QUÍMICA II
Guía de problemas 9
I
NSTITUTO DEC
IENCIAS DE LAS
ALUDU
NIVERSIDADN
ACIONALA
RTUROJ
AURETCHEAv. Lope de Vega 106, Florencio Varela – Buenos Aires – Argentina
Guía 9: CINÉTICA QUÍMICA
Conceptos importantes
Velocidad de reacción. Factores que modifican la velocidad de reacción.
Concentración y velocidad: ley de velocidad y orden de reacción.
Cambio de concentración en el tiempo: determinación del orden parcial y total de reacción.
Constante de velocidad de una reacción química
Efecto de la temperatura sobre la velocidad de las reacciones.
Mecanismos de reacción: Reacciones elementales y complejas.
Catálisis: efecto de los catalizadores sobre la velocidad de las reacciones.
Problemas
Problema 1
(a) ¿Qué significa el término velocidad de reacción?
(b) Nombrar tres factores que afectan la velocidad de una reacción química.
(c) ¿En qué unidades se expresa habitualmente la velocidad de las reacciones que ocurren en disolución?
(d) De cuáles de las siguientes propiedades depende la constante de velocidad de una reacción química: (i) concentración de los reactivos (ii) naturaleza de los reactivos (iii) temperatura.
(e) Cuál es la diferencia entre velocidad media y velocidad instantánea?
Problema 2
Escriba la expresión de la velocidad para las siguientes reacciones en función de la desaparición de los reactivos y de la aparición de los productos:
4NH3 (g)+ 5O2 (g) ⇌ 4NO (g)+ 6H2O (g)
5 Br-(ac) + BrO3-(ac) + 6H+(ac) ⇌ 3Br2 (ac)+ 3H2O (l)
Problema 3
La estabilidad de los medicamentos es un tema muy importante en farmacología.
El ácido p-aminosalicílico (PAS), un fármaco de uso común contra la tuberculosis, se descompone en m-aminofenol y dióxido de carbono en presencia de humedad ambiente. Al estudiar la descomposición de una pastilla de PAS en ciertas condiciones se encontraron los siguientes resultados donde la concentración está expresada en mg de PAS por gramo:
(a) Graficar la concentración de PAS como una función del tiempo.
(b) Estimar la velocidad de descomposición del PAS a 4 y 16 horas. Compare los valores obtenidos y de acuerdo a ellos indique cómo se espera que se modifique la velocidad de una reacción química a medida que avanza el tiempo.
(c) Determine el orden de reacción para PAS y calcule la constante de velocidad.
Problema 4
Al estudiar la cinética de descomposición de dos contaminantes (A y B) presentes en aguas de desecho de una industria se encontró que para cada uno de ellos el comportamiento de la concentración en función del tiempo presenta el siguiente comportamiento:
tiempo/ horas
0 50 100 150 200 250 300
1 /[ A ] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 tiempo/ días
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
ln [B ] 0 2 4 6 8 10 12
Contaminante A Contaminante B
De acuerdo al comportamiento experimental observado decidir si la degradación de cada contaminante obedece a una cinética de orden 1 o de orden 2.
Problema 5
Una reacción A + B ⇌ C obedece la siguiente ecuación de velocidad: V = k [B]2
(a) Si se duplica la concentración de A ([A]), ¿cambia la velocidad? ¿Cambia la constante de velocidad? Justifique su respuesta.
(b) ¿Cuáles son los órdenes de reacción de A y B? ¿Cuál es el orden de reacción global?
(c) ¿Cuáles son las unidades de la constante de velocidad?
Problema 6
La reacción del agua con CH3Cl se representa mediante la siguiente ecuación balanceada:
CH3Cl + H2O ⇌ CH3OH + HCl
La velocidad de la reacción directa se duplica al duplicar la concentración de CH3Cl y se
(a) ¿Cuál es el orden global de la reacción directa?
(b) ¿Qué unidades tendrá k?
(c) ¿Cuánto aumenta la velocidad inicial si se duplica la concentración de ambos reactivos?
(d) Calcular k si el CH3OH se forma a una velocidad de 1,50 M/s cuando [CH3Cl] = [H2O]
= 0,40 M.
Problema 7
La siguiente es una de las reacciones responsables de la destrucción de la capa de ozono NO + O3 ⇌ NO2 + O2
Se han realizado tres experimentos en los que se ha variado las concentraciones iniciales de los reactivos y se ha determinado para cada uno de ellos la velocidad inicial. Los datos se muestran en la siguiente tabla:
Experimento [NO]o (M) [O3]o (M) vo (mol/l·s)
1 1,0 · 10-6 3,0 · 10-6 6,6 · 10-5 2 1,0 · 10-6 9,0 · 10-6 1,98 · 10-4
3 3,0 · 10-6 9,0 · 10-6 5,94 · 10-4
(a) A partir de la información anterior determinar los órdenes de reacción para cada reactivo y expresar la ecuación de velocidad correspondiente.
(b) Calcular el valor de la constante de velocidad.
Problema 8
La descomposición de H2O2, es una reacción de primer orden para el agua oxigenada y
transcurre según la reacción:
H2O2 (ac) ⇌ H2O (l) + ½ O2 (g).
A cierta temperatura cercana a la temperatura ambiente, la constante de velocidad es igual a 7,0 ×10-4 s-1. Calcular la vida media a esa temperatura.
Problema 9
(a) En la reacción elemental 2N2O5 (g) ⇌ 4NO2 (g) + O2 (g), la energía de activación, Ea, y el cambio de la energía interna de la reacción ΔU son 100 kJ/mol y -98 kJ/mol respectivamente.
(i) Representar un esquema del perfil de energía para esta reacción. (ii)Calcular la energía de activación para la reacción inversa
(b) Indique dos ejemplos de la vida cotidiana que pongan de manifiesto la dependencia de la velocidad de una reacción química con la temperatura.
(c) Utilice la ecuación de Arrhenius para mostrar por qué la constante de velocidad de una reacción (i) disminuye cuando aumenta la energía de activación (ii) aumenta cuando aumenta la temperatura.
Problema 10
T / ºC 477 577 k / s-1 1,8 × 10–4 3,0 × 10–2
Problema 11
Una reacción bioquímica en el cuerpo humano a 36°C y en presencia de enzimas transcurre 102 veces más rápido que en un laboratorio a la misma temperatura pero sin
enzimas. Se puede considerar que todas las demás condiciones son las mismas en ambos casos. A partir de esta información calcular cuánto disminuye la energía de activación por la presencia de las enzimas.
Problema 12
Se ha propuesto el mecanismo siguiente para la reacción de NO con H2 para formar N2O y
H2O:
NO(g) + NO(g) ⇌ N2O2(g)
N2O2(g) + H2(g) ⇌ N2O(g) + H2O(g)
(a) Muestre que la suma de los pasos elementales del mecanismo propuesto da una ecuación balanceada de la reacción.
(b) Escriba una ecuación de velocidad de cada paso elemental del mecanismo e identifique los intermediarios del mecanismo.
Problema 13
El N2O gaseoso se descompone dando oxígeno y nitrógeno gaseoso según la siguiente
reacción:
2N2O(g) ⇌ 2N2(g) + O2(g)
Se ha propuesto el siguiente mecanismo a fin de explicar el proceso: NO(g) + N2O(g) ⇌ N2(g) + NO2(g)
2NO2(g) ⇌ 2NO(g) + O2(g)
(a) Exprese la ecuación global a partir de los dos pasos planteados en el mecanismo de reacción.
Problemas complementarios
Problema 14
Para a cada una de las siguientes reacciones en fase gaseosa, indique la relación entre la velocidad de desaparición de cada reactivo y la velocidad de aparición de cada producto
(a) N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)
(b) 2N2O(g) ⇌ 2N2(g) + O2
(c) 2NO(g) + 2H2(g) ⇌ N2(g) + 2H2O(g)
Problema 15
El pentóxido de dinitrógeno se descompone de acuerdo con la reacción: 2N2O5 (g) ⇌ 4NO2 (g) + O2 (g)
(a) Graficar la concentración de N2O5 como una función del tiempo.
(b) Estimar la velocidad de descomposición del N2O5 a 1,11 y 3,33 horas. Compare los
valores obtenidos y de acuerdo a ellos indique cómo se espera que se modifique la velocidad de una reacción química a medida que avanza el tiempo.
Utilice los datos de la siguiente tabla:
Tiempo (horas) [N2O5] (milimoles/litro)
0 2,15 1,11 1,88 2,22 1,64 3,33 1,43 4,44 1,25
Problema 16
Para la siguiente reacción: 2NO (g) + 2H2 (g) ⇌ N2 (g) + 2H2O (g)
Se conoce que es de primer orden con respecto a H2 y de segundo orden respecto del NO.
(a) Escribir la ley de velocidad.
(b) Si la constante de velocidad para esta reacción a 1000 K es de 6,0 X 10-4 M-2 s-1,
Calcular la velocidad de reacción cuando [NO]= 0,050 M y [H2]= 0,100 M.
Problema 17
Considere la reacción: 2 NO (g) + Cl2 (g) ⇌ 2 NOCl (g)
(a) Experimentalmente se observa que duplicando la concentración inicial de Cl2, la
velocidad inicial aumenta al doble, mientras que si se duplica la concentración inicial de NO, la velocidad inicial se cuadruplica. ¿Cuáles son los órdenes de reacción con respecto del cloro y del óxido nítrico que justifican lo observado?
(b) ¿Cuál es el orden de reacción total?
Problema 18
Una persona se toma un litro de agua contaminada que contiene alrededor de 100 bacterias, que siguen el siguiente esquema de crecimiento en las condiciones fisiológicas del cuerpo humano:
Tiempo (minutos)
Número de bacterias 0 100 30 200 60 400 90 800 120 1600
(a) ¿Cuántas bacterias habrá después de 3 horas de haberse tomado el agua?
(b) ¿Cuál es el orden de la cinética del proceso?
(c) ¿Cuánto tiempo tendrá que pasar para tener 106 bacterias?
(d) ¿Cuál es la constante de velocidad de la reacción?
Problema 19
El etano se descompone a 700 °C según una cinética de primer orden.
(a) Una muestra de etano de 100 mg se coloca en un recipiente de 200 ml y se calienta hasta 700°C. ¿Cuál será la velocidad inicial de descomposición del etano en esas condiciones si la constante de velocidad a esa temperatura vale k= 5,5 x 10-4 s-1
(b) Calcular la vida media a esa temperatura.
(c) ¿Se obtendría el mismo valor de velocidad inicial si se parte de 200 mg de etano, en el mismo recipiente? ¿Y la misma vida media? Justificar la respuesta.
(d) ¿Se obtendría el mismo valor de velocidad inicial si la reacción transcurre a 750°C? ¿Y la misma vida media? Justificar la respuesta.
Problema 20
Usted ha comenzado a trabajar en un laboratorio de química y le piden que continúe el trabajo de un compañero que se tomó parte por enfermedad. En su cuaderno de laboratorio encuentra los datos recolectados de dos reacciones en la que midió concentración en función del tiempo. Los resultados son los siguientes:
REACCIÓN A
Tiempo (min) 0 3,08 5,32 8,76 14,4 Concentración
(mol/l) 2,34 2,10 1,90 1,66 1,36 REACCIÓN B
Tiempo (min) 0 5 10 20 30 Concentración
(mol/l) 0,0200 0,0133 0,0100 0,0069 0,0051
Problema 20
La constante de velocidad de primer orden de la descomposición de cierto insecticida en agua a 12°C es de 1,45 año-1. Cierta cantidad de este insecticida es arrastrada a un lago y
alcanza una concentración de 5,0 × 10-7 g/cm3 de agua. Suponga que la temperatura
media del lago es de 12°C.
(a) ¿Cuál es la concentración del insecticida un año después de haber llegado al lago?
(b) ¿Cuánto tiempo tardará la concentración del insecticida en descender a 3.0 × 10-7 g/cm3?
Problema 21
Se realizó la siguiente reacción en etanol:
CH3I + C2H5ONa ⇌ CH3OC2H5 + NaI
Determine su energía de activación a partir del conocimiento de la constante de velocidad determinada a diferentes temperaturas:
Temperatura (°C) k (l mol-1 s-1)
0 5,6 x 10-5
6 11,8 x 10-5 12 24,5 x 10-5
