, además su ley de velocidad determinada experimentalmente es V rx = K[NO]2[H2]. Al respecto, determine la secuencia correcta de verdadero (V) y falso (F). I. La reacción propuesta es sencilla o elemental. II. El orden global de la reacción es tres. III. Si [NO] = 0,012 M y [H2] = 0,006 M , su velocidad es 2,16 × 10 – 4 M/s.

química H2(g) + Cl2(g)  →  2HCl(g) a partir del cual se extraen los siguientes datos:

   

 

 A) VVF D) VVV

B) FVV

C) FFV  E) VFV 

5. Respecto a la siguiente reacción elemental, indique las proposiciones incorrectas. 2B(g) → A (g) I. La ecuación de velocidad es v = k [A][B]. II. Al duplicar la concentración de B, la velocidad de la reacción se duplica. III. La reacción es de segundo orden.  A) I, II y III D) solo II

B) II y III

C) I y II E) solo I

6. Dada la reacción química elemental en fase    

gaseosa 2 H2(g) + O2(g)  →  2H2O(g) ¿En cuántas veces cambiará la velocidad de la reacción si el volumen del recipiente donde se lleva a cabo disminuye a la tercera parte?  A) Aumentará Aument ará 27 veces. B) Disminuirá 9 veces. C) Aumentará 26 veces. D) Disminuirá 27 veces. E) Aumentará 9 veces.

   

 

 Velocidad  Vel ocidad (M/s)

[H2]

[Cl2]

0,004 0,016

0,1 M 0,1 M

0,2 M 0,8 M

0,036

0,3 M

0,2 M

Determine respectivamente el orden de la reacción y la constante de velocidad.  A) 3 y 2 D) 2 y 2

B) 2 y 3

C) 3 y 4 E) 3 y 3

8. Respecto a una reacción química en el estado de equilibrio, indique las proposiciones correctas. I. La velocidad directa e inversa tienen iguales  valores.  valor es. II. La concentración de los productos y reactivos son iguales. III. Contiene una mezcla de produc productos tos y reactivos con concentraciones que ya no varían en el tiempo.  A) I, II y III D) II y III

B) solo III

C) solo I E) I y III

9. Con relación a la constante de equilibrio, se puede afirmar que I. indica información cualitativa y cuantitativa de una reacción química reversible al inicio del proceso. II. si tiene un valor muy pequeño, la rreacción eacción inversa se da en mayor proporción que la reacción directa. III. si tiene un valor muy alto la reacción directa se da en mayor proporción que la reacción inversa.  A) solo I D) I, II y III

B) I y II

C) solo III E) II y III

 

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10. En el laboratorio de física - química, un grupo

11. La constante de equilibrio  K c para la reacción

de estudiantes analizan el comportamiento de

es 302,58. CO(g) + 3H2(g)    CH4(g) + H2O(g) Si la temperatura de la reacción es 1227 ºC, calcule el valor de  K  p a la misma temperatura para la siguiente reacción.

la siguiente reacción reversible.  A (g)    2B(g) Los datos que obtuvieron los estudiantes son estos.

+

Tiempo (s)

0

30

60

90

120

[A]

0,20

0,15

0,12

0,10

0,10

[B]

0,00

0,10

0,16

0,20

0,20

Respecto a lo anterior, ¿qué proposiciones son

 A) 3,5×104 D) 1,5×103

B) 2,5×104

C) 2,5×103 E) 3,0×103

12. Las constantes de equilibrio de las siguientes

correctas?

reacciones se han determinado a 823 K

I. Luego de que haya trascurrido 100 s, la reacción está en equilibrio. II. Luego de que haya transcurrido 50 s, la re-

 

CaO(s)+H2(g)    Ca(s)+H2O(g)   K c1=67

 

CaO(s)+CO(g)    Ca(s)+CO2(g)   K c2=489

 

Determine la constante de equilibrio K c para la

acción no está en equilibrio.

reacción a la misma temperatura.

III. La constante de equilibrio K c es 0,40.  A) I y III

+

2 CH4(g) 2 H2O(g)    2 CO(g) 6 H2(g)  R = 0,082 atm · L/mol · K

B) II y III

D) I, II y III

 

C) I y II

 A) 0,240 D) 2,480

E) solo I

 

CO2(g)+H2(g)  CO(g)+H2O(g) B) 0,317

01 - C

03 - B

05 - C

07- A

09 - E

11 - C

02- B

04 - D

06 - C

08 - E

10 - D

12 - C

 

C) 0,137 E) 7,290