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TABLA PERIÓDICA Y CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA.
ÁTOMO:En química y física el átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico quemantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesosquímicos.
ION:Un ion o ion es una partícula cargada constituida por un átomo o conjunto de átomosneutros que ganaron o perdieron electrones, fenómeno que se conoce como ionización.Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, seconocen como aniones (que son atraídos por el ánodo) y los cargados positivamente,consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que sonatraídos por el cátodo).
TABLA PERIÓDICA:La ley periódica es la base de la tabla periódica y establece que las propiedades físicas yquímicas de los elementos tienden a repetirse de forma sistemática conforme aumenta elnúmero atómico.
A = AumentaD = Disminuye
Electronegath/idad (A)
Carácter no metálico (A)
Afinidad electrónica (A)
E nergía de ionización (A)
Carácter metálico (D)
Radio atómico (D)
Izquierda ^ Derecha
Electronegath/idad (A)
Carácter no metálico (A)
Afinidad electrónica (A)
Energía de ionización (A)
Carácter metálico (D)
Radio atómico (D)
CC14
NH4+
CH4
N03
Br03
CS2
el
ci— c — el
el
H
1H It H
H
ílI I0
H
H C H
H
0 J
o
ño
-
-
H
-
-
-
Tetraédrica
Tetraédrica
Tetraédrica
Trigonal Plana
Tetraédrica
Lineal
*!**Tetraédrica
•í lP^Jl:
Tetraédrica
JL^
Tetraédrica
Plana Triangular
Piramidal Trigonal
Lineal
4
4
4
3
3
2
0
0
n
0
0
1
0
11
3. Clasifique los enlaces de las moléculas y dibuje una X en la columnacorrespondiente:
Molécula
KFN2
H2OCH4
MgCl2
Enlaceiónico
X
X
EnlaceCovalentejH>lar
XX
EnlaceCovalente no polar
X
AE [F-K] = AE [4.0-0.8] = 3.2
AE[N-N] = AE[3.0-3.0] = 0
AEIO-H] = AE[3.5-2.1] = 1.4
AE[C-H] = AE [2.5-2.1]=0.4.
AE [Mg - Cl] = AE [1.2 - 3.0] = 1.8
4. Las siguientes especies químicas determine el tipo de enlace que une a losátomos (iónico ó covalente); en caso de ser un enlace covalente determine supolaridad (polar ó no polar). Analice el fundamento de electronegatividad.Datos: Electronegatividad (C=2.5; H=2.1; Cl=3.0; Na=0.9; F=4.0)
a) CH4b) C12c) NaF
a) AE[C-H1 = AE [2.5 -2.1] = 0.4
AE < 1.7 enlace covalente
AE # O enlace polar
b) AE[CI-CI] = AE[3.0-3.0] = 0
AE<1.7 enlace covalente
AE =0 enlace no polar
c) AE [Na -F] = AE [0.9-4.01 = 0.4
AE > 1.7 enlace iónico
12
LÍQUIDOS.
CAPACIDAD CALORÍFICA:La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energíacalorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio detemperatura que experimenta. Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadascondiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema)con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:
C — lím —^=AT-G AT
Donde:• C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de
estado.• Q es el calor absorbido por el sistema.• Ar la variación de temperatura
Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/°C).
La capacidad calorífica (Q de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia omasa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea sedefine además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de larelación:
Donde:• c es el calor específico o capacidad calorífica específica• m la masa de sustancia considerada
CALOR LATENTEEl calor necesario para que se produzca el cambio de estado de una sustancia se llamacalor latente (L). Según el cambio de estado que sufra la sustancia puede ser, calorlatente de fusión (Lf), calor latente de vaporización (Lv) o calor latente de sublimación(Ls).El calor latente depende de algunos datos:- La masa (m) de dicha sustancia. - Cantidad de calor Q.
La formula es:Q = m * L
PROBLEMAS
1. Durante muchos años, el agua potable se ha enfriado en climas cálidosevaporándola de las superficies de bolsas de lona u ollas de barro poroso.¿Cuántos gramos de agua se pueden enfriar de 35 C a 22 C por laevaporación de 50 gr de agua? (El calor de vaporización del agua en esteintervalo de temperatura es de 2.4 KJ/g. el calor específico del agua es de 4.18J/g-K)
Datos:
magua= 50 gr. (evaporación)
(enfriamiento)
Lv= 2.4 KJ/gr
35-HPC 22 °C
= 4.18 J/gr °C
z£ ganado *-• perdido
(50gr)(2AKJ / gr) = -(Magtt0)(4M / gr'Cx1000J
)(22°C-35°C)
2. El etanol (C2H5OH) funde a -114 °Cy ebulle a 78 °C; la entalpia de fusión deletanol es de 5.02 KJ/mol, y su entalpia de vaporización es de 38.56 KJ/ntol.Los calores específicos del etanol sólido y líquido son 0.97 J/g-K y 2.3 J/g-Krespectivamente. ¿Cuánto calor se requiere para convertir 75 g de etanol a -120 °C, a la fase de vapor a 78 °C?
Datos:
E tan oí
Pf =-114°C
Pe =78°C
Lf = 5.Q2KJ/mol
Lv=3S.56KJ/mol
c(s)=0.91J/gr-K
c(n = 2.3J / gr - K
C2HSOH H = 1x6 = 6gr/mol
[O = 16x1 = \6grf mol
46gr/molC2H,OH
Q=? a partir de 75 gr de -120°C a 78°C
-120°C-
Qi
-1140C- -1140C 78°C- ->78°C
16
CALOR DE VAPORIZACIÓN Y PUNTO DE EBULLICIÓN (LA ECUACIÓNDE CLAUSIUS - CLAPEYRON):
Para pasar de la fase líquida a la fase de vapor se necesita una absorción de energía porparte de las moléculas líquidas, ya que la energía total de estas es menor que la de lasmoléculas gaseosas. En el caso contrario, en la condensación, se produce undesprendimiento energético en forma de calor. El calor absorbido por un líquido parapasar a vapor sin variar su temperatura se denomina calor de vaporización. Se sueledenominar calor latente de vaporización cuando nos referimos a un mol. El proceso devaporización en equilibrio para una sustancia X se puede esquematizar como:
Donde (1) y (g) representan el estado líquido y gaseoso respectivamente.El intercambio calórico que entra en juego se invierte en vencer la fuerza de atraccióndel líquido y se suele denominar calor latente interno de vaporización molar.La relación cuantitativa entre la presión de vapor P de un líquido y la temperaturaabsoluta T está dada por la ecuación de Clausius - Clapeyron:
InP =A//V-Ifr"
Donde C es una constante, In es el logaritmo natural y R es la constante de los gases.Ahora bien si consideramos dos presiones de vapor Pl y P2 del mismo líquido a dostemperaturas TI y T2 distintas, la ecuación se puede reescribir en la forma:
In n.
Cuando la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa que ejerce el gas encontacto con el líquido, se observa la formación de burbujas en el seno del líquido y sedice que éste entra en ebullición. Así pues, el punto de ebullición de un líquido se definecomo
La temperatura a la cuál supresión de vapor es igual a la presión externa.
Si se produce una disminución de la presión externa, el punto de ebullición disminuye,mientras que un aumento de la presión externa provocará un aumento del punto deebullición.
14
DIAGRAMA DE FASE:
FIJI JÓHí /iÑjatío
Presim críticaP,r"" ' ;
D Punto tripleri» r j;
Temperatura
Se denomina diagrama de fase a la representación gráfica de las fronteras entrediferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas parafacilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fasescorresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama decambio de estado.
Los diagramas de fase más sencillos son los de presión - temperatura de una sustanciapura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el deabscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpopresenta una única fase excepto en las siguientes zonas:
• Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido ygaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante ypor lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.
• Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transición de faseentre:
o Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;o Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación;o Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o
sublimación inversa);o Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o
licuefacción).
Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en unpunto llamado punto crítico. Más allá de este punto, la materia se presenta como unfluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases.
15
Q} = O)(c(j))(Af) = (75gr)(0.97jd(r KJ / grK)(-l 14 + 120)* = OA4KJ
Q2 =mol 46gr
G3 = O)(C(/))(AO = (75gr)(2.3jtl(T3*7/g/*)(78 + 114)* = 33.12*7
^xl^) = 62.87*746gr
Q,0,a, = 0.44*7 + 8.18*7 + 33.12*7 + 62.87 KJ = 104.61*7
3. Experimentalmente se obtuvieron los siguientes datos de la variación de lapresión de vapor con relación a la temperatura para tres sustancias:
Presión de vapormmHg100200400
Temperatura (K)Acetona280,7295,7312,5
Metano 1294,2307,8322,9
Tolueno324,9342,5362,5
Determine de la gráfica pertinente el punto de ebullición de cada una de las sustancias.
Para cada una de las sustancias el Peb esta a 760 mmHg *. Ln P760mmHg=6.63
a) Acetona
xlO'
In P
1/T
4,60
3,56
5,30
3,38
6,00
3,20
= 3.04xlO"3 => T = 328.95K => P= 55.95°C
17
b) Metanol
In P
1/T
4,60
3,4
5,30
3,25
6,00
3,10 xlO-3
s.oo
7,00 -fe*
6.00 -:
5.00 "¡
4.00 -¡
3.00 -
2,00 • ; - • •
1.00 ::-
0.00 '
2,9 3.1
T= 2.96x10-3
3.2
1/7x10-3
= 337.84*: =
c) Tolueno
s.oo -i
7.00 : ~~*i __
6,00
5.00 •
-t ""fí - •SZ *r , • J \J
3,00
2.00
i.oo - :
n nn - - — •- — :
L ' -p -, ^
--. — • • :
2.5
3.4
=64.84°C
In P
1/T
4,60
3,07
5,30
2,9
6,00
2,75 xlO-3
2.S 2,9
l /TxlO-3
= 2.6x10"' T = 384.61^ = > / > = ! 11.61°C
3.3
3.1
18
4. El diclorometano (CfyClz), es un solvente orgánico usado para remover lacafeína. La siguiente tabla contiene datos sobre la variación de la presión devapor del diclorometano con sus respectivas temperaturas. Con la informaciónpresentada calcule con la ayuda del gráfico pertinente la entalpia devaporización (& Hv) para dicho solvente. Datos: R= 8.314 J/mol-K = 0.0821L-atm/mol-K.
Temperatura (k)Presión (mmHg)
26380.1
273133.6
283213.3
293329.6
303495.4
313724.4
1/T (xlO-3)
InP3,8
4,38
3,67 3,5
4,9 5,36
8 — -— : P — - — rr~.
7 -
6 -
5 -
I 4 •3 -
u^^.^^-^ . :„... ..,_ „., ., ; .
'.'-'..-.„ .- - >.-'-^^v.^-i \ -U-
2 -*--- —•_'---" ------ f.— •.-;4
0 -i--
3,1 3.2 3,3 3,4 . 3,5
3,4
5,8
-r- --Tmr------ -
:-;-:-::— 4~-
m:M:L-3.6 3,7
3,3
6,21
•-— •-'•• •-'--
•-?*** ~»«1s
- • -í §1-z±-rí:rHr
1
W 3,9
l/TxlO-3
3,2
6,6
.
i
ln^- =
(5.8-6.6)--(3.2-3.4)^10; 8.314V
Mí = 33,256J
-3
19
5. El punto de ebullición y el punto de congelación del dióxido de azufre son 10C y -72.7°C a 1 atm respectivamente. El punto triple es -75.5 °C y 1.65 xlff3
atm, y su punto crítico es 157 °C y 78 atm. Basándose en los datos realice losiguiente: graflque el diagrama de fases del SÜ2-a) Dibuje el diagrama del SÜ2, mostrando los puntos indicados aquí, e
indicando el área en que cada fase es estable.b) Al calentarse el SO 2 sólido ¿Sublima o funde a una presión de 6 atm?c) ¿Qué es más denso? SÜ2 (s) o SO2 (1)- Explique su respuesta.
a) P(atm)
1,65x10-3
•75-5 -72.7 T(°C)
b) Al calentarse el SO2, funde a una presión de 6 atm, según la interpretacióngráfica.
c) El S02 (sondo) es más denso ya que al aumentar la presión, la temperaturaincrementa disminuyendo el volumen del sólido y aumentando su densidad.
m
20
RADIO ATÓMICO:El radio atómico representa la distancia que existe entre el núcleo y la capa de valencia(la más externa). Por medio del radio atómico es posible determinar el tamaño delátomo. Dependiendo del tipo de elemento existen diferentes técnicas para sudeterminación como la difracción de neutrones, de electrones o de rayos X.
. . •• .
-Ro.dio mélétict» Radio covaleote
RADIO IÓNICO:El radio iónico es, al igual que el radio atómico, la distancia entre el centro del núcleodel átomo y el electrón estable más alejado del mismo, pero haciendo referencia no alátomo, sino al ion.
AFINIDAD ELECTRÓNICA:La afinidad electrónica (AE) o electroafinidad se define como la energía involucradacuando un átomo gaseoso neutro en su estado fundamental (de mínima energía) capturaun electrón y forma un ion mononegativo:
X (g) + X- (g) + AE,
Dado que se trata de energía liberada, tiene signo negativo. En los casos en los que laenergía sea absorbida, tendrá signo positivo.
POTENCIAL DE IONIZACIÓN:El potencial de ionización o energía de ionización o El es la mínima energía que hayque suministrar a un átomo neutro y en su estado fundamental, perteneciente a unelemento en estado gaseoso, para arrancarle un electrón. La reacción puede expresarsede la siguiente forma:
4,) + Ei (8}le
SOLIDOS.
TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS:
• Iónicos: Se caracterizan porque sus redes cristalinas están formadas por cationesy aniones unidos por fuerzas electrostáticas (NaCl). Tienen puntos de fusiónelevados, son solubles en agua y conducen la electricidad cuando se encuentraen una disolución acuosa.
• Moleculares: Las unidades que se repiten en la red cristalina son átomos omoléculas neutras (12). Tienen bajos puntos de fusión, son solubles endisolventes no polares y no conducen la electricidad.
• Metálicos: Formados por cationes metálicos rodeados de electrones móviles(Fe, Na). Tienen puntos de fusión elevados, son insolubles en el agua y lamayoría de los disolventes orgánicos y son buenos conductores
• Red covalente: Los átomos que forman la red se unen mediante enlacescovalentes y no forman moléculas discretas (diamante). Tienen sus puntos defusión muy elevados, son insolubles en la mayoría de los disolventes comunes yno son conductores.
¡nimonocunicasencilla hexagonal triclíníca
romboédrica
cúbica tetraoonal ortorómbícasencilla sencilla sencilla
21
CELDAS UNITARIAS:
Se define como celda unitaria, la porción más simple de la estructura cristalina que alrepetirse mediante traslación reproduce todo el cristal. Todos los materiales cristalinosadoptan una distribución regular de átomos o [ion / iones] en el espacio.
Estructura
Cúbica simple(CS)
Cúbica centradaen el cuerpo(CCI)
Cúbica centradaen las caras(CCC)
Hexagonalcompacta (HC)
a(r)
a = 2r
a = 4r/V3
~ - —
a = 4r/V2
a = 2rc/a= 1,633 a
Número de Factor de,. . Ejemplos
coordinación empaquetamiento í
6 0,52
Fe, Ti, W,.Mo,Nb, :
8 0,68 :Ta, K,Na,V,¡Cr, Zr
Cu, Al, ;12 0,74 Au,Ag,
•Pb,Ni, Pt• . l
¡Ti,Mg, :
.2 ¡0.74 1?-^ iCo, Zr,Cd
La celda unitaria cúbica simple contiene el equivalente de un solo átomo. La celdaunitaria cúbica centrada en el cuerpo contiene dos átomos. La celda unitaria centrada enlas caras contiene el equivalente de cuatro átomos.
22
PROBLEMAS
1. Un elemento cristaliza en una celda unitaria cúbica centrada en el cuerpo. Laarista de la celda unitaria es 2.86 Á y la densidad del cristal es de 7.92 g/cm3.Calcular el peso atómico del elemento,
Datos: C.C. centrada en el cuerpo = 2 átomos \¡a= 2.86 Á = 2.86 xlO"8cmp= 7.92 gr/cm3
latamos = 3.32x10~24 mol6.023x1023 átomos
V = a3 = (2.86xlO"8cw)3 = 2.34xl(T23cm3
m ím = (7.92gr /era3 ¥2.34x10^23cm3)P = — i
v [m = 1.85x10~22gr
masa
" PM1.85x1022 PT
P.M = -^— = 55.7gr/ mol3.32x1 (T24 rao/
2. Xa plata cristaliza en un retículo cúbico centrado en las caras. Por difracciónde rayos X se determinó que la longitud de una arista de la celda unitaria es408,6 pm. La densidad de la plata es 10,50 g/cm3. Determine la masa de unátomo de plata y el número de Avogadro, considerando que el peso atómico dela plata es 107.87 g/mol.
Datos: C.C. centrada en las caras = 4 átomos Aga = 408.6 pm = 4.086xlO~8cmp= 10.50gr/cm3
V = a3 = (4.086xlO'8cm)3 = 6.82xlO~23cm3
.3m = (10.50gr/craJ)(6.82xlO-23c>?O
m = 1.16xlO~22 gr —>• ^átomosv
m = 1.79xlO~22gr —> látomo
1.79xlO"22grx lm°l = 1.6x10"24 mo/
= 6.023x1023 átomoslátomo . , 23
1.6x10'24 mol
23
3. El Xenón sólido forma cristales con una celda unitaria centrada en las carascuya arista mide 0,620 nm. Calcule el radio atómico del Xenón.
Datos: C.C. centrada en las caras = 4 átomos Xea= 0.620 nm = 6.2xlO"8cm
r =4 4
4r Ira \nmr = 2.1x10 cmx x-I t ^ - . A ^ W A V / \^l I I.S» _ ^V „
-x/2 lx\02cm U10"9rar = 0.219 nm
4. El fluoruro de potasio tiene una estructura cristalina del tipo del cloruro desodio (la estructura posee una red con una celda unitaria centrada en lascaras). La densidad de la sal referida a 25 °C es 2,468 g/cín3. Calcule el valorde la arista.
Datos: C.C. centrada en las caras = 4 átomos KFp= 2.468 gr/cm3
ÍK = 39gr/molKF\ -
(F = l9gr/mol
ImolKF^átomos -
6.023x1023 átomos ImolKF
g= 3.85*10-V=L56xlo.2W
P
3 =5.38x10"8 cm
24
SOLUCIONES.
Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. La sustancia disueltase denomina soluto y está presente generalmente en pequeña cantidad en comparacióncon la sustancia donde se disuelve denominada solvente.
PORCENTAJE MASA-MASA (% M/M):
Se define como la masa de soluto (sustancia que se disuelve) por cada 100 unidades demasa de la disolución:
masa de soluto (g)/amasa = —-—:—., , , • 100
masa de disolucion(g)
MOLARIDAD:
La molaridad (M), o concentración molar, es el número de moles de soluto por cadalitro de disolución. Por ejemplo, si se disuelven 0,5 moles de soluto en 1000 mL dedisolución, se tiene una concentración de ese soluto de 0,5 M (0,5 molar).
moles de solutoM =
litros de disolución
Se representa también como: M = n / V, en donde "n" son los moles de soluto y "V" esel volumen de la disolución expresado en litros.
MOLALIDAD:La molalidad (m) es el número de moles de soluto por kilogramo de disolvente (no dedisolución}. Para preparar disoluciones de una determinada molalidad, no se emplea unmatraz aforado como en el caso de la molaridad, sino que se puede hacer en un vaso deprecipitados y pesando con una balanza analítica, previo peso del vaso vacío parapoderle restar el correspondiente valor.
moles de solutokg de disolvente
NORMALIDAD:
La normalidad (N) es el número de Equivalente Químico (Eq-q) de soluto por litro dedisolución.
ysolución
27
5. El acomodo geométrico de los iones en cristales de LiF es el mismo que enNaCl. Una arista de una celda unitaria de LiF mide 4,02 A. Calcular ladensidad del fluoruro de litio (a 20 °C la densidad experimental del fluoruro es2.94 g/cm3).
Datos: a= 4.02 Á = 4.02 xlO~8cm
-» 26gr I mol[f = 19gr I mol
NaCl —> ^átomos
V = a3 = (4.02x10"8 cm)3 = 6.5xlO~23cm3
ImolLiF 26gr 22^átomos x — = 1.73x10 gr6.023x1023 átomos ImolLiF
til 1 . / JA 1 \) Vi , . 3p = — = = 2.65gr I cm1 rr y t- t r\~)^, ^t
V i
6. La distancia entre capas de NaCl cristalino es de 282 pm. Los rayos X sedifractan de estas capas a un ángulo ilongitud de onda de los rayos X en pm.difractan de estas capas a un ángulo de 23 . Suponiendo que n=l, calcule la
Datos: d= 282 pm0=23°n=l
nA = 1dsen9
2(2S2pm)sen23°A —
1
Á, = 220.37 pm
25
7. La celda unitaria de la plata metálica es cúbica centrada en las caras conaristas igual a 4,086 A. Determine:
a) El radio atómico de la plata.b) El volumen de un átomo de plata en cm3, si el de la esfera es V= (4/3) nr3.c) El porcentaje del volumen de la celda unitaria ocupado por átomos de Ag.d) El porcentaje del espacio vacio.e) La densidad de la plata metálica.
a) C.C. centrada en las caras = 4 átomos
4.086x10"8 cr -
4 4
r = 1.44x10'8 cm
b)V = = ~7T(1.44
V = 1 . 2 6 x l O 23 cm 3
cm )
c)
V Ag = 4 átomos1.26 j
= 5 .0x10 ~2 3cm 3
celda
1 átomo
= a3 = (4.086 xlO ~8 cm )3 = 6.82 xlO "23 — 3
5 .0x10 ~r
6.82 xlO ~"J cmxlOO % = 73 .9%
d) despacio - vacio = \ 00% - 73.9% = 26.1 %
e)
\molAg
6.023 xlO23 átomos ImolAg
m
26
El número de equivalentes se calcula dividiendo la masa total por el equivalente gramo:
#Eq-q= m I Eq-g. Eq_g = P.M I e
Ácidos
Bases->#Ofí~
Sales -> Valenciaácida * Valenciabás¡ca
PROPIEDADES COLIGATIVAS:Las propiedades coligativas aquellas propiedades de una solución que dependenúnicamente de la concentración molal, es decir, de la cantidad de partículas de solutopor partículas totales, y no de la naturaleza o tipo de soluto. Están estrechamenterelacionadas con la presión de vapor, que es la presión que ejerce la fase de vapor sobrela fase líquida, cuando el líquido se encuentra en un recipiente cerrado.
Descenso de la presión de vaporCuando se prepara una solución con un disolvente puro y un soluto no volátil (que setransformará en gas) y se mide su presión, al compararla con la presión de vapor de susolvente puro (medidas a la misma temperatura) se observa que la de la solución esmenor que la del solvente. Esto es consecuencia de la presencia del soluto no volátil.
= P°.X so/vente
Descenso crioscópicoEl soluto obstaculiza la formación de cristales sólidos, por ejemplo el líquidorefrigerante de los motores de los automóviles tiene una base de agua pura a presiónatmosférica se congelaría a 0°C dentro de las tuberías y no resultaría útil en lugaresfríos. Para evitarlo se le agregan ciertas sustancias químicas que hacen descender supunto de congelación.
m es la molalidad. Se expresa en moles de soluto por kilogramo de disolvente(mol/kg).ATf es el descenso del punto de congelación y es igual a 7} - T donde T es elpunto de congelación de la solución y 7} es el punto de congelación deldisolvente puro.
28
Kf es una constante de congelación del disolvente. Su valor, cuando el solventees agua es 1,86 °C kg/mol
Aumento ebulloscópicoAl agregar moléculas o iones a un solvente puro la temperatura en el que éste entra enebullición es más alto. Por ejemplo, el agua pura a presión atmosférica ebulle a 100°,pero si se disuelve algo en ella el punto de ebullición sube algunos grados centígrados.
ATb = Kb-m
• m es la molalidad. Se expresa en moles de soluto por kilogramo de disolvente(mol/kg).
• ATb es el aumento del punto de ebullición y es igual a T - 7¿ donde T es el puntode ebullición de la solución y Tb el del disolvente puro.
• Kb es una constante de ebullición del disolvente. Su valor cuando el solvente esagua es 0,52 °C kg/mol.
Presión osmóticaLa osmosis es la tendencia que tienen los solventes a ir desde zonas de mayor haciazonas de menor concentración de partículas. El efecto puede pensarse como unatendencia de los solventes a "diluir". Es el pasaje espontáneo de solvente desde unasolución más diluida hacia una solución más concentrada, cuando se hallan separadaspor una membrana semipermeable
R es la constante universal de los gases, donde R = 8.3 14472 J • K"1 • mol"1.• n es el número de moles de partículas en la solución.• R es la constante universal de los gas• T es la temperatura en grados kelvin.
Teniendo en cuenta que n/V representa la molaridad (M) de la solución obtenemos
Al igual que en la ley de los gases ideales, la presión osmótica no depende de la cargade las partículas.
29
PROBLEMAS
1. Calcule el porcentaje en masa del Nü2SÜ4 en una disolución que contiene 11.7gramos de Na2SO4 en 443 gramos de agua.
%masa( Na2SO4) =\\.7grNa2SO4
H.7grNa2SOA + 443grH2O-xlOO%
%masa(Na2SO4) = 2.57%
2. Se prepara una disolución que contiene 7.5 gramos de CHjOH en 245 g deH2Ü. Calcular: a) La fracción molar del CHjOH; b) El porcentaje en masa delCH3OH; c) la molalidad del CH3OH.
(C = I2x\ = l2gr/ mol
CH3OHH = lx4 = 4gr/mol
= 16xl=16gr/mol
H2O\= 2gr/mol
= 16gr/mol
32gr= Q.234molCH,OHSoluto = 7.
Solvente = 245 g r x - = l3.6lmolH,O
a)
0-234
=0.017
b)
0/%masa,rH
%masa(CHjüH} = 2.97%
0.234 + 13.61
7.5grCH3OH-xlOO%
m =r/mol 0.234mol
Kgsolvenle 0.245^
= 0.96mol/Kg
30
ELECTRONEGATIVIDAD:La electronegatividad, mide la capacidad de un átomo (o de manera menos frecuente ungrupo funcional) para atraer hacia él los electrones, o densidad electrónica, cuandoforma un enlace covalente en una molécula.
La electronegatividad de un átomo determinado está afectada fundamentalmente por dosmagnitudes, su masa atómica y la distancia promedio de los electrones de valencia conrespecto al núcleo atómico.
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA:La configuración electrónica es la manera en la cual los electrones están ordenados enun átomo, molécula o en otra estructura física, de acuerdo con la aproximación orbitalen la cual la función de onda del sistema se expresa como un producto de orbitalesantisimetrizado.
4Ñ
6
x< 6-4.' y1 "V O* *><,¿ -n,¿¡> x 1 x*'%. 2 7^6' -, .,10
*rf r";^^ ^^
6i
.-14
r x W
~>
818
3. Calcule la molaridad de una disolución que se prepara disolviendo 10.5gramos de Nitrato de Magnesio Mg(NO¡)2 en 250 mi de disolución.
0
\Mg = 24.3 lxl = 24.3 \gr I mol
= 14x2 = 2Sgr/ mol
Soluto = 10.5 grx148.3 Igr
Solvente = 250ml -» 0.250/
= 0.07molMg(NO3)2
O.Olmol
Vsolvente 0.250/
M = 0.28(mol/l~)
4. La densidad del acetonitrilo CH¡CN es 0. 786 g/ml y la densidad del metanolCHsOH es de 0. 791 g/ml. Se prepara una disolución disolviendo 15 mi demetanol en 90 mi de acetonitrilo. Calcular: a) La fracción molar del metanolen la disolución; b) Calcule la molalidad de la disolución.
CH3CN -> 41gr / mol
a)
= (0.786gr / ml)(90ml) = 7Q.74grCH3CN
70.74grx - = 1 .72molCH3CN4 Igr
CH3OH -> p = 0.791gr I mi -> F =
= (0.791gr /w/)(15/n/) = 1 \.&65grCH3OH
°'37
0.37 + 1.72
-0-18
m =Q.37mol
b) Kg Solvente ~ 0.07074£g
= 5.23mol/Kg
31
5. Determine la Normalidad de una solución de H)PO4 que tiene un volumen de850 mi y en la que están presentes 20 g de dicho ácido.
Datos: 20 grH3PO4en 850 mi
P = 3 1x1 = 3 Igr / mol -»• 98gr I mol
= 64gr/mol
r P.M 98gr/mol .Eq~ g- - — = — - - = 32.67.gr / mol
3
#Eq-q =masa 2Qgr
Eq-g 32.67gr I mol= 0.6lmol
0.6lmolN = = 0.12(mol //)
0.850/
6. La glicerina C^HsOí es un no electrolito no volátil con una densidad de 1.26g/ml a 25 °C. Calcular la presión de vapor a 25 °C de una disolución que sepreparo agregando 50 mi de glicerina a 500 mí de agua. La presión de vaporde agua pura a 25 °C es de 23.8 torr..
C,H&O3 ->92gr/mol
H2O->lSgr/mol
C3HgO3 -» p = 1 .26 gr I mi -> V = 50ml
= (\.
92gr
H2O +V = 500ml
= (Igr //w/)(500/w/) = 5QQgrH2O
= 27.78molH7O18gr
I solv&n
XHn= 0.976
27.78
0.68 + 27.78
P = P0Xsolveñle=(23.8torr)(0.976)
P = 23.2torr
32
e-e-
7. Calcule el punto de congelación y ebullición de una disolución que contiene0.6 Kg de cloroformo CHCl^y 42 gramos de eucalipto CjoHjsO; una sustanciafragante que se encuentra en las hojas de los eucaliptos. Sabiendo que lospuntos de fusión y ebullición del cloroformo son -63.5 C y 61.2 °Crespectivamente. Datos: Kb= 3.63 °C/m; Kf= 4.68 °C/m
CHC1
m = O.óKg
Pf =-63.5°C
P. =61.2°C
\PM = 154.gr I mol
[m = 42gr
42grCloHnO
m =
Punto de congelación
ATf = Kfm
Imol
I54gr= Q,27molCwH]SO
r]so¡uto Q.21mol= QA5(mol/Kg)
(-63.5 - Pf) = (4.68—)(0.45/w)m
Pf=-65.6°C
Punto de ebullición
= Kbme"
(P6-61.2) = (3.63—)(0.45m)m
Pb =
33
8. El alcanfor CioH^O funde a 179.8 C y tiene una constante del punto decongelación excepcionalmente grande, Kf= 40 °C/m. Si 0.186 gramos de unasustancia orgánica desconocida se disuelve en 22.01 g de alcanfor líquido; seobserva que el punto de congelación de la mezcla es de 176.7 °C. Calcule lamasa molar del soluto.
m
A7} = Kfm
(179.8°C-176.7° C) = (4Q°C/m)m
m = 0.0775mo//£g
I soluto
o sálvenle
Tjso/lllo=0.00l7mol
n , . masa 0.186gr ,nnn, ,P.M = = — = 109.04gr / mol
7jsolula 0.0017mol
9. Calcule la presión osmótica de una disolución que se prepara disolviendo 50mg de aspirina C9H8O4 en 0.250 L de agua a 25 C. R= 0.027 atm.
ÍC = 12x9 = 108gr /mol
-> l8Qgr/mol
= 64gr/mol
50mgIQOOmg IWgr
= 0.00027mo/(C97/8O4)
Tjsoluto O.OOQ27mol
Vsolutíán 0-2501
= 0.001 l(/wo///)
TZ- = Afi?r
^ = (0.001 lwo///)
^ = 0.027atm
mol-K)- \298A:)
34
CINÉTICA QUÍMICA.
VELOCIDAD DE REACCIÓN:La rapidez (o velocidad) de reacción se define como la cantidad de reactivos que setransforma o el producto que se forma por unidad de tiempo. La unidad esmolaridad/segundos (MI s).
oC3I-,i-ítíautíoU
At
tiempo
En una reacción química pueden intervenir diversos factores que se encargan demodificar (ya sea aumentando o disminuyendo) la rapidez de la misma. Estos factoresson:
1. Temperatura: a mayor temperatura, mayor rapidez de reacción. Latemperatura representa uno de los tipos de energía presente en la reacción. Elsentido del flujo de energía entre los miembros de la reacción determina si estaes exotérmica o endotérmica.
2. Superficie de contacto: a mayor superficie de contacto, mayor rapidez dereacción. La superficie de contacto determina el número de átomos y moléculasdisponibles para la reacción. A mayor tamaño de partícula, menor superficie decontacto para la misma cantidad de materia.
3. Estado de agregación: el estado de agregación es el estado en el que seencuentra la materia y depende de sus características físicas y químicas. Elestado de agregación que presenta mayor rapidez de reacción es el gaseoso,seguido de las disoluciones y por último los sólidos.
4. Concentración: a mayor concentración (mayor presencia de moléculas porunidad de volumen), mayor rapidez de reacción de uno de los reactivos. Laconcentración se refiere a la cantidad de átomos y moléculas presentes en uncompuesto o mezcla.
5. Catalizadores: los catalizadores son sustancias que modifican la rapidez deuna reacción sin sufrir cambio aparente en su composición o en su peso.
35
Velocidadde
Reacción
Velocidad Máxima
TemperaturaÓptima
Temperaiura >-
Efecto de la Temperatura
REACCIÓN DE ORDEN CERO:
4A}
di
= - kdt(A]
d\A]= -k\dt[-4, O
[A]-[A}0= -k¿
[A]= -*t
REACCIÓN DE ORDEN UNO:
d(A]
dt
REACCIÓN DE ORDEN DOS:
dt. r . , a
= -MA]1 1
= -ffe +[A]
Un ejemplo de las gráficas de las tres ecuaciones lineares se presenta en la figura acontinuación.
Orden cero Orden uno Orden dos
[Al Pendiente = -kPendiente = -k
[A]Pendiente = k
36
TIEMPO DE VIDA MEDIA (tl/z):Se define como el tiempo que le torna a una especie en una reacción alcanzar la mitadde su concentración: [A]t = [A]o/2.
El tiempo de vida media está dado por las ecuaciones a continuación:
Para n = 1 r,,, =1/2
para n > 2 r \fi(n-Í)k[A] (a-l)
o
Para reacciones de primer orden, el tiempo de vida media no depende de laconcentración inicial, por lo tanto siempre es una constante que caracteriza el sistema.Por el contrario para reacciones de segundo orden o más, siempre depende de laconcentración inicial.
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN:Es la energía que necesitan los reactivos para formar el compuesto activado, es decir, labarrera de energía que han de salvar las moléculas para que se produzca la reacciónquímica. Si la energía cinética de la molécula no es como mínimo igual a la Ea, no seproducirá reacción y las moléculas no se verán químicamente alteradas.
Reacción no calateada Reacción catalizada
barrera deenergía
UJ
reactivos
barrera deenergía
productos
reactivos
Curso de la reacción Curso de la reacción
37
PROBLEMAS
1. Determine la opción incorrecta. Fundamente su respuesta.
a) La configuración electrónica del Escandio (4sSc ) en su estadofundamentales Is22s22p63s23p64s23d'.
b) Para el elemento Aluminio (Al), el radio atómico es menor al radioiónico.
c) El cuarto nivel de energía de un átomo presenta cuatro subniveles deenergía.
d) Los subniveles de energía s, p, d, f pueden almacenar 2, 6, 10, 14electrones respectivamente.
R A > R I
Resp: Opción (b) debido a que el Aluminio es un metal y su propiedad es de cederelectrones formando un Catión. Por tal motivo su radio disminuye, siendo el radioatómico, mayor que el iónico.
2. Analice cada uno de los siguientes enunciados y luego de los cálculoscorrespondientes seleccione la opción correcta que muestre cuales de lasespecies nombradas son isoelectrónicas (igual # de electrones) entre sí:
a) El ion S"2 y O'2 son isoelectrónicos.b) El ion F" y el átomo de Ar son isoelectrónicos.c) El átomo de Ne con el ion Al* son isoelectrónicos.d) El Ion Br~ y el ion K+ son isoelectrónicos.e) El ion Na+ y el ion Li+ son isoelectrónicos.
a) S"2:[Ne]M3s23p6=18e CT2: [He]2 2s22p6= 10e'
b) F': [He]2 2s22p6 = We Ar : [Ar]18 = 18e~
c) Ne:fNel'°=10e' Al **: ÍNel'° = 10e"
d) B r ~ : [Arf84s23dI04p6= 36e K*: [Ar]18 = 18e~
e) Na *: [Ne]10 = 10e' U *: [He]2 = 2e'
Resp: Opción (c).
3. Escoja la alternativa incorrecta: Explique Por Qué?
a) Los iones isoelectrónicos son aquellos que tienen el mismo número deelectrones.
b) La energía de ionización es la energía necesaria para retener un electrón.c) Dentro de la misma familia de elementos el tamaño atómico aumenta
conforme lo hace el número atómico.d) Los elementos que poseen mayor carácter metálico presentan las
afinidades electrónicas más bajas.
- lf g} r •>-> i - ^¡ q \
Resp: Opción (b) debido a que la energía de ionización corresponde a la energíanecesaria para desprender electrones de un átomo neutro.
4. Distinga la opción que contenga una afirmación incorrecta. Fundamente surespuesta.
a) El elemento Cloro presenta características de mayor electronegatividadque el elemento carbono.
b) El ion Magnesio posee un radio iónico menor que el radio atómico delMagnesio en estado neutro.
c) El elemento Azufre presenta mayor potencial de ionización que elelemento aluminio.
d) El radio atómico del elemento Litio es mayor que el del elemento Bario.e) El carácter metálico del elemento Calcio es menor que el del elemento
Rubidio.
Fr
Resp: Opción (d) debido a que el radio atómico incrementa al acercarse alelemento Francia, y el bario está más próximo a este.
.•
ENLACE QUÍMICO Y GEOMETRÍA MOLECULAR.
ENLACE QUÍMICO:Un enlace químico es el proceso físico responsable de las interacciones atractivas entreátomos y moléculas, y que confiere estabilidad a los compuestos químicos diatómicos ypoliatómicos. En general, el enlace químico fuerte está asociado con la compartición otransferencia de electrones entre los átomos participantes.
Los enlaces varían ampliamente en su fuerza. Generalmente, el enlace covalente y elenlace iónico suelen ser descritos como "fuertes", mientras que el enlace de hidrógeno ylas fuerzas de Van der Waals son consideradas como "débiles". Debe tenerse cuidadoporque los enlaces "débiles" más fuertes pueden ser más fuertes que los enlaces"fuertes" más débiles.
ENLACE COVALENTE:En un enlace covalente, los dos átomos enlazados comparten Óelectrones. Si los átomos del enlace covalente son de elementosdiferentes, uno de ellos tiende a atraer a los electrones HHcompartidos con más fuerza, y los electrones pasan más tiempo £--f ,ycerca de ese átomo; a este enlace se le conoce como covalente ^polar. Cuando los átomos unidos por un enlace covalente son /iguales, ninguno de los átomos atrae a los electrones compartidos •;/./.'con más fuerza que el otro; este fenómeno recibe el nombre de t > : f .enlace covalente no polar o apolar.
ENLACE IÓNICO:
El enlace iónico es un tipo de interacción electrostáticaentre átomos que tienen una gran diferencia deelectronegatividad. No hay un valor preciso que distingala ionicidad a partir de la diferencia deelectronegatividad, pero una diferencia sobre 1.7 sueleser iónica, y una diferencia menor a 1.7 suele sercovalente. En palabras mas sencillas, un enlace iónico esaquel en el que los elementos involucrados aceptan opierden electrones (se da entre un catión y un anión) odicho de otra forma, es aquel en el que un elemento maselectronegativo atrae a los electrones de otro menoselectronegativo.
7
TIPOS DE ESTRUCTURA MOLECULAR:
Pares de
Electrones
Compartidos
2
3
2
4
3
2
5
4
3
•}
6
Pares de
Electrones
Solitarios
0
0
1
0
1
2
0
1
2
3
0
Distribución
Lineal
Plana
Trigonal
Plana
Trigonal
Tetraédrica
Tetraédrica
Tetraédrica
Bipiramidal
Trigonal
Bipiramidal
Trigonal
Bipiramidal
Trigonal
Bipiramidal
Trigonal
Octaédrica
Geometría
Lineal
Plana
Triangular
Angular
Tetraédrica
Piramidal
Trigonal
Angular
Bipiramidal
Trigonal
Tetraédrica
Irregular
(Balancín)
Forma de T
Lineal
Octaédrica
Ángulo de
Enlace Ideal
180°
120°
120°
109,47°
109,47°
109,47°
90°, 120°
90°, 120°
90°
180°
90°
Ejemplo
BeCI2
BF3
S02
CH4
NH3
(107,5°)
H2O
(104,5°)
PCI5
SF4
CIF3
XeF2
SF6
Imagen
jjjr,j
1
A>•j
JL.j" "•.«*•j
^^^t^j•é
,ú-•^^^^^
J
XJ
^T
-j%j
j^j•*j
^-•*•'^4-.j
5
4
1
2
Octaédrica
Octaédrica
Piramidal
Cuadrangular
Plana
Cuadrada
90°
90°
BrF5
XeF4
4»*w
ajfei^1*ÜP
PROBLE.\L4S
1. Para la siguiente especie química SF¿, identifique el átomo central, loselectrones de valencia de cada átomo periférico, número de enlaces y tipos deenlace.
S : fNe1103s23p4= 6e" (átomo central)
F : [He]' 2£2fil= 7e
# Enlaces = 6
AE [F-S] = AE [4.0 -2.5] = 1.5
Enlace covalente
2, Indique en la siguiente tabla la estructura de Lewis, forma molecular,geometría molecular y tipo de enlace para las siguientes especies químicas.
EspecieQuímica
PC13
CH2C12
HCN
H;SO3
EstructuraLewis
ñel P" — el
el
H
d— c — ci
H
H C g= N
"
r 50
FormaMolecular
Tetraédrica
Tetraédrica
Lineal
Tetraédrica
GeometríaMolecular
iis#^^^*ii J
Piramidal Trigonal
.
j4+.JTetraédrica
Lineal
Pares de eenlazantes
3
4
2
3
Pares de e" noenlazantes
1
0
0
1
10
LA ECUACIÓN DE ARRHENIUSDe acuerdo a la Teoría de Colisiones la rapidez de reacción es proporcional a la fracciónde moléculas con energía igual o mayor que Ea y esta depende del valor de Ea y de latemperatura. Arrhenius sugiere que estos factores están relacionados a través de laecuación:
So./
k = Ae~ /Kr
= InART donde:
A es el factor de frecuencia de choques asociado a número de choques/segundo y alorientación de las moléculas.e-Ea/RT fraccj5n ¿g moléculas con energías iguales o mayores a Ea.
Ea energía de activaciónR constante de los gases ideales
Esta ecuación se utiliza para determinar la energía de activación usando la variación dela constante específica de rapidez (k) como función de temperatura. Usando solo dostemperaturas:
8a/
= As Jt2 = Ae'&TJVJ*
8a-A e
i ije j¡j;
A 'JO,
*a Ea\T,- T2ln — = R z¡r2 R
38
4. El Bromuro de nitrosilo está en equilibrio con bromo y óxido nítrico:
Si el bromuro de nitrosilo, NOBr, está disociado el 34% en Br2 a 24 C, y lapresión inicial del bromuro de nitrosilo es 0,25 atm, calcule Kp y Kc a esatemperatura.
Inicio
Cambio
Equilibrio
PNOBr
0.25
-2x
0.25-2x
PNO*
0
2x
2x
Pün
0
X
X
x = 0.25x0.34 =0.085
PNOBT = 0.25-2(0.085) = 0.08
PNO= 2(0.085) -0.17
Pa. =0.085
K. =pm^Br, (0.17)2 (0.085)
P,2
NOBr(0.08)2
*,=0.38
V A/7Kp=Kc(RT)
T = 24° C -> 297K
A« = Y/?/ v / producto (gas)
K/ i I reactivoiva (gas) = 3 - 2 = 1
0.38
Kc= 0.015
5. La constante de equilibrio Kp para la reacción: W2(g) +3/72(g) <-> 2NH3( }, es
de 55,3 a 700 C. En un matraz de 2 L que contiene una mezcla en equilibriode los tres gases, hay 0.056 gr. de A^ y 4.36 gr. de H?. ¿ Cuál es la masa de NHjen el matraz?
Equilibrio
0.056grNI mol
= 0.002molN
0-002X0.082X973)V
. „
4.36grHImol
= 2.l8molH2gr
nRT (2.18)(0.082)(973)
V 2= S6.97atm
47
p
55 3 =*J ^J , ~) -
(0.08X86.97)
PNH = 1705.83¿zfm
= nRT
(0.083)(973)
n = 42.76molNH,
42.16molNH, —- = 726.92grNH,lm°¡
6. En un recipiente cerrado se tiene el siguiente equilibrio:CaCOKx) o CaO(s) + CO2(g)
Indicar razonablemente, la dirección del desplazamiento del equilibriocuando:
a) Se aumenta el volumen.
•4 ya que disminuye la presión
b) Se agrega algo de CaO a la mezcla.
Nada, debido a que es un sólido
c) Se extrae algo de CaCO?.
Nada, debido a que es un sólido
d) Se agrega a la mezcla algo de COg.
-< - ya que el sistema comienza a buscar nuevamente el equilibrio
e) Se aumenta la temperatura.
K = Ae "A// IRT
-»
si — > T t
K = e-
= (-^Exotérmica
48
7. Cuando se calienta PCl$(S) en un recipiente cerrado a 250 °C y 1 atm depresión, se disocia el 80 % en PCl^g), el cloro molecular es otro producto de lareacción, determine:
a) Kp a 250 °Cy Kp a 25 °C si Kc es 3,26 xlO ~2.b) Número de moles de PCI5 que se forman si se mezclan 27,46 gr. de PCI3 y 7,09
gr. de C/2 en un recipiente de 10 L a 250 C.c) Presión parcial de cada gas y la presión total.
a) PCLlff,<r>PCl3(f,+Cl
Inicio
Cambio
Equilibrio
Pea,
1
-X
1-x
PPCU
0
X
X
Pa,
0
X
X
= 1x0.8 = 0.8
P xPJ. nr1! •**•*•PCI C/,
pPCI,
(0.8)(0.8)(0.2)
= 3.2
K=3,26xlOKp =
Kp -
Kp - 0.79
~2
b)
datos <
27 AógrPCl
•í PC"!i l_j¿ -.
7.09
Prci2
nRT
V
grCl 2
nRT
V
lm°l _ 0 2molPCl-i — u . ¿- iriuir \^-i o137. 35 gr
(0.2)(0.082 )(523)_— — U.OUtíí///
10
IOTO/IWG-Í ]mn/r¡— VJ . J. fíl UL \^L -)
0.9gr
_ (0. 1)(0.082 )(523)10
49
PROBLEMAS
1. Calcule elpH de una solución que contiene OJO M de ácido nitroso HNÜ2 yOJO M de nitrito de potasio, KNO2. El valor de Ka=4.5xlO~4.
HN02 o NO~ + H +
o. iow"KNO2 o NO í + K +
0.]OM
[HN02]
4.5jc lO"4 =(0.10)
~ + 1= 4.5X10'4
pH = -Iog[/r]
pH = - Iog[4 .5x l0" 4 ]
pH =3.35
2. Calcule el pH de una disolución preparada combinada 50.0 mi de ácidoacético OJ5M con 50.0 mi de acetato de sodio 0.20M.
Dato: Ka = 1.8xlO'5
HCH 3COO CH.COO
+ \NaCH ,COO
[HCH :coo]
NaCH 3COO <=> CH3COO0.20M
Na (0.15)
= ].35*10
pH =-\og[H + ]
pH = - Iog[ l .35xl0~ 7 ]
pH = 4.87
3. Complete lo solicitado en las columnas de la tabla, esto en base a los cálculospertinentes para las entradas que faltan.
[fíf]6,4xl(r6
7.94x1 0'3
1.4 xlO'8
[OH-]
1.56x1 0'9
1.26x10'12
7,0xlff7
pH
5.19
2.1
7.84
pOH
8.81
11,9
6.15
¿Acida?
X
X
¿Básica?
X
¿Neutra?
52
M ácido Vácido = M sol Vsolc) _ (1.0M)(5m/)
so/' ~ (750 mi). 0-00<7Af
a0.0067 M
pH = -
pH = -Iog[ 0.0067]
= 2.17
Cierta muestra de vinagre tiene un pH de 2.90. Suponiendo que el único ácidoque el vinagre contiene es ácido acético (Ka=1.8xlff), calcule laconcentración de ácido acético en el vinagre.
HCH ,COO o CH.COO ~ + H1M
'" [HCH
1.8x10 "s =(1.26*10"')
[HCH.COO][HCH ,coo]= O.OSSM
7. El ácido HC6H?O2 (0.1 M), es un ácido monoprótico débil con Ka=l. 7x10"5. Susal (sórbalo de potasio) se agrega al queso para inhibir la formación demohos. ¿Cuál es el pH de una solución que contiene 4.93 g de sorbaío depotasio en 0.5L de solución? (H=lgr; O=16g; C=12g; K=39g).
0.1M
Ka =1 .7x10" 5
m = 4.93 gr
P.M = 150 gr I mol
m 4.93grn =
P.M 150 gr I mol-0.032 mol
[KC6H702] =0.032 mol
0.51= 0.065M
55
3. La constante de velocidad de primer orden de descomposición de uninsecticida de jardín (X) en agua a 20 °C es de 0. 725 año'1. Cierta cantidad delinsecticida X es arrastrada por casualidad el 1 de agosto del 2007 al lago de laESPOL en el Campus Prosperina y alcanza una concentración de 4.0 x Iff7
g/cm de agua. Suponga que la temperatura media del lago es de 20 °C.Proceda a calcular la concentración de X para el 1 de agosto de 2008.
k = 0.72Saño~]
[Af •] = ?-> después - de - laño
InAf = -kt + lnA0
lnAf =-(0.725a«o"')(lflño)
¿*¿f -g-15.46t> ~~ t>
[Af] = \.94xlO~1gr/cm3
4. A 500 °C, el gas butadieno se convierte en gas ciclobuteno. Determinegráficamente el orden de la reacción respecto al butadieno y la constante develocidad, a partir de los siguientes datos de velocidad.
Tiempo (s)
Concentración (M)
1950.0162
6040.0147
12460.0129
2180
0.01104140
0.0084
81350.0057
ln[Conc]
l/[Conc]
-4,12
61,7
-4,2268,0
-4,3577,5
-4,5190,9
-4,78119,0
-5,17175,4
10000
tiempo
40
gj7. Las constantes de velocidad para algunas reacciones se duplican por cada 10 _
grados de aumento en la temperatura. Suponga que la reacción se lleva a cabo *a 295 Ky 305 K. ¿Cuál debe ser la energía de activación para que la constante wde velocidad se duplique como se ha descrito?
10 O
->K-¡=x K 2 — x+x V>
rln^L--£«ÍJ_ Ú111 —A-2 iz U rjJíV i^ifJL Jü
UJ 8.314^305 295j
- 0.69x8.314 = Ea(-l.llxl O"4)
Ea = 5l,531J/mol
rrrrrr
043 r
rr
_ [C02}[H2]
[CO][H20]
0.58 =x'
(0.02-x)2
0.000232 -0.0232x4-0.58x2 - x2 = 0
0.42x2 +0.0232 x- 0.000232 = 0
-0.0232 ± 7(0-0232 )2 - 4((L42)(-0.000232~j~
= 0.0086 M
x2 =-0.0638
2(0.42)
Equilibrio
moles
[COJ I [H2OJ
0.0114
0.57
0.0114
0.57
[C02]
0.0086
0.43
[H2]
0.0086
0.43
5. JLa disociación del dióxido de nitrógeno en monóxido de nitrógeno y oxígenose desarrolla en un matr.az cerrado a 327 C. la concentración molar de losgases en equilibrio son: [NO2]=0.0146M; [NO]=0.0382M; [O2J=0.00191M.Hallar las constantes Kc y Kp para la disociación del dióxido de nitrógeno a3 27° C.
2NO 2NO +6>
v _ [NO]2[O2] (0.0382 )2(0.00191 )
[N02]2 (0.0146)2
K, = 2 .
K=K(RT) A/7
' producto(gas) -I,» reactivo(gas) =3-2=1
Kp = (2.5x10^ )(O.OS2x600K)
Kp=1.23xlO~3
46
Inicio
Cambio
Equilibrio
PPO,
0.86
-X
0.86-x
Pa*
0.43
-X
0.43-x
Ppa»
0
X
X
TS _ "PCI ,P xP1 PCI, *l fV
3.2 =(0.86 - x)(0.43 ~ x)
1.18 -4.128.T + 3 .2JC 2 -x =
3.2x2 -5.128^ = O
x =5.128 ±V(5.128")T-4(3.2)(1.18)
2(3.2)
x, =1.32
x2 = 0.28atm
n =PVRT (
n = 0.065molPCl
PPCI =0.2Satm
Ppc/3 = (0.86 - 0.28) = 0.58atm
pc^ =(0.43- 0.28) = 0.l5atm
50
EQUILIBRIO AGIDO-BASE.
El equilibrio ácido básico esta relacionado con la conservación de las concentracionesnormales de iones hidrogeno (H+).Se trabaja con la expresión logarítmica que es:PH = - log [H+]
Debido a que el pH es inversamente proporcional a la concentración de protones,conforme la concentración de H+ aumenta el pH disminuye.
K 1H+Í K b#']2 K _i .o*io"1 4
[Ácido J [Base ] Kb
Ecuación de Henderson - Hasselbalch.Esta ecuación deriva del concepto de que todos los tampones se comportan como siestuvieran en contacto funcional con un intercambio común de H+, por lo que ladeterminación de un par tampón refleja el estado de todos los otros tampones.La ecuación es la siguiente:
PH = pK + Log [Ion/Acido]
EFECTO ION COMÚN:
El efecto ion común se basa en el producto de solubilidad (Kps) según el cual, paradisminuir la solubilidad de una sal se agrega uno de los iones. Al aumentar laconcentración de uno de los iones que forman el precipitado, la concentración del otrodebe disminuir, para que Kps permanezca constante, a una temperatura determinada.Este efecto es el que permite reducir la solubilidad de muchos precipitados, o paraprecipitar cuantitativamente un ion, usando exceso de agente precipitante.
Acido_ [OH ~ \Sal
[Base ]
BUFFER:Un buffer o Tampón químico, en términos químicos, también es un sistema constituidopor un ácido débil y su base conjugada o por una base y su ácido conjugado que tienecapacidad "tamponante", es decir, que puede oponerse a grandes cambios de pH (en unmargen concreto) en una disolución acuosa.
51
e) ¿Cuál es elpHde la solución en C?
M,soluciónC.(0.67AQ(30/n/)
(35 mi)= 0.57M
como se formó un precipitado solo actúa el NH4OH
Kb =1. *
[NH4OH]
pOH = -log[OH~]
pOH = 2.5
0.003
-log[0.003]
pH = 14- pOH = 14-2.5
pH = 11.5
5. Calcule elpH de las siguientes soluciones de ácidos fuertes:a) HNO30.0575M.b) 0. 723 g de HCIO4 en 2. OOL de disolución.c) 5.00 mi de HCl 1. OOM diluidos a 0. 750L.
La [H+J en ácidos fuertes es igual a la [Ácido]
a)0.0575 M
pH = - log[ H +
pH = - log* t-^
pH = ! .24
^ + H + pH = -log[ 0.0575]0.0575M ^ °
¿; 0.723 grffClO . ^ = QMlm°l = 0.0036 M100.45 gr 21
HCl O , -> C/(7 , " + 77 +
0.0036 W 0.0036/1^
pH =-log[// + ]
pH =-log[ 0.0036]pH = 2.44
54
PROBLEMAS
1. Una reacción de primer orden queda el 35,5% del total en 4,90 min. A 25 "C.¿Cuál es su constante de velocidad?
In Af = -kt + In A0
ln(0.355) = -fa
-ln(0.355)4.90 min
k = 0.21 min"1
2. Se estudio la isomerización del metil isonitrilo (CHjNC) a acetonitrilo(CHsCN) en fase gaseosa a 215 °Cy se obtuvieron los siguientes datos:
Tiempo(s)02000500080001200015000
Af-20003000300040003000
Concentración (M)0.016500.011000.005910.003140.001370.00074
AM--0.00550-0.00509-0.00277-0.00177-0.00063
Velocidad(M/s)V=- A/My/Aí2.75xlO'6
1.7x1 0'6
9.23x10-'4.42x1 0'7
2.1x10-'
Utilizando los datos, grafique [concentración] en función del tiempo. Use la gráficapara determinar la velocidad instantánea a t = 6000 s.
2000 4000 6QOO 8000 10000 12000 14000
tiempo
V,
'6000t
aba(0.002-0.008)8500-2500
39
6. Para la siguiente reacción:CH3COOC2H5(ac)+OH-(ac}
Se midió a distintas temperaturas el valor de la constante de velocidad, vertabla:
Temperatura ( C)Kís'1)
150.0521
250.1010
350.1840
450.3320
Determine el valor de la energía de activación (Ea). Dato: R= 8.314 J/mol K
-Eaíl}\nK = — \ + lnA
R (T
T(K)
1/T
I n K
288
3,5
-2,95
298
3,35
-2,29
308
3,25
-1,69
318
3,1
-1,1
xlO-3
O
-0,5
-1
•1.5
-2
-2.5
-3
-3,5
3,1 3,2 3,3
l/T(xlO-3)
(-2.29-d.10)) ?<0
• 4760 =-Ea
83\4J/mol-K
Ea = 39,57'4.6 J/mol
42
PROBLEMAS
1. Cuando 1 mol de monóxido de carbono y 1 mol de agua llegan al equilibrio a1000°C en un vaso de 10L, la mezcla en equilibrio contiene 0,57 mol de CO;0,57 mol de H2O; 0,43 mol de CO2y 0,43 mol de H2.
a) Escriba la ecuación química para el equilibrio.
rr
¿(g) ¿(g
¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio?
Inicio
[ C O ] y [ H 2 0 ]
Equilibrio
[ C O ] y ( H 2 0 ]
I mol10/
= 0.1M
0.5'l mol
10/0.43 mol
= 0.057 M
107= 0.043 M
K= [ C 0 2 ] [ H 2 ] = (0.043)2
~ [CO][H20] (0.057 )2
K = 0.57
2. Para aumentar la proporción del gas de síntesis (mezcla de CO y H2O) seaplica la siguiente reacción:
Suponga que la reacción se inicia con un mol de cada uno de los reactivos en unreactor de 50 litros. ¿Cuántas moles de cada sustancia se encuentran en lamezcla de equilibrio a 1000 °C? Considere que la constante de equilibrio K alamisma temperatura es 0,58.
Análisis
= 0.02M
Inicio
Cambio
Equilibrio
[CO]
0.02
-X
0.02-x
[H20]
0.02
-X
0.02-x
fCOJ
0
X
X
[H2]
0
X
X
e*
45
4. Conteste, tomando en consideración las soluciones que se prepararon durante ^la práctica "Efecto del Ion común y soluciones Buffer": ^Solución A: 55 mi de agua y 5 mi de una solución 8M de NH4ÜH. ^Solución B: tomando la mitad de la solución A y se le agregó 2 gr de NHjCL ^Solución C: tomando la otra mitad de la solución A y se le agregó 5 mi de ^ZnCl2.
^a) Escriba las ecuaciones de disociación y plantee las ecuaciones en w
función de Kb para que determine el pOH del sistema NH^OH/NH^Cl. &
NH,OH <^> NH4+ + OH"
NH4a o NH / + a - [NH.OH]
b) ¿Cuál es la Molaridad de la solución A?
""• base X " base ~ ""• solución * * solución
M (8M)(5m/) = C
(60 m/)
cj ¿Cuál es el precipitado que se forma en la solución C y sucaracterística?
2NH4OH + ZnCl 2 o 2NHACl + Zn(OH)2 Iprecipitad o
Precipitado de Color blanco
d) ¿Cuál es elpHde la solución en B?
[NH.Cl] = 2grNH4Cl-— = 0.037mol53.45gr
\£ solución -A- 30ml'
0.031
Kb =1.8x10"
(1.23M)
pOH = -\og[OH'] = -log[9.8jclO'6]
53
KC6H7<92 -» C6H1O2 +K +
C6#702~ + H20 ^ HC,H1O2 + OH
[KC.H.O,]
[OH'} =
Ka 1.7xli= 5.88*10-"
^,] _ (5.88xlO~ lü)(0.065M)
[//C6//702] (0.1M)
i.OxlO -14
3.82x10-= 2.06x10-5
= 4.6
8. Cuántos gramos de lacíato de sodio (NaCjHsOj) se deben agregar a 1 litro deácido láctico (HCjHsOB) 0.15M, para formar una disolución amortiguadoradepH 2.95; Suponga que el volumen no cambia al agregarKa= 1.4xlff4.
0.\5M
Na <=> CH3COO " + Na +
= I . l 2 x l 0 " 3
[NaC3H503] =Ka[HC3HsO,]_ ( 1 . 4 A - 1 Q - 4 ) ( 0 . 1 5 M )i^r (1.12x10-)
mol[NaC 3H5O3]= 0.019 -x\l = 0.019 mol
P.M = 1 l2gr/mol(NaC^H,O,)
masan =
P.M
masa = nxP.M = (0.019mo/)(l Ugr I mol}
= 2.l3grNaC3H5O3
56
2000 4000 6000
tiempo
8000 10000
2do Ordenk =
(175.4-68.0)(8135-604
5. Se midieron los datos siguientes de la reacción de oxido nítrico con hidrógeno:2NO(S) + 2H2(g) -+N2(g) + 2H20(g)
# experimentos12O
fNOJM0.10 \0.10 ^>20.20 /
fH2/M0.10 — /-2 -^0.20 ~7_0.10
Velocidad (M/s); L23xlO'3\^2.46x10"" >
4.92xlO-J /
Calcular:
a) La ecuación de velocidad de esta reacción.b) La constante de velocidad.c) El orden de la reacción.
=4 =2
a) V = K[NO] [H2] -> Debido a que los reactivos afectan la velocidad de
reacción.
b) K =T/J1 (0.1 0)2 (0.10)
c) Orden de reacción = x + y = 2+1 = 3
41
EQUILIBRIO QUÍMICO.
El equilibrio químico es el estado en el que las actividades químicas o lasconcentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en eltiempo. Normalmente, este sería el estado que se produce cuando el proceso químicoevoluciona hacia adelante en la misma proporción que su reacción inversa.
La velocidad de reacción de las reacciones directa e inversa por lo general no son cero,pero, si ambas son iguales, no hay cambios netos en cualquiera de las concentracionesde los reactivos o productos. Este proceso se denomina equilibrio dinámico.
El concepto de equilibrio químico fue desarrollado después de que Berthollet (1803)encontrase que algunas reacciones químicas son reversibles. Para que una reacción, talcomo:
aA + S -f r'l '
pueda estar en equilibrio, las velocidades de reacción directa e inversa tienen que seriguales. En esta ecuación química, con flechas apuntando en ambas direcciones paraindicar el equilibrio, A y B son las especies químicas que reaccionan S y T son lasespecies productos, y a, (3, a y T son los coeficientes estequiométricos de los reactivos ylos productos. La posición de equilibrio de la reacción se dice que está muy desplazadaa la derecha, si, en el equilibrio, casi todos los reactivos se ha utilizado y a la izquierdasi solamente se forma algo de producto a partir de los reactivos.
{SY{T}T
k
K=Ke(RT)-P
Donde, Kp es la constante de equilibrio respecto a la presión, Kc es la constantede equilibrio respecto a la concentración, y An es la
ngas-prod - y ngas-reac
EL PRINCIPIO DE LE CHATELIEREs un útil principio que da una idea cualitativa de la respuesta de un sistema deequilibrio ante cambios en las condiciones de reacción. Si un equilibrio dinámico esperturbado por cambiar las condiciones, la posición de equilibrio se traslada paracontrarrestar el cambio.
44
