• Author / Uploaded
• Eduardo Maquera Murrugarra

Citation preview

PROBLEMAS DE GASES Y ESTEQUIOMETRIA 1.-Se mezclan en un recipiente de cuatro litros, 1L de un gas A, a 2 atm de presión, y 2 L de un gas B, a 3 atm de presión. Determine: a) La presión final de la mezcla gaseosa, si la temperatura durante todo el proceso ha permanecido constante. b.) La masa molecular media de la mezcla, si la masa total de la mezcla es de 24 g y la temperatura es de 333K. c) Si la temperatura de A hubiese sido de 300K, la de B de 400 K y la temperatura final de la mezcla de 600 K ¿cuál será la presión final? Res= a)2 atm b) 82 g c) 3,25 atm. 2.- Calcule la presión que ejerce 1 mol de Cl 2 (g), de CO2 (g), y de CO(g) cuando se encuentran ocupando un volumen de 2L a 273 K, respectivamente, considerando gas ideal y gas real. Los valores de a y b son: Cl2 (a = 6,49 L2 atm mol –2 y b = 0,0562 L mol –1), CO2 (a = 3,59 L2 atm mol –2 y b = 0,0427 L mol –1), CO (a = 1,49 L2 atm mol –2 y b = 0,0399 L mol –1). ¿Cuál de los tres gases presenta una desviación mayor del comportamiento del gas ideal? Res = Cl2 (Preal = 9,90 atm), CO2 (Preal = 10,54 atm), CO (Preal = 11,05 atm) Pideal = 11,2 atm para los tres gases. Cloro el que mas se separa del ideal 3.- En una mezcla compuesta por 0,0786 moles de eteno y 0,1214 moles de dióxido de carbono en un recipiente de 700,0 cm3 a 40 ºC. Calcule la presión utilizando: a) Ecuación de gas ideal; b) Ecuación de van der Waals; Res = 7,34 atm, 7,12 atm,. 4.- Un horno de tostación de pirita de hierro, S 2Fe, se alimenta de forma continua con 1000 kg/h de pirita y 3000 m3/h de aire medido a 700 mmHg y 20 ºC. A su paso por el horno toda la pirita reacciona con el oxígeno del aire para dar SO 2 gaseoso y Fe2O3 sólido, de forma que del horno sale una corriente gaseosa formada por SO2, O2 y el N2 que no interviene en la reacción, así como una corriente de Fe 2O3 sólido. La composición del aire que entra en el horno es 21 moles % de O 2 y 79 moles % de N2. Calcúlese la composición de la corriente gaseosa que sale del horno de tostación expresada en fracciones molares de sus componentes. Res: ySO2 = 0.1535, yO2 = 0.0110, yN2 = 0.8355 5.- La composición, en % en masa, de una piedra caliza es: CaCO 3 = 92 %, MgCO3 = 6%, SiO2 = 2 %. ¿Qué volumen de CO2, medido a 800 mmHg y 250 ºC, puede obtenerse a partir de 1 kg de piedra caliza? Res: 403.89 litros 6.- En un horno se quema con aire un gas combustible cuya composición es [CH 4 = 95 mol %, C 2H6 = 3 mol %, N2 = 2 mol %]. La composición, en fracciones molares, de los gases de combustión que salen del horno es [CO2 = 0.0810, H2O = 0.1595, O2 = 0.0322 N2 = 0.7273] . Calcúlese la composición, en % en peso, del aire utilizado en la combustión suponiendo que es una mezcla exclusiva de O 2 y N2. Res: O2 = 23.30 % , N2 = 76.70 %. 7.- Se disuelven 100 g de sulfato sódico anhidro, Na 2SO4, en 200 g de agua, y la disolución que resulta se enfría hasta que cristalizan 80 g de Na 2SO4.10H2O. Calcúlese el % en peso de agua en las aguas madres (la disolución que queda al final del proceso de cristalización). Res: 70.58% 8.- Una caliza tiene la siguiente composición: CaCO3 = 92.89%, MgCO3 = 5.41%, SiO2 = 1.70%. a) ¿Cuántos kg de óxido cálcico se pueden obtener con 5 toneladas de la caliza? b) ¿Cuántos m3 de CO2, medidos a 710 mm Hg y 50 ºC, se pueden obtener con 1000 kg de caliza? c) ¿Cuántos kg de caliza se requieren para producir 100 kg de carburo cálcico? Res: a) 2602.29, b) 281.6, c) 168.1 9.- Un mineral que contiene 85% en peso de Fe 3O4, siendo el resto ganga inerte, se reduce cuantitativamente a hierro metálico utilizando una mezcla gaseosa de CO y CO 2 cuya composición es 90% en peso de CO. Las reacciones que tienen lugar son: Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 FeO + CO Fe + CO2 Calcúlese: a) el volumen de mezcla gaseosa, medido a 110ºC y 1.5 atm, que se requiere para producir 1000 kg de hierro. b) los kg de gas que habrá al final del proceso de reducción. Res: a) 535.77 m3 , b) 1124.92

10.- Una de las etapas del proceso Ostwald para la obtención de ácido nítrico consiste en la reacción de oxidación en fase gaseosa 4NH3 + 5O2 6H2O + 4NO El sistema de reacción se alimenta de forma continua con 100 mol/s de NH3 y 600 mol/s de aire, cuya composición es 23.3 % en peso de oxígeno y 76.7 % en peso de nitrógeno. Calcúlese la composición, expresada en fracciones molares de los gases que salen del sistema de reacción, para los dos casos siguientes: a) La oxidación del NH3 es cuantitativa. b) Solamente se oxida el 98 % del NH3 que entra en el sistema de reacción. Res: a. yNH3 = 0 , yO2 = 0.0015 , yH2O = 0.2069 , yNO = 0.1379 , yN2 = 0.6537 b. yNH3 = 0.0028 , yO2 = 0.0049 , yH2O = 0.2029 , yNO = 0.1353 , yN2 = 0.6541 11.- El óxido de aluminio reacciona con ácido sulfúrico según la reacción: Al2O3 + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2O Una bauxita comercial que contiene 55.4% en peso de Al 2O3, siendo el resto una ganga inerte, reaccionó con una disolución acuosa de ácido sulfúrico de concentración 77.7% en peso de H 2SO4.En el proceso se utilizaron 1080 kg de bauxita comercial y 2510 kg de la disolución de ácido sulfúrico, obteniéndose 1798 kg de sulfato de aluminio. a) ¿Qué reactivo se ha utilizado en exceso? b) ¿Qué conversión de Al2O3 se ha conseguido en el proceso? Res: a) H2SO4 , b) 0.8955 = 89.55% 12.- En un reactor que opera a 1000 ºK y 1 atm tiene lugar la reacción de oxidación en fase gaseosa del óxido nítrico a dióxido de nitrógeno: NO + 0.5O2 NO.. Si la mezcla gaseosa que sale del reactor se encuentra en equilibrio químico, calcúlese el % de conversión de NO a NO 2 en los casos siguientes: a) El reactor se alimenta con una mezcla de NO y NO2 en proporciones estequiométricas. b) La alimentación del reactor es una mezcla de NO y aire con una relación molar aire/NO = 5. c) ¿Para qué presión el reactor del apartado b), operando también a 1000 ºK, conduciría a la misma conversión de equilibrio que en el caso a)? Res: a) 6.83 % , b) 5.11 % , c) 1.93 atm 13.- En un horno se queman 1000 m 3/h, medidos a 800 mm Hg y 20ºC, de un gas natural. Con el fin de asegurar la combustión completa del gas natural se utiliza un 16% de exceso de aire con respecto al estequiométrico necesario para la oxidación de los hidrocarburos a CO 2 y H2O. La composición del gas natural es: [CH4 = 78% , C2H6 = 10% , C3H8 = 7% C4H10 = 5% en moles.], y la del aire: [O2 = 20.9% , N2 = 78.5% , H2 = 0.6% en moles]. a) ¿Cuál es la composición, en moles %, de los gases de combustión? b) ¿Cuál es la temperatura mínima hasta la que se pueden enfriar los gases de combustión, a la presión de 750 mmHg, sin que se produzca condensación del vapor de agua? c) ¿Cuántos kg/h de vapor de agua condensarían si los gases de combustión se enfriasen, a la presión de 750 mmHg, hasta la temperatura de 25ºC? Res: a) yCO2 = 0.0897; yH2O = 0.1598 ; yO2 = 0.0239 ; yN2 = 0.7267 , b) 55.32ºC , c) 118.7 14.- Se tiene un mineral de pirita, cuya composición en FeS 2 es de 80% en peso. a) Cuantos litros de aire (20,9%V de O2 y 79%V de N2) medidos a 317ªC y presión de 686 torr, serán teóricamente necesarios para quemar 567 g de mineral de pirita. b) ¿Cuál será el volumen de gas residual de SO2 y N2, medidos a la misma temperatura y presión anterior. 15.- Se mezcla C2H4 y HCl gaseosos en proporción de 5 a 8 en mol respectivamente en un tanque de 10 litros a 127ªC. Esta mezcla se envía a un cilindro de 20 litros donde reacciona con O2 a 227ªC según la ecuación: C2H4(g) + HCl(g) + O2(g) --- C2H4Cl2(g) + H2O (g) El O2 se encuentra al 50%molar en exceso. La mezcla resultante tiene una presión final de 4,1 Atm.. a) Determine la masa de los reactivos que quedan en exceso y b) El % en masa de la mezcla. Res: a)W exceso de C2H4 = 5,6 g , O2 = 6,4 g b) %w: C2H4 = 5,3 ; O2 = 6,1; H2O =13,6 ; C 2H4Cl2= 75

GASES IDEALES Y REALES Problemas Propuestos. 1) Cierto gas obedece la ecuación de estado P(V−nb)=nRTdonde b y R son constantes. Si la presión y la temperatura son tales que V= 10b, ¿cuál es el valor numérico del factor de compresibilidad? 2) Cierto gas obedece la ecuación de van der Waals con a = 0.50 m 6 Pa mol-2. Su volumen es de 5.00 x 10-4 m3 mol-1 a 325K. A partir de esta información, calcular la constante b de van der Waals. Determinar el factor de compresibilidad a esta temperatura y presión. 3) Usar la ecuación de van der Waals para calcular el valor de la presión de un mol de etano a 400 K que se encuentran confinados en un recipiente de 83.26 cm3. Comparar el resultado con el obtenido con el modelo del gas ideal y con el valor experimental que es de 400 bar. 4) Calcular el volumen molar del CO a 200 K y 1000 bar usando la ecuación de van der Waals. Comparar el resultado con el obtenido con el modelo del gas ideal y con el valor experimental, que es 0.04009 L mol-1. 5) Calcular el % de desviación del comportamiento ideal respecto a la presión, para 5 moles de NH 3 a 0ºC, que se encuentra en un recipiente de 5 litros. Además determinar el diámetro aproximado de la molécula del amoniaco. a=4,17 Atm (L/mol)2; b=0,0371 L/mol R: %des. =14,77% D=2,92 A. 6) Tenemos un recipiente de un litro que contiene H2 gaseoso a la presión parcial de 326 Torr y 168ºC y O2 gaseoso a 652 Torr y 168ºC. se hace saltar un chispa en el seno de la mezcla a fin de que se produzca la reacción: 2H2(g)+ O2(g) -- 2H2O(g) hasta el máximo posible. Si la temperatura final es 197ºC Cual será: a) La presión final en el recipiente b) La composición molar final después de la reacción. R: a) 1,1562 atm o´ 878,7 Torr. b) %n02=60%, %H2O=40% 7) Una mezcla gaseosa de O2 y Kr tiene una densidad de 1,104 g/L. a 435 Torr y 300K ¿En qué proporción volumétrica se encuentra el O2 respecto al Kr en la mezcla gaseosa? R: V02 / Vkr=7/3 8) El factor de comprensibilidad de 8 moles de gas argón, colocado en un cilindro de 100 litros de capacidad y a una presión de 1,14X104 Torr. es diferente de la unidad. ¿Cuál es la temperatura a la que se encuentra este gas? ¿Cuál será el diámetro aproximado del argón? Datos: a=1,35 atm.L2.mol-2; b=0,0322 L. mol-1 R: T=2282,04K C; D=2,94 A

PROBLEMAS DE QUÍMICA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL: 1) Se analizó la calidad del aire de una cuidad después de 20 años de haberse industrializado, encontrando los siguientes datos comparativos en % en volumen (medidos a 755 torr y 20ºC): CIUDAD LIMA (hace 20 años) LIMA (actualmente)

N2 78,7 78,4

O2 20,8 19,8

SO2 --¿

CO2 0.40 ¿

NO2 ? ¿

Si la contaminación por smog fotoquímico a quintuplicado su valor porcentual en volumen y la densidad actual del aire 1,207 g/L. determinar la composición en peso del aire actual y el tipo de smog que predomina R: %w:75,10;21,68; 1,53, 0,90;0,79 2) El aire de una ciudad a 23º y 750 torr tiene la siguiente composición en volumen 22% N2

O2

CO

SO2

75

18

0,08

?

NO2 ?

Si la densidad del aire es 1,25 g/L. determine: a) Los ppm en volumen de los contaminantes. ¿qué tipo de smog predomina? b) Las moléculas de SO2 por litro de aire. R: a) SO2=44540, NO2=24660, Smog industrial; b) 1,043 x1021 moléculas S02 3) La densidad de un aire contaminado en una ciudad, compuesto de N 2, O2, y NO2 es 1,301 g/L. a 27ºC y 750 torr. La concentración del N2 es de 70% en volumen determinar: a) El % en peso de los componentes del aire contaminado. b) Las ppm pro volumen del contaminante. R:% W:60,5; 7; 32,5 b) ppm NO2 =2,29 105 4)

El aire de la Oroya y el de Lima tienen las siguientes composiciones dadas en % en volumen medidas a 25ºC ZONA A La Oroya

N2 81

O2 ¿

SO2 0,80

CO2 0,40

NO2 ¿

B Lima

78,5

19,5

¿

0,50

¿

La densidad del aire en A es de 1,166 g/L. y en B 1,186 g/L. la presión de las zonas A y B es de 745 torr y 754 torr. Respectivamente. Indicar la composición en peso del aire en cada zona y cual tiene mayor contaminación por smog industrial. R:A: 77,93; 19,26; 1,76; 0,60 ; 0,45 B: 75,15; 21,33; 1,44, 0,75; 1,33

cuidad A

5) a) En un ambiente típico urbano donde no hay métodos de control de SO 2 , la concentración de SO2 es de 2 ppm. Si la presión atmosférica es de 754 torr y la temperatura 20 ªC ¿Cuál será el nª de moléculas de SO2 por m3 de aire. b)Un método para el control de SO2 de emisión de centrales generadoras de energía es hacer pasar el SO2 sobre MgO(s) a 150 ªC , considerando una eficiencias general de 30%, ¿Cuántos kg de MgO se requerirá para eliminar el SO2, por la combustión de de 1 Tn de combustible que contiene 2,7% de S en peso?.

R: a= 4,974x1019 moléculas. b) 113,3 Kg.