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Química. Supuestos prácticos

Preparador: Paco Martínez Cinética Química

1. Velocidad de reacción. Factores de que depende.

-1 -1

1.1. Para la reacción N2O4 (g)  2 NO2 (g), la velocidad de formación de NO2, en cierto intervalo de tiempo, es 0,004 mol·L ·s . ¿Cuánto vale, en ese intervalo, la velocidad de desaparición de N2O4? [Solución: 0,002 mol·L-1s-1] 1.2. La lejía es una disolución de hipoclorito de sodio, NaClO, en agua. Se descompone según: 3 NaClO (aq) → 2 NaCl (aq) + NaClO3 (aq) −1 −1 A temperatura ambiente, la reacción es muy lenta, pero cuando se calienta a 80 ºC, la velocidad de formación de NaCl es de 2,8 mol·L ·min . -1 -1 -1 -1 Calcula la velocidad de desaparición de NaClO y la velocidad única de reacción. [Solución: 4,2 mol·L ·min ; 1,4 mol·L ·min ]

2. Orden de reacción y ley de velocidad. 2.1. La ecuación de la velocidad de la reacción: 2 NO (g) + 2 H2 (g) →N2 (g) + 2 H2O (g) viene dada por la siguiente expresión experimental, 2 V= k[NO] [H2 ]. ¿Cuál es el orden de esta reacción con respecto a cada uno de los reactivos y el orden total? [Solución: 2 , 1 y 3] 2

2.2. La ley de velocidad determinada experimentalmente para cierta reacción es: v = k[A] [B] . Explica qué pasa con la velocidad de dicha reacción cuando: a) Se triplica la concentración de A. b) Se reduce a la mitad la concentración de A. c) Se duplica la concentración de B. [Solución: a) 9 veces mayor; b) la cuarta parte; c) se duplica]

2.3. Uno de los principales irritantes oculares del esmog es el formaldehído, CH2O, que se forma en la reacción: C2 H4 (g) + O3 (g)  2 CH 2O (g) + 1/2 O2 (g). Dada la tabla de datos: a) Determina la ley de velocidad para la reacción. b) Determina la constante de −7 velocidad, k. c) Calcula la velocidad de reacción cuando [C2H4] y [O3] son ambas 3,0 · 10 −1 mol L . [Solución: a) v=k·[C2H4]·[O3]; b) k=2,0·103 mol-1·L·s-1; c) 1,8·10-10 mol·L-1·s-1 )

3. Mecanismo de reacción. 3.1. El bromuro de nitrilo se descompone en dióxido de nitrógeno y bromo: 2 NO 2Br (g)  2 NO2 (g) + Br2 (g) El mecanismo propuesto es: (1) NO2Br (g)  NO2 (g) + Br (g) (lenta) (2) NO2Br (g) + Br (g)  NO2 (g) + Br2 (g) (rápida) Escribe la ley de velocidad predicha para este mecanismo. [Solución: v=k·[NO2Br] ] 3.2. Los envenenadores han utilizado mucho las sales de talio (I), para deshacerse de sus víctimas, tanto en la realidad como en la ficción. En disolución acuosa, el ion cerio (IV) oxida al talio (I). Los pasos elementales, en presencia de Mn (II) son: 4+ 2+ 3+ 3+ 4+ 3+ 3+ 4+ + 4+ 3+ 2+ (1) Ce + Mn  Ce Mn (lenta) (2) Ce + Mn  Ce + Mn (rápida) (3) Tl + Mn  Tl + Mn (rápida) a) Escribe la ecuación de la reacción química global. b) Identifica el catalizador y los intermediarios. c) ¿Qué distingue a un catalizador de un intermediario? d) Deduce la ley de velocidad. [ + 4+ 3+ 3+ 2+ 3+ 4+ [Solución: a) Tl + 2Ce  Tl + 2 Ce ; b) Catalizador: Mn ; Intermedio: Mn ; Mn ; d) v=k·[Ce4+]·[Mn2+]

4. Energía de activación. Catálisis. Ecuación de Arrhenius 4.1. Una manzana magullada se pudre, a temperatura ambiente (20 ºC), en aproximadamente 4 días. Si se mantiene refrigerada a 0 ºC, la -1 misma extensión de putrefacción ocurre en 16 días. ¿Cuál es la energía de activación para la reacción de putrefacción? Dato. R = 8,314 J K -1 -1 mol . [Solución: Ea=46 kJ·mol ] 4.2. Las enzimas del hígado catalizan un gran número de reacciones que degradan sustancias tóxicas. ¿Por qué factor cambia la velocidad de -1 una reacción de detoxificación para la cual las enzimas del hígado disminuyen su energía de activación en 18 kJ a 37 ºC? Dato. R = 8,314 J K -1 3 mol . [Solución: v´= 1,1·10 v] 4.3. A 20 ºC, la leche fresca (no pasteurizada) se agria en 9 horas, pero si se mantiene en la nevera a 5 ºC, tarda en estropearse 48 horas. -1 -1 Calcula la energía de activación para el proceso de deterioro de la leche fresca. Dato. R = 8,314 J K mol [Solución: Ea=76 kJ·mol-1]

5. Concentración del reactivo en función del tiempo. 5.1. El peróxido de benzoílo, la sustancia más utilizada contra el acné, se descompone siguiendo una cinética de primer orden con una 3 semivida de 9,8·10 días cuando se refrigera. ¿En cuánto tiempo pierde el 5% de su potencia? [Solución: t=7,3·102 dias]

5.2. Un bioquímico estudia la descomposición del insecticida DDT en el suelo y encuentra que decae en una reacción de primer orden, con una semivida de 12 años. ¿Cuánto tiempo debe transcurrir para que el DDT en una muestra del suelo disminuya desde 550 ppbm a 20 ppbm? (“ppbm” significa ‘partes por billón en masa’.) [Solución: t=57 años] 5.3. La aspirina se descompone en el cuerpo en un proceso de primer orden. La semivida de la aspirina en personas adultas es de 3,7 horas. Calcula cuánta aspirina permanece en el torrente sanguíneo después de 24 horas, a partir de una dosis de 160 mg. [Solución: 1,78 mg]

6. Problemas de síntesis. 6.1. Una de las reacciones implicadas en la destrucción del ozono en la estratosfera es: NO (g) + O3 (g)  NO2 (g) + O2 (g) 8 −1 −1 -1 Para esta reacción en fase gaseosa, el factor de frecuencia es 6,31·10 L· mol s , y la energía de activación, 10 kJ mol . a) Calcula la constante de velocidad a 370 K. b) Suponiendo que se trata de una reacción elemental, calcula la velocidad de reacción a 370 K si: -1 -1 [NO] = 0,0010 mo·L y [O3 ] 0,00050 mo·L . [Solución: a) k=2,4·107 mol-1·L·s-1; b) v= 12 mol·L-1·s-1] 6.2. El cloruro de sulfurilo, SO2Cl2 , se utiliza en la fabricación del clorofenol (un antiséptico común). En la descomposición del SO2Cl2 , a cierta temperatura, se obtuvieron los datos siguientes: a) ¿Cuál es la ley de velocidad para esta reacción? b) Calcula la constante de velocidad. c) Determina el orden de la reacción. [Solución: a) v = k [SO2Cl2 ]; b) k=2,2·10-5 s-1; c) n=1]

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Cinética Química 1. Velocidad de reacción. Factores de que depende.

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1.1. Para la reacción N2O4 (g)  2 NO2 (g), la velocidad de formación de NO2, en cierto intervalo de tiempo, es 0,004 mol·L ·s . ¿Cuánto vale, en ese intervalo, la velocidad de desaparición de N2O4? [Solución: 0,002 mol·L-1s-1]

1.2. La lejía es una disolución de hipoclorito de sodio, NaClO, en agua. Se descompone según: 3 NaClO (aq) → 2 NaCl (aq) + NaClO3 (aq) −1 −1 A temperatura ambiente, la reacción es muy lenta, pero cuando se calienta a 80 ºC, la velocidad de formación de NaCl es de 2,8 mol·L ·min . -1 -1 -1 -1 Calcula la velocidad de desaparición de NaClO y la velocidad única de reacción. [Solución: 4,2 mol·L ·min ; 1,4 mol·L ·min ]

2. Orden de reacción y ley de velocidad. 2.1. La ecuación de la velocidad de la reacción: 2 NO (g) + 2 H2 (g) →N2 (g) + 2 H2O (g) viene dada por la siguiente expresión experimental, 2 V= k[NO] [H2 ]. ¿Cuál es el orden de esta reacción con respecto a cada uno de los reactivos y el orden total? [Solución: 2 , 1 y 3]

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2.2. La ley de velocidad determinada experimentalmente para cierta reacción es: v = k[A] [B] . Explica qué pasa con la velocidad de dicha reacción cuando: a) Se triplica la concentración de A. b) Se reduce a la mitad la concentración de A. c) Se duplica la concentración de B. [Solución: a) 9 veces mayor; b) la cuarta parte; c) se duplica]

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2.3. Uno de los principales irritantes oculares del esmog es el formaldehído, CH2O, que se forma en la reacción: C2 H4 (g) + O3 (g)  2 CH 2O (g) + 1/2 O2 (g). Dada la tabla de datos: a) Determina la ley de velocidad para la reacción. b) Determina la constante de velocidad, k. c) Calcula la velocidad de reacción cuando −7 −1 [C2H4] y [O3] son ambas 3,0 · 10 mol L . [Solución: a) v=k·[C2H4]·[O3]; b) k=2,0·103 mol-1·L·s-1; c) 1,8·10-10 mol·L-1·s-1 )

3. Mecanismo de reacción. 3.1. El bromuro de nitrilo se descompone en dióxido de nitrógeno y bromo: 2 NO2Br (g)  2 NO2 (g) Br2 (g) El mecanismo propuesto es: (1) NO2Br (g) NO2 (g) + Br (g) (lenta) (2) NO2Br (g) + Br (g) NO2 (g) + Br2 (g) (rápida) Escribe la ley de velocidad predicha para este mecanismo. [Solución: v=k·[NO2Br] ]

3.2. Los envenenadores han utilizado mucho las sales de talio (I), para deshacerse de sus víctimas, tanto en la realidad como en la ficción. En disolución acuosa, el ion cerio (IV) oxida al talio (I). Los pasos elementales, en presencia de Mn (II) son: 4+ 2+ 3+ 3+ (1) Ce + Mn  Ce Mn (lenta) 4+ 3+ 3+ 4+ (2) Ce + Mn  Ce + Mn (rápida) + 4+ 3+ 2+ (3) Tl + Mn  Tl + Mn (rápida) a) Escribe la ecuación de la reacción química global. b) Identifica el catalizador y los intermediarios. c) ¿Qué distingue a un catalizador de un intermediario? d) Deduce la ley de velocidad. [ 4 3 3 2+ 3+ 4+ [Solución: a) Tl2 Ce Tl 2 Ce b) Catalizador: Mn ; Intermedio: Mn ; Mn ; d) v=k·[Ce4+]·[Mn2+]

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4. Energía de activación. Catálisis. Ecuación de Arrhenius 4.1. Una manzana magullada se pudre, a temperatura ambiente (20 ºC), en aproximadamente 4 días. Si se mantiene refrigerada a 0 ºC, la misma extensión de putrefacción ocurre en 16 días. ¿Cuál es la energía de activación para la reacción de putrefacción? -1 -1 Dato. R = 8,314 J K mol . [Solución: Ea=46 kJ·mol-1]

4.2. Las enzimas del hígado catalizan un gran número de reacciones que degradan sustancias tóxicas. ¿Por qué factor cambia la velocidad de -1 una reacción de detoxificación para la cual las enzimas del hígado disminuyen su energía de activación en 18 kJ a 37 ºC? Dato. R = 8,314 J K -1 3 mol [Solución: v´= 1,1·10 v]

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4.3. A 20 ºC, la leche fresca (no pasteurizada) se agria en 9 horas, pero si se mantiene en la nevera a 5 ºC, tarda en estropearse 48 horas. -1 -1 Calcula la energía de activación para el proceso de deterioro de la leche fresca. Dato. R = 8,314 J K mol [Solución: Ea=76 kJ·mol-1]

5. Concentración del reactivo en función del tiempo. 5.1. El peróxido de benzoílo, la sustancia más utilizada contra el acné, se descompone siguiendo una cinética de primer orden con una 3 semivida de 9,8·10 días cuando se refrigera. ¿En cuánto tiempo pierde el 5% de su potencia? [Solución: t=7,3·102 dias]

5.2. Un bioquímico estudia la descomposición del insecticida DDT en el suelo y encuentra que decae en una reacción de primer orden, con una semivida de 12 años. ¿Cuánto tiempo debe transcurrir para que el DDT en una muestra del suelo disminuya desde 550 ppbm a 20 ppbm? (“ppbm” significa ‘partes por billón en masa’.) [Solución: t=57 años]

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5.3. La aspirina se descompone en el cuerpo en un proceso de primer orden. La semivida de la aspirina en personas adultas es de 3,7 horas. Calcula cuánta aspirina permanece en el torrente sanguíneo después de 24 horas, a partir de una dosis de 160 mg. [Solución: 1,78 mg]

6. Problemas de síntesis. 6.1. Una de las reacciones implicadas en la destrucción del ozono en la estratosfera es: NO (g) O3 (g)  NO2 (g) O2 (g) 8 −1 −1 -1 Para esta reacción en fase gaseosa, el factor de frecuencia es 6,31·10 L· mol s , y la energía de activación, 10 kJ mol . a) Calcula la constante de velocidad a 370 K. b) Suponiendo que se trata de una reacción elemental, calcula la velocidad de reacción a 370 K si: -1 -1 [NO] 0,0010 mo·L y [O3 ] 0,00050 mo·L

[Solución: a) k=2,4·107 mol-1·L·s-1; b) v= 12 mol·L-1·s-1]

6.2. El cloruro de sulfurilo, SO2Cl2 , se utiliza en la fabricación del clorofenol (un antiséptico común). En la descomposición del SO2Cl2 , a cierta temperatura, se obtuvieron los datos siguientes: a) ¿Cuál es la ley de velocidad para esta reacción? b) Calcula la constante de velocidad. c) Determina el orden de la reacción. [Solución: a) v k [SO2Cl2 ]; b) k=2,2·10-5 s-1; c) n=1]

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