Calculos Basicos Quimicos

UNIVERSIDAD NMACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS ESCUELA DE ESTUDIOS GENERALES ÁREA DE INGENIERIA CÁLCULOS BÁSICOS EN QUÍMICA S11: CINÉTICA QUÍMICA

Mg. Gerardo De Lama Carrillo 2018 - II

CINÉTICA QUÍMICA

CÁLCULOS BASICOS EN QUÍMICA

Cinética química Problemas simples sobre velocidad de reacción (cálculo de la velocidad, cálculo de la constante k, orden de reacción y gráficos de concentración)

CINÉTICA QUÍMICA

Competencias

Aplica conceptos de cinética química en la solución de problemas de velocidad de reacción.

Logro de sesión Al finalizar la sesión, el estudiante entiende y aplica conceptos de cinética química en la solución de problemas de velocidad de reacción.

CINÉTICA QUÍMICA

CINÉTICA QUÍMICA a A+ b B → c C + d D

VR =

1

∆[A]

a

∆t

=

1 ∆[B]

b ∆t

=

1 ∆[C] c ∆t

=

1

∆[D]

d

∆t

= K [A]x [B]y

velocidad en que cambia cada sustancia velocidad de la reacción De acuerdo a la ley de Arrhenius, la constante de velocidad esta dada por: K = Ae-Ea/RT

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 1: H2O2(ac) + 2 H+(ac) + 3 I-(ac) → I3(ac) + 2 H2O(l) En los primeros 10 s la molaridad de [I-] cae de 1 M a 0,86 M. a) Calcule la velocidad de la reacción b) Determine la velocidad de desaparición de H+ Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 1: H2O2(ac) + 2 H+(ac) + 3 I-(ac) → I3(ac) + 2 H2O(l) En los primeros 10 s la molaridad de [I-] cae de 1 M a 0,86 M. a) Calcule la velocidad de la reacción b) Determine la velocidad de desaparición de H+ Solución: 1 ∆[H2O2]

VR =

∆t

1

a)

b)

VR =

1 ∆[I-]

∆[H+] ∆t

3 ∆t

=

=

1

∆[H+]

2

∆t

=

1 (0,86M-1M) 3

10 s

1 ∆[I-] 3 ∆t

=

=

1 ∆[I3] 1 ∆t

4,67x10-3M/s

= 2 x 4,67x10-3M/s = 9,3x10-3 m/s

=

1 ∆[H2O] 2

∆t

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 2: En la reacción de formación de agua a partir de sus componentes han desaparecido 0,2 mol/L de oxígeno en 3 s. Calcula la velocidad de reacción en ese intervalo de tiempo, referido a un reactivo y al producto. Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 2: En la reacción de formación de agua a partir de sus componentes han desaparecido 0,2 mol/L de oxígeno en 3 s. Calcula la velocidad de reacción en ese intervalo de tiempo, referido a un reactivo y al producto. Solución:

H2 + ½ O2 → H2O VR = -

1 ∆[H2] 1

∆t

1 = -

∆[O2]

1/2

∆t

=

1 ∆[H2O] 1

∆t

VR = - VH2 = - 2 VO2 = VH2O VO2 =

∆[O2] ∆t

=

0,02 mol.L-1 3s

= 0,06 mol.L-1s.-1

VH2 = VH2O = 2 VO2 = 2x0,06 mol.L-1.s-1 = 0,12 mol.L-1.s-1

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 3: En la reacción de obtención del etano por hidrogenación del eteno han desaparecido 5 mol/L de eteno durante los primeros 15 s de la reacción. Calcula la velocidad de formación del etano así como, la desaparición del eteno y del hidrógeno. Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 3: En la reacción de obtención del etano por hidrogenación del eteno han desaparecido 5 mol/L de eteno durante los primeros 15 s de la reacción. Calcula la velocidad de formación del etano así como, la desaparición del eteno y del hidrógeno. Solución:

H2C = CH2 + H2 → H3C – CH3 VR = -

1 1

∆[H2C=CH2] 1 = ∆t 1

∆[H2] 1 ∆[H3C-CH3] = ∆t 1 ∆t

VR = - VH2C-CH2 = - VH2 = VH3C-CH3 VH2C=CH2 =

∆[H2C=CH2] ∆t

=

5 mol.L-1 15 s

=

0,33 mol.L-1s.-1

VH2C-CH2 = VH2 = VH3C-CH3 = 0,33 mol.L-1.s-1

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 4: En la reacción de obtención del amoniaco a partir de sus componentes han desaparecido 85 mol/L de nitrógeno en 45 s. Calcula la velocidad de reacción en ese intervalo de tiempo, referida a los reactivos y al producto. Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 4: En la reacción de obtención del amoniaco a partir de sus componentes han desaparecido 85 mol/L de nitrógeno en 45 s. Calcula la velocidad de reacción en ese intervalo de tiempo, referida a los reactivos y al producto. Solución:

3 H2(g) + N2(g) → 2 NH3(g)

VR = -

1 ∆[H2] 1 ∆[N2] = = 3 ∆t 1 ∆t

1 2

∆[NH3] ∆t

VR = - (1/3)VH2 = - VH2 = (1/2)VNH3 VN2 =

∆[N2] ∆t

=

85 mol.L-1 45 s

=

1,88 mol.L-1s.-1

VH2 = 3VN2 = 3 x 1,88 mol.L-1.s-1 = 5,64 mol.L-1.s-1 VNH3 = 2VN2 = 2 x 1,88 mol.L-1.s-1 = 3,76 mol.L-1.s-1

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 5: Dada la reacción: Cl2(g) + 3F2(g) → 2ClF3(g) , completar la tabla: ∆[Cl2] ∆t -0,012 M/s

Solución:

∆[F2] ∆t

∆[ClF3] ∆t

VR

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 5: Dada la reacción: Cl2(g) + 3F2(g) → 2ClF3(g) , completar la tabla: ∆[Cl2] ∆t

∆[F2] ∆t

∆[ClF3] ∆t

VR

-0,012 M/s

Solución:

Cl2(g) + 3F2(g) → 2ClF3(g) VR = -

VR = ∆[F2] ∆t ∆[ClF3] ∆t

1 ∆[Cl2] 1 ∆[F2] = = 1 ∆t 3 ∆t

∆[Cl2] ∆t

=

1 2

0,012 M s-1

= 3 x 0,012 M/s =

0,036 M s-1

= 2 x 0,012 M/s =

0,024 M s-1

∆[ClF3] ∆t

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 6: Supongamos la reacción: A → B + C. La concentración de A varía con el tiempo de la forma siguiente: [A]mol. L-1 0,50 0,48 0,41 0,30

Tiempo (s) 0 5 10 15

a) ¿Cuál es la velocidad media de la reacción en los primeros 5 s? b) ¿Y entre los 5 y 15 s? Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 6: Supongamos la reacción: A → B + C. La concentración de A varía con el tiempo de la forma siguiente: [A]mol. L-1 0,50 0,48 0,41 0,30

Tiempo (s) 0 5 10 15

a) ¿Cuál es la velocidad media de la reacción en los primeros 5 s? b) ¿Y entre los 5 y 15 s? Solución: V(0-5) =

V(5-15) =

∆[A] ∆t

∆[A] ∆t

=

=

(0,48-0,50) mol.L-1 (5-0) s

(0,30-0,48) mol.L-1 (15-5) s

=

- 0,004 mol.L-1s.-1

=

- 0,018 mol.L-1s.-1

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 7: Escribe la ecuación de velocidad de las siguientes reacciones: a) NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g) si sabemos que la reacción es de primer orden con respecto a cada reactivo. b) 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g) si sabemos que es de primer orden con respecto al O2 y de segundo orden con respecto al CO. Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 7: Escribe la ecuación de velocidad de las siguientes reacciones: a) NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g) si sabemos que la reacción es de primer orden con respecto a cada reactivo. b) 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g) si sabemos que es de primer orden con respecto al O2 y de segundo orden con respecto al CO. Solución: a) NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g)

V = K [NO] . [O3] b) 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g)

V = K [CO]2 . [O2]

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 8: La velocidad de una cierta reacción química, en fase gaseosa, está relacionada con la concentración de las sustancias reaccionantes A y B, por la ecuación: V = K.[A] . [B]. Sin variar las cantidades absolutas de A y B, se cambia el recipiente de reacción por otro cuyo volumen es la mitad del primitivo ¿Variará su velocidad? Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 8: La velocidad de una cierta reacción química, en fase gaseosa, está relacionada con la concentración de las sustancias reaccionantes A y B, por la ecuación: V = K.[A] . [B]. Sin variar las cantidades absolutas de A y B, se cambia el recipiente de reacción por otro cuyo volumen es la mitad del primitivo ¿Variará su velocidad? Solución:

V1 = K . (molA/v1) . (molB/v1)………..(1) V2 = K . [(molA/(v1/2)] . [(molB/v1/2)] ; V2 = K . (2 molA/v1) . (2 molB/v1) V2 = 4 K . (molA/v1) (molB/v1)…….. (2) Si dividimos (2) entre (1), miembro a miembro: V2/V1 = 4 K (molA/v1) (molB/v1) / K (molA/v1) (molB/v1) V2/V1 = 4 V2 = 4 V1

La VELOCIDAD se hace CUATRO VECES MAYOR.

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 9: Deducir las unidades de K para una reacción de tercer orden total Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 9: Deducir las unidades de K para una reacción de tercer orden total Solución: La ecuación de velocidad de una reacción de TERCER ORDEN podría ser: V = K . [A] .[B]2………. (1) V = mol . L-1. s-1 [A] = mol/L = mol . L-1 [B] = mol/L = mol . L-1 Llevando las unidades a la ecuación (1), nos queda: mol . L-1. s-1 = K . mol . L-1. (mol . L-1)2 mol . L-1. s-1 = K . mol . L-1. mol2. L-2 K = mol . L-1. s-1 / mol . L-1. mol2. L-2 K = s-1/ L-2. mol2 K = mol-2. L2. s-1

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 10: En ciertas condiciones la velocidad de formación del agua viene dada por la ecuación: V = K . [H2]2. [O2] Indicar: a) El orden de la reacción. b) Las unidades de la K de velocidad Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 11: La reacción A + B → AB es de primer orden respecta a A y a B. Cuando las concentración de A es 0,2 M y la de B 0,8 M, la velocidad de formación de AB es de 5,6 . 10-3 mol.L-1.s-1. a) Calcula el valor de la K de velocidad. b) ¿Cuánto valdrá la velocidad de reacción en el momento en que [A] = 0,1 moles/L y [B] = 0,4 moles/L? Solución:

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 11: La reacción A + B → AB es de primer orden respecta a A y a B. Cuando las concentración de A es 0,2 M y la de B 0,8 M, la velocidad de formación de AB es de 5,6 . 10-3 mol.L-1.s-1. a) Calcula el valor de la K de velocidad. b) ¿Cuánto valdrá la velocidad de reacción en el momento en que [A] = 0,1 moles/L y [B] = 0,4 moles/L? Solución: a) Reacción química: A + B → AB Ecuación de velocidad: V = K . [A] . [B] 5,6 x 10-3 mol.L-1.s-1 = K . 0,2 mol.L-1 x 0,8 mol.L-1 K = 5,6 x 10-3 mol.L-1.s-1/ 0,16 mol2.L-2 K = 35 x 10-3 mol-1.L.s-1

b) V = K [A] [B] V = 35 x 10-3 mol-1.L.s-1 x 0,1 mol.L-1 x 0,4 mol.L-1 V = 1,4 x 10-3 mol.L-1.s-1

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 12: Se han obtenido los siguientes datos para la reacción: A + B → C. a una determinada temperatura: Experimento 1 2 3

[A] mol. L-1 0,2 0,6 0,2

a) Ordenes parciales b) Constante de velocidad c) Ecuación de velocidad Solución:

[B] mol. L-1 0,2 0,2 0,4

V (mol/L.s) 8x10-3 24x10-3 32x10-3

CINÉTICA QUÍMICA

Ejercicio 12: Se han obtenido los siguientes datos para la reacción: A → B + C. a una determinada temperatura: Experimento 1 2 3

[A] mol. L-1 0,2 0,6 0,2

[B] mol. L-1 0,2 0,2 0,4

V (mol/L.s) 8x10-3 24x10-3 32x10-3

a) Ordenes parciales b) Constante de velocidad c) Ecuación de velocidad Solución:

V = K [A]x [B]y

a) 1) 8x10-3 = K [0,2]x [0,2]y 3) 32x10-3 K [0,2]x [0,4]y

8 = 0,2 32 0,4

1) 8x10-3 = K [0,2]x [0,2]y 2) 24x10-3 K [0,6]x [0,2]y

8 = 0,2 24 0,6

y

x

1=1 4 2 1=1 3 3

y

x

y=2

x=1

CINÉTICA QUÍMICA

Solución: V = K [A] [B]2 b)

8x10-3 mol/L.s = K [0,2 mol/ L] [0,2 mol/L]2 8x10-3 mol/L.s = K [0,2 mol/ L] [0,4 mol2/L2] 8x10-3 mol/L.s = K 8x10-3 mol3/L3

8x10-3 mol/L.s = K 8x10-3 mol3/L3 c) V = K [A]1[B]2 V = 1 [A]1[B]2 V = [A][B]2

K = 1 L2/s.mol2