6.16: Problemas

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Utilice el principio de Le Chatelier para responder a las preguntas 1-8.

1. Un gramo de yodo solo se disuelve en\(2950\) mL de agua a temperatura ambiente. Se agrega un gramo de yodo a\(1000\) mL de agua pura y se permite que el sistema resultante llegue al equilibrio. Cuando se alcance el equilibrio, ¿se habrá disuelto todo el yodo? ¿Qué pasará si se agrega una pequeña cantidad de agua al sistema equilibrada?

2. Una solución saturada de sulfato de bario está en contacto con el exceso de sulfato de bario sólido. \[BaSO_4\left(s\right)\rightleftharpoons Ba^{2+}+SO^{2-}_4\]Se agrega una pequeña cantidad de una solución concentrada de\(BaCl_2\). ¿Cómo responde el sistema?

3. En presencia de un catalizador, el oxígeno reacciona con el dióxido de azufre para producir trióxido de azufre. \[{SO}_2\left(g\right)+\textrm{½}O_2\left(g\right)\rightleftharpoons SO_3\left(g\right)\]Un sistema particular consiste en una mezcla equilibrada de estos tres gases. Se agrega una pequeña cantidad de oxígeno. ¿Cómo responde el sistema?

4. Un sistema que contiene estos tres gases está en equilibrio. \[{SO}_2\left(g\right)+\textrm{½}O_2\left(g\right)\rightleftharpoons SO_3\left(g\right)\]De pronto disminuimos el volumen de este sistema. ¿Cómo responde el sistema?

5. En presencia de un catalizador, el oxígeno reacciona con el nitrógeno para producir óxido nítrico. \[N_2\left(g\right)+O_2\left(g\right)\rightleftharpoons 2NO\left(g\right)\]Un sistema particular consiste en una mezcla equilibrada de estos tres gases. Mientras mantenemos constante la temperatura, de repente aumentamos el volumen de este sistema. ¿Cómo responde el sistema?

6. La formación de óxido nítrico\[N_2\left(g\right)+O_2\left(g\right)\rightleftharpoons 2NO\left(g\right)\] es endotérmica. (A temperatura constante, el sistema absorbe calor ya que la reacción ocurre de izquierda a derecha). ¿Cómo cambia la posición de equilibrio cuando aumentamos la temperatura de este sistema?

7. El agua pura se disocia en un grado leve, produciendo hidronio\(H_3O^+\), e hidróxido\(OH^-\), iones. Esta reacción se llama la autoprotólisis del agua. \[{2H_2O\rightleftharpoons H}_3O^++OH^-\]¿La reacción autoprotólisisautoprotólisis es endotérmica o exotérmica? (¿Qué pasa con la temperatura cuando mezclamos un ácido con una base?) ¿Cómo cambia el equilibrio de autoprotólisis cuando aumentamos la temperatura del agua pura?

8. En el punto de fusión, la mayoría de las sustancias son más densas en su estado sólido que en su estado líquido. Tal sustancia se encuentra en su punto de fusión a una presión particular. Supongamos que ahora aumentamos la presión sobre este sistema. ¿El punto de fusión de la sustancia aumenta o disminuye?

Para cada uno de los sistemas 9 — 20, especifique

a) qué fases están presentes,

b) el número de fases\(P\),

c) las sustancias que estén presentes,

d) el número de componentes*\(C\), y

e) el número de grados de libertad,\(F\).

Supongamos que la temperatura y presión de cada sistema es constante y que todas las reacciones químicas relevantes están en equilibrio.

9. Gas helio puro,\(He\), sellado en una bombilla de vidrio.

10. Una mezcla de gas helio\(He\), y gas neón,\(Ne\), sellada en una bombilla de vidrio.

11. Una mezcla de\(N_2O_4\) gas y\(NO_2\) gas sellada en una bombilla de vidrio. Estos compuestos reaccionan de acuerdo con la ecuación\[N_2O_4\left(g\right)\rightleftharpoons 2NO_2\left(g\right)\]

12. Una mezcla de\(N_2O_4\) gas,\(NO_2\) gas y\(He\) gas sellada en una bombilla de vidrio.

13. Una mezcla de\(PCl_5\) gas,\(PCl_3\) gas y\(Cl_2\) gas, sellada en una bombilla de vidrio. Las proporciones de\(PCl_3\) y\(Cl_2\) son arbitrarias. Estos compuestos reaccionan de acuerdo con la ecuación\[PCl_5\left(g\right)\rightleftharpoons PCl_3\left(g\right)+Cl_2\left(g\right)\]

14. Una mezcla de\(PCl_5\) gas,\(PCl_3\) gas,\(Cl_2\) gas y\(He\) gas sellada en una bombilla de vidrio. Las proporciones de\(PCl_3\) y\(Cl_2\) son arbitrarias.

15. Una mezcla de\(PCl_5\) gas,\(PCl_3\) gas y\(Cl_2\) gas sellada en una bombilla de vidrio. En este sistema particular, el número de moles de\(\ PCl_3\) es el mismo que el número de moles de\(Cl_2\).

16. Una solución acuosa saturada de yodo,\(I_2\). La solución está en contacto con una cantidad de sólido\(I_2\).

17. Una solución acuosa que contiene ion potasio\(K^+\), ión yoduro\(I^-\), ión triyoduro\(I^-_3\), y disuelto\(I_2\). La solución está en contacto con una cantidad de sólido\(I_2\). Recordemos que el ion triyoduro se forma por la reacción\[I^-+I_2\rightleftharpoons I^-_3\]

18. Una solución acuosa que contiene\(K^+\), y\(I^-\). Esta solución está en contacto con una cantidad de yoduro de plata sólido,\(AgI.\) Recordemos que\(AgI\) es bastante insoluble. Las moléculas neutras de\(AgI\) no existen como tales en solución acuosa. La sustancia sólida se equilibre con sus iones disueltos de acuerdo con la reacción\[AgI\left(s\right)\rightleftharpoons Ag^++I^-\]

19. Una solución acuosa que contiene\(K^+\),\(I^-\), e iones cloruro,\(Cl^-\). Esta solución está en contacto con una mezcla de sólido (puro)\(AgI\) y sólido (puro)\(AgCl\).

20. Una solución acuosa que contiene\(K^+\)\(I^-\),\(Cl^-\), e iones nitrato,\(NO^-_3\). Esta solución está en contacto con una mezcla de sólido (puro)\(AgI\) y sólido (puro)\(AgCl\).

21. Una tina grande contiene aceite y agua. El aceite flota como una capa sobre el agua. Orville tiene otro tanque con un suministro de reserva de petróleo. También cuenta con tuberías y bombas que le permiten bombear aceite entre su tanque y la cuba. Wilbur tiene un tercer tanque con un suministro de reserva de agua. Wilbur cuenta con pipas y bombas que le permiten bombear agua entre su tanque y la cuba. Sus bombas están calibradas para mostrar el volumen de aceite o agua añadida o retirada de la cuba. Normalmente, Orville y Wilbur trabajan en equipo para mantener constante la masa total de líquido en la cuba. El aceite y el agua tienen densidades de\(0.80\ \mathrm{kg\ }{\mathrm{L}}^{\mathrm{-1}}\) y\(1.00\)\(\mathrm{kg\ }{\mathrm{L}}^{\mathrm{-1}}\), respectivamente. Dejar\(M_{vat}\) ser la masa total de los líquidos en la cuba.

(a) Si Orville bombea un pequeño volumen de petróleo,\(dV_{oil}\), dentro o fuera de la cuba, mientras Wilbur no hace nada, ¿cuál es el cambio en la masa de líquido en la cuba? (es decir,\(dM_{vat}=?\))

b) Si Wilbur bombea un pequeño volumen de agua,\(dV_{water}\), dentro o fuera de la cuba, mientras Orville no hace nada, ¿cuál es el cambio en la masa de líquido en la cuba? (es decir,\(dM_{vat}=?\))

c) Supongamos que Orville y Wilbur hacen ajustes,\(dV_{oil}\) y\(dV_{water}\) al mismo tiempo, pero contrariamente a su práctica habitual, no coordinan sus ajustes entre sí. ¿Cuál sería el cambio en la masa de líquido en la cuba? (es decir,\(dM_{vat}=?\))

d) Si Orville y Wilbur hacen ajustes,\(dV_{oil}\) y\(dV_{water}\), al mismo tiempo, de tal manera que se mantenga constante la masa de líquido en la cuba, ¿qué valor de\(dM_{vat}\) resulta de esta combinación de ajustes? (es decir,\(dM_{vat}=?\))

e) De sus respuestas a (c) y (d), ¿qué relación entre\(dV_{oil}\)\({}_{\ }\) y\(dV_{water}\) deben mantener Orville y Wilbur para mantenerse\(dM_{vat}\) constantes?

f) Un día, el jefe, señor Le Chatelier, instruye a Orville a agregar 1.00 L de aceite a la cuba. Cualitativamente, ¿qué cambio impone el señor Le Chatelier a la masa del contenido de la cuba? (Es decir, ¿cuál es el rumbo del cambio impuesto?)

g) Cuantitativamente, ¿cuál es el cambio en masa que impone el señor Le Chatelier? (Es decir, ¿cuál es la ecuación para el cambio en la masa en la cuba en kg?

h) Cualitativamente, ¿cómo debe responder Wilbur?

(i) Cuantitativamente, ¿cómo debe responder Wilbur? (Es decir, ¿cuál es la ecuación para el cambio en la masa en la cuba en kg?)

22. ¿Cuál de los siguientes procesos se puede llevar a cabo de manera reversible?

(a) Derretir un cubito de hielo.

b) Fundir un cubito de hielo a 273.15 K y 1.0 bar.

d) Fundir un cubito de hielo a 272.00 K y 1.0 bar.

e) Freir un huevo.

f) Montar una montaña rusa.

(g) Montar una montaña rusa y completar el viaje en 10 minutos.

(h) Separar el agua pura de una solución salina a 1 bar y 280.0 K.

(i) Disolver NaCl en una solución acuosa saturada de NaCl.

(j) Comprimir un gas.

(k) Exprimir jugo de un limón.

l) Cultivar un cultivo bacteriano.

(m) Doblar (flexionar) un trozo de papel.

(n) Doblar (arrugar) un trozo de papel.

Notas

\({}^{1}\)Los valores de ordenadas (presión) para las líneas de equilibrio sólido-líquido y líquido-gas están severamente comprimidos. Los rangos de valores de presión son tan diferentes que las tres líneas de equilibrio no se pueden exhibir de manera útil en la misma gráfica.

\({}^{2}\)También utilizamos cantidades estrechamente relacionadas que llamamos fugacidades. Pensamos en una fugacidad como una “presión corregida”. Para los propósitos actuales, podemos considerar una fugacidad como un tipo particular de actividad.

\({}^{3}\)G. N. Lewis y M. Randall, La termodinámica y la energía libre de las sustancias químicas, 1\({}^{st}\) Ed., McGraw-Hill, Inc., Nueva York, 1923, p. 448.

\({}^{4}\)Ilya Prigogine, Introducción a la termodinámica de los procesos irreversibles, Segunda Edición, Editores Interscience, 1961.

\({}^{5}\)\({}^{\ }\)S. R. de Groor y P. Mazur, Termodinámica no Equilibrada, Publicaciones Dover, Nueva York, 1984. (Publicado originalmente por North Holland Publishing Company, Ámsterdam, 1962.)