Guia de Problemas v06

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    UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD TTEECCNNOOLLOOGGIICCAA NNAACCIIOONNAALL FFAACCUULLTTAADD RREEGGIIOONNAALL DDEELLTTAA

    CCAATTEEDDRRAA DDEE

    PPrrooffeessoorraa TTiittuullaarr:: LLiicc.. AAlliicciiaa ddee LLeenn JJ..TT..PP..:: IInngg.. FFeerrnnaannddoo PP.. VViissiinnttiinn

    CCaarrrreerraa:: IInnggeenniieerraa QQuummiiccaa NNiivveell:: TTeerrcceerr aaoo

    SSeegguunnddoo CCuuaattrriimmeessttrree

    GGUUIIAA DDEE PPRROOBBLLEEMMAASS

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    TTeerrmmooddiinnmmiiccaa bbssiiccaa

    1) Considere la expansin isotrmica de un mol de vapor desde 1 cm3 hasta 10 cm3, a 500C. Calcular el trabajo, suponiendo que el gas obedece la ecuacin de Van der Waals. Las cons-tantes de Van der Waals del agua son a = 5,464 dm6.atm.mol2 y b = 0,03049 dm3.mol1.

    2) Calcular H y S para la transformacin isobara de un mol de hielo a 5C hasta vapor a 105C. Los calores especficos a presin constante promedio en J mol1 K1 son:

    Agua(s): 37,65 Agua(l): 75,29 Agua(v): 33,59 Hf = 1,436 Kcal mol1 Hv = 9,717 Kcal mol1

    3) Se colocan 25 g de hielo a 10C en una habitacin a 25C y se deja alcanzar el equilibrio trmico. Calcular la variacin de entropa del universo.

    TTeerrmmooqquummiiccaa

    4) El calor de hidrogenacin del propileno gaseoso para formar propano es de 29,6 Kcal.mol1 y el calor de combustin del propano es de 530,6 Kcal.mol1 a 25C. Utilizando los calores de formacin del CO2(g) y del H2O(l), calcule el calor de combustin y el calor de formacin del propileno a 25C.

    5) Usar energas de enlace para estimar: a. Calor de formacin estndar del CH3CONH2(g). b. Calor estndar de la reaccin: )()( 3323 gOCHCHgOHCHCH Comparar los resultados con valores de tablas termoqumicas.

    6) A partir de los siguientes datos determine que metal tiene la mayor probabilidad de oxidarse por vapor de agua a 827C y 1 atm:

    a.- Nquel: )()()()( 22 gOHsNigHsNiO ++ [ ] 10 .)(.59,422301 == molJKTG

    r

    b.- Cromo: )()(32)()(

    31

    2232 gOHsCrgHsOCr ++

    [ ] 10 .)(.67,30126566 == molJKTGr

    7) Calcular rH, rS y rG a 500 K de la reaccin: )(2)(3)( 322 gNHgHgN +

    Los calores especficos en Cal.mol1.K1 con temperaturas en K son: 2730 10.808,410.1999,09469,6 TTCP

    += para el hidrgeno. 2730 10.807,010.4125,14492,6 TTCP

    += para el nitrgeno. 2730 10.280,710.8870,71890,6 TTCP

    += para el amonaco.

    8) Utilizando los resultados del problema anterior, calcular rU de la reaccin de sntesis de amonaco a 500 K.

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    GGaasseess rreeaalleess

    9) Calcular la fugacidad y el coeficiente de fugacidad del oxgeno a 200 K y 100 atm: a.- Considerndolo un gas Van der Waals con a = 0 y b = 3,183.102 dm3.mol1. b.- A partir de los factores de compresibilidad:

    32)( )/.()/.()/.(1 atmPDatmPCatmPBZ P +++= , donde:

    B = 2,98.103, C = 6,71.106 y D = 5,22.108 son las constantes a 200 K. c.- Utilizando la correlacin de Pritzer de 3 parmetros (las constantes crticas del oxgeno son: PC = 50,43 atm, TC = 154,6 K y = 0,022).

    10) Utilizar la regla de Lewis y Randall y el grfico ( tabla) de fugacidades generalizado para calcular las fugacidades del CO, O2 y CO2 en una mezcla que contiene 23, 34 y 43% molar respectivamente, si la misma se encuentra a 400C y 250 atm.

    EEqquuiilliibbrriioo qquummiiccoo

    11) Calcular la constante de equilibrio a 500 K y 1 atm de la reaccin de sntesis de amonaco de Haber:

    )(2)(3)( 322 gNHgHgN + a.- Utilizando la ecuacin de Vant Hoof. b.- A partir del valor de rG hallado en el ejercicio 7. Cul es el error porcentual cometido al utilizar la ecuacin de Vant Hoof?

    12) La constante de equilibrio para la reaccin: )(.)()(2 844263 gHCtransgHCgHC +

    est dada por la expresin emprica:

    2

    250 10.51,1108804,1ln

    TK

    TKK +=

    en el intervalo de 300 a 600 K. Calcular el cambio de entalpa estndar y el cambio de entropa estndar para la reaccin a 400 K.

    13) Se desea introducir CO a 10 atm y vapor de agua a 5 atm en una cmara de reaccin a 700C y extraer CO2 e H2 a presiones parciales de 1,5 atm. Es esto tericamente posible? La constante de equilibrio de la reaccin a 700C es 0,71.

    14) Considrese la disociacin del tetraxido de dinitrgeno a 25C: )(2)( 242 gNOgON

    Supngase que se coloca 1 mol de N2O4 en un recipiente a una presin de 1 atm. a.- Calclese el grado de disociacin y el volumen del recipiente una vez alcanzado el equilibrio. b.- Si se introducen 5 moles de argn y se mantiene la presin de 1 atm, cul ser el grado de disociacin en el equilibrio? c.- Si se introducen 5 moles de argn pero se mantiene el volumen del recipiente constante, cul ser el grado de disociacin en el equilibrio?

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    15) En una cmara de 10 L inicialmente vaca se hacen reaccionar a 249C, 0,5 moles de yodo con 0,5 moles de hidrgeno. A esa temperatura la constante de equilibrio de la reaccin:

    )(2)()( 22 gHIgHgI + es 50=cK . Una vez alcanzado el equilibrio calcular: a.- Presin total en la cmara. b.- Grado de avance y nmero de moles de cada especie. c.- Conversin del yodo.

    Repetir los clculos anteriores si a continuacin se adicionan 0,5 moles de hidrgeno y se deja reestablecer el equilibrio.

    16) La constante de equilibrio de la reaccin: )()(2 422 gONgNO

    en solucin de tetracloruro de carbono a 22C aumenta por un factor de 3,77 cuando la presin aumenta de 1 bar a 1500 bar. Calcular rV suponiendo que es independiente de la presin.

    EEqquuiilliibbrriioo ddee ffaasseess

    17) Determine el cambio en el punto de congelacin del agua a 0C al aumentar la presin. Los volmenes especficos del agua slida y del agua lquida a 0C son respectivamente 19,63 y 18,02 cm3.mol1 y el calor de fusin del agua a la misma temperatura es 6008 J/mol.

    18) Al congelarse benceno a 5,5C y 1 atm, su densidad pasa de 0,879 g.cm3 a 0,891 g.cm3. Su entalpa de fusin es 10,59 kJ.mol1. Suponiendo que fusH y fusV son independientes de la temperatura, estimar el punto de fusin del benceno a una presin de 1000 atm.

    19) Las presiones de vapor del metanol a 50C y 75C son respectivamente: 404 torr y 1126 torr. Calcular el calor de vaporizacin medio del metanol entre 50C y 75C y estimar su punto de ebullicin normal y la entropa de vaporizacin a esa temperatura. Decir si se cumple la regla de Trouton y por qu.

    20) La presin de vapor del cido ntrico depende de la temperatura como sigue:

    2

    253 10.4,310.4,2091,16)/ln(T

    KT

    KTorrP =

    Determinar la entalpa de vaporizacin del cido ntrico en su punto de ebullicin normal.

    21) La transicin: );();( blancosSngrissSn est en equilibrio a 18C y 1 atm de presin. Si S = 8,8 J.K1.mol1 y las densidades son de 5,75 g.cm3 para el estao gris y 7,28 g.cm3 para el estao blanco, calcular la temperatura de la transicin a una presin de 100 atm.

    22) Indicar el nmero de especies, el nmero de componentes y los grados de libertad de los siguientes sistemas: a.- Agua en equilibrio trifsico. b.- Sistema cerrado que contiene solamente Cl2, PCl3 y PCl5 en equilibrio segn:

    )()()( 235 gClgPClgPCl + c.- Solucin acuosa de cido actico. d.- Solucin acuosa de acetato de amonio.

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    SSiisstteemmaass mmuullttiiccoommppoonneennttee

    23) El benceno y el tolueno forman soluciones que se aproximan al comportamiento ideal. Si a 300 K las presiones de vapor del benceno y del tolueno son respectivamente 103,01 mmHg y 32,06 mmHg, calcular: a.- Presin de vapor de una solucin cuya fraccin molar de tolueno es 0,6. b.- Fraccin molar de tolueno en el vapor para esta composicin de la fase lquida.

    24) Se calienta gradualmente una solucin que contiene 200 g de CS2 y 300 g de CCl4 en un recipiente cerrado desde 25C hasta 80C, a 1 atm de presin constante. Utilice el diagrama T-x de este sistema binario para responder: a.- Cul es la composicin del primer vestigio de vapor formado y a que temperatura se produce? b.- Qu cantidad de mezcla se ha evaporado una vez alcanzados los 60C? c.- Cul es la composicin del ltimo vestigio de lquido? d.- A qu temperatura se logra la evaporacin de toda la masa lquida?

    25) Las constantes de la ley de Henry para el oxgeno y el nitrgeno en agua a 25C son 3,30.107 Torr y 6,51.107 Torr, respectivamente. Supngase que el aire es 79% molar de oxgeno y 21% molar de nitrgeno. Qu volumen de aire en CNTP se disolver en 1 litro de agua en equilibrio con aire a 25C y 1 atm? Cul es la relacin nitrgeno a oxgeno disuelto?

    26) A 25C, la presin parcial del CH3Cl en equilibrio con soluciones acuosas es la siguiente:

    x (CH3Cl) 0,005 0,009 P (Torr) 205 363

    Encontrar la constante de la ley de Henry para el CH3Cl en agua a 25C.

    27) La constante de la ley de Henry para el argn en agua es 2,17.104 atm a 0C y 3,97.104 atm a 30C. Calcular el calor estndar de disolucin del argn en agua promedio en el intervalo entre 0 y 30C.

    PPrrooppiieeddaaddeess mmoollaarreess ppaarrcciiaalleess

    28) Las densidades del agua (w) y del metanol (m) a 25C y 1 atm son 0,997 y 0,785 g.cm3 respectivamente. A partir de la siguiente ecuacin semiemprica, calcular los volmenes molares parciales de metanol y de agua en una solucin con 40% mol de agua:

    Vmez = k.xw.xm donde k = 3,94 cm3.mol1

    29) Tomando como base lo calculado en el problema 28, determinar los volmenes de agua y metanol puros a 25C y 1 atm que es necesario mezclar para obtener 1 litro de solucin con 40% mol de agua a la misma temperatura y presin y la densidad de la solucin resultante.

    30) Las entalpas molares de mezcla en Cal.mol1 de las aleaciones de Cd-Sn a 500C son:

    x (Cd) 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Hmez 298,2 652,4 800,0 620,5 251,5

    A partir de estos datos calcular las entalpas molares parciales relativas en una mezcla de Cd y Sn que contiene 60% molar de Cd.

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    PPrrooppiieeddaaddeess ccoolliiggaattiivvaass

    31) Calcular el punto de fusin y de ebullicin de una solucin preparada disolviendo 7,5 g de sacarosa en 250 cm3 de benceno a 25C a partir de los siguientes datos:

    Sustancia Dens. a 25C Tf Tb fusH0 vapH0 C6H6 879 kg.m3 5,5C 80,1C 10,59 kJ.mol1 30,80 kJ.mol1

    32) Al agregar 3 g de una sustancia a 100 g de tetracloruro de carbono, aumenta su temperatura de ebullicin en 0,6 K. Si Kb = 5,03 Kg.K.mol1, Kf = 31,8 Kg.K.mol1 y la densidad relativa del tetracloruro de carbono es 1,59 calcular: a.- Descenso crioscpico de la solucin. b.- Disminucin relativa de la presin de vapor. c.- Presin osmtica a 25C. d.- Masa molar de la sustancia.

    33) En un estudio de las propiedades de las soluciones acuosas de nitrato de torio (IV) se observ un descenso del punto de congelacin de 0,0703 K para una solucin acuosa de 0,0096 mol.kg1. Cul es el nmero aparente de iones por unidad frmula del soluto? Tomar Kf = 1,86 Kg.K.mol1.

    34) La masa molar de una enzima recientemente aislada se determin disolvindola en agua, midiendo la presin osmtica de distintas soluciones y luego extrapolando los datos a concentracin cero. A 20C se obtuvo la siguiente informacin:

    C (g.dm3) 3,221 4,618 5,112 6,722 (cm de agua) 5,746 8,238 9,119 11,990

    Cul es la masa molar de la enzima? La densidad del agua a 20C es 998,2 Kg.m3.

    35) Calcular la solubilidad ideal del antraceno en benceno a 25C. El calor de fusin del antraceno es 28,8 KJ mol1 en su punto de fusin normal de 217C. Expresar el resultado en gramos de antraceno por kilogramo de benceno.

    36) En 100 g de benceno se disuelven 70,85 g de naftaleno a 25C y 103,6 g a 35C. Suponer que la solucin es ideal para estimar el calor de fusin y el punto de fusin normal del naftaleno.

    SSoolluucciioonneess nnoo iiddeeaalleess

    37) Las presiones parciales de acetona (A) y cloroformo (C) en equilibrio con soluciones de distinta composicin se midieron a 35C, obteniendo los siguientes resultados:

    xC 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 PC(Torr) 0 35 82 142 219 293 PA(Torr) 347 270 185 102 37 0

    Encontrar los coeficientes de actividad de ambos componentes segn las dos convenciones: ley de Raoult (convenio I) y ley de Henry (convenio II).

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    38) A 1300 K, el cobre y el cinc forman soluciones regulares cuyos coeficientes de actividad pueden evaluarse con la expresin: 2)1.(ln ii xART = . Si el coeficiente de interaccin A vale 5 kcal.mol1, calcular: a) Coeficiente de actividad a dilucin infinita. b) Actividades del Cu y Zn para xZn = 0,4, tanto para el estado tipo de Henry (convenio I)

    como para el de Raoult (convenio II). c) Gmez cuando se forma una solucin con 40% de Zn, a partir de los componentes puros a

    la misma temperatura.

    39) Las soluciones de benceno y ciclohexano se ajustan bastante bien a la ecuacin de Margules de 1 parmetro: gE = A.x1.x2. A 293 K, el valor de A es 1,27 kJ/mol y (A/T)P = 7 J/(mol.K). Calcular la entalpa y entropa de exceso de una solucin equimolar de benceno y ciclohexano a 293 K.

    40) Se sabe que el sistema binario ciclohexano fenol forma un azetropo a 144C de 29,4% de ciclohexano. Suponiendo que la mezcla se ajusta a la ecuacin de Margules de 1 parmetro, calcular la presin y la composicin del vapor en equilibrio con una solucin que contiene 60% de ciclohexano a 144C. A esta temperatura las presiones de vapor del ciclohexano y del fenol son 75,20 y 31,66 kPa, respectivamente.

    41) La fase lquida del sistema azeotrpico acetato de etilo (1) etanol (2) se puede representar mediante la ecuacin de Van Laar, siendo los valores de los parmetros de interaccin A12 = 0,3842 y A21 = 0,4093 a 60C. La presin de vapor de los compuestos puros est dada por la ecuacin de Antoine (en base e) cuyas constantes son:

    Componente a b c Etanol 18,5242 3578,91 -50,50

    Acetato de etilo 16,1516 2790,57 -57,15 (Nota: P* en mmHg y T en K).

    Calcular las presiones correspondientes a los puntos de roco y burbuja de una mezcla con 32% molar de acetato de etilo a 60C.

    EEqquuiilliibbrriioo llqquuiiddoo--llqquuiiddoo

    42) Considere un sistema lquido-lquido que contiene 10 Kg de A y 8 Kg de B a una temperatura tal que ambas fases estn presentes, una con 10% msico de B () y la otra con 80% msico de B (). Calcular las masas de las dos fases en equilibrio.

    43) La constante de distribucin del cido esterico entre n-heptano y cido actico es 4,95 a 25C. Determinar el nmero de extracciones de una solucin de cido esterico en cido actico, con porciones sucesivas de n-heptano de igual volumen que la solucin, necesarias para reducir el contenido residual de cido esterico en la capa de cido actico a 0,08% de su valor original.

    44) El sistema cido actico, cloroformo y agua es un sistema ternario parcialmente miscible. Utilizando el diagrama de fases triangular de este sistema determinar: a.- Cuntas fases hay, cules son sus composiciones y en qu proporciones relativas se encuentran, en una mezcla formada por 2,3 g de agua, 9,2 g de cloroformo y 3,1 g de cido actico?

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    b.- Qu cantidad de cido actico debera agregarse a la mezcla anterior para obtener una sola fase?

    EEqquuiilliibbrriioo qquummiiccoo eenn ssiisstteemmaass nnoo iiddeeaalleess

    45) Calcular la constante verdadera (termodinmica) de equilibrio a 450C de la reaccin: )()(23)(21 322 gNHgHgN +

    utilizando los siguiente datos:

    P (atm)...