13.E: Conceptos de Equilibrio Fundamental (Ejercicios)

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13.1: Ejercicios de Equilibrios Químicos

Q13.1.1

¿Qué significa describir una reacción como “reversible”?

S13.1.1

La reacción puede continuar tanto en la dirección hacia adelante como en la dirección inversa.

Q13.1.2

Al escribir una ecuación, ¿cómo se distingue una reacción reversible de una reacción no reversible?

Q13.1.3

Si una reacción es reversible, ¿cuándo se puede decir que ha alcanzado el equilibrio?

S13.1.3

Cuando un sistema ha alcanzado el equilibrio, no se producen más cambios en las concentraciones de reactivo y producto; las reacciones continúan ocurriendo, pero a velocidades equivalentes.

Q13.1.4

¿Está un sistema en equilibrio si las constantes de velocidad de las reacciones directa e inversa son iguales?

Q13.1.5

Si las concentraciones de productos y reactivos son iguales, ¿está el sistema en equilibrio?

S13.1.5

El concepto de equilibrio no implica concentraciones iguales, aunque es posible.

13.2: Ejercicios de Constante de Equilibrio

Q13.2.1

Explique por qué puede haber un número infinito de valores para el cociente de reacción de una reacción a una temperatura dada pero sólo puede haber un valor para la constante de equilibrio a esa temperatura.

Q13.2.2

Explique por qué no se establecería un equilibrio entre Br ₂ _{(l) y Br 2} (g) si el contenedor no fuera un recipiente cerrado que se muestra a continuación:

S13.2.2

No se puede establecer equilibrio entre la fase líquida y la fase gaseosa si se retira la parte superior de la botella porque el sistema no está cerrado; uno de los componentes del equilibrio, el vapor de Br ₂, se escaparía de la botella hasta que todo el líquido desapareciera. Así, se evaporaría más líquido del que puede condensar de nuevo de la fase gaseosa a la fase líquida.

Q13.2.3

Si observa la siguiente reacción en equilibrio, ¿es posible decir si la reacción comenzó con NO ₂ puro o con N ₂ O ₄ puro?

\[\ce{2NO2}(g) \rightleftharpoons \ce{N2O4}(g)\]

Q13.2.4

Entre las reglas de solubilidad discutidas anteriormente se encuentra la declaración: Todos los cloruros son solubles excepto Hg ₂ _{Cl 2}, AgCl, PbCl ₂ y CuCl.

Q13.2.5

(a) Escribir la expresión de la constante de equilibrio para la reacción representada por la ecuación\(\ce{AgCl}(s) \rightleftharpoons \ce{Ag+}(aq)+\ce{Cl-}(aq)\). ¿K _c > 1, < 1, o ≈ 1? Explica tu respuesta.
(b) Escribir la expresión de la constante de equilibrio para la reacción representada por la ecuación\(\ce{Pb^2+}(aq)+\ce{2Cl-}(aq) \rightleftharpoons \ce{PbCl2}(s)\). ¿K _c > 1, < 1, o ≈ 1? Explica tu respuesta.

S13.2.5

(a) K _c = [Ag ⁺] [Cl ⁻] < 1. AgCl es insoluble; así, las concentraciones de iones son mucho menores a 1 M; (b)\(K_c=\ce{\dfrac{1}{[Pb^2+][Cl- ]^2}}\) > 1 porque PbCl ₂ es insoluble y la formación del sólido reducirá la concentración de iones a un nivel bajo (<1 M).

Q13.2.6

Entre las reglas de solubilidad discutidas anteriormente se encuentra la afirmación: Carbonatos, fosfatos, boratos y arsenatos, excepto los del ión amonio y los metales alcalinos, son insolubles.

Escribir la expresión de la constante de equilibrio para la reacción representada por la ecuación\(\ce{CaCO3}(s) \rightleftharpoons \ce{Ca^2+}(aq)+\ce{CO3-}(aq)\). ¿K _c > 1, < 1, o ≈ 1? Explica tu respuesta.
Escribir la expresión de la constante de equilibrio para la reacción representada por la ecuación\(\ce{3Ba^2+}(aq)+\ce{2PO4^3-}(aq) \rightleftharpoons \ce{Ba3(PO4)2}(s)\). ¿K _c > 1, < 1, o ≈ 1? Explica tu respuesta.

Q13.2.7

El benceno es uno de los compuestos utilizados como potenciadores del octano en la gasolina sin plomo. Se fabrica mediante la conversión catalítica de acetileno a benceno:\(\ce{3C2H2}(g)⟶\ce{C6H6}(g)\). ¿Qué valor de K _c haría esta reacción más útil comercialmente? K _c ≈ 0.01, K _c ≈ 1, o K _c ≈ 10. Explica tu respuesta.

S13.2.7

Ya que\(K_c=\ce{\dfrac{[C6H6]}{[C2H2]^3}}\), un valor de K _c ≈ 10 significa que C ₆ H ₆ predomina sobre C ₂ H ₂. En tal caso, la reacción sería comercialmente factible si la velocidad de equilibrio es adecuada.

Q13.2.8

Mostrar que la ecuación química completa, la ecuación iónica total y la ecuación iónica neta para la reacción representada por la ecuación\(\ce{KI}(aq)+\ce{I2}(aq) \rightleftharpoons \ce{KI3}(aq)\) dan la misma expresión para el cociente de reacción. KI ₃ está compuesto por los iones K ⁺ e I ₃ ⁻.

Q13.2.9

Para que una valoración sea efectiva, la reacción debe ser rápida y el rendimiento de la reacción debe ser esencialmente del 100%. ¿Es K _c > 1, < 1, o ≈ 1 para una reacción de valoración?

S13.2.9

K _c > 1

Q13.2.10

Para que una reacción de precipitación sea útil en un análisis gravimétrico, el producto de la reacción debe ser insoluble. ¿Es K _c > 1, < 1, o ≈ 1 para una reacción de precipitación útil?

Q13.2.11

Escriba la expresión matemática para el cociente de reacción, Q _c, para cada una de las siguientes reacciones:

\(\ce{CH4}(g)+\ce{Cl2}(g) \rightleftharpoons \ce{CH3Cl}(g)+\ce{HCl}(g)\)
\(\ce{N2}(g)+\ce{O2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NO}(g)\)
\(\ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g) \rightleftharpoons \ce{2SO3}(g)\)
\(\ce{BaSO3}(s) \rightleftharpoons \ce{BaO}(s)+\ce{SO2}(g)\)
\(\ce{P4}(g)+\ce{5O2}(g) \rightleftharpoons \ce{P4O10}(s)\)
\(\ce{Br2}(g) \rightleftharpoons \ce{2Br}(g)\)
\(\ce{CH4}(g)+\ce{2O2}(g) \rightleftharpoons \ce{CO2}(g)+\ce{2H2O}(l)\)
\(\ce{CuSO4⋅5H2O}(s) \rightleftharpoons \ce{CuSO4}(s)+\ce{5H2O}(g)\)

S13.2.11

(a)\(Q_c=\ce{\dfrac{[CH3Cl][HCl]}{[CH4][Cl2]}}\); (b)\(Q_c=\ce{\dfrac{[NO]^2}{[N2][O2]}}\); (c)\(Q_c=\ce{\dfrac{[SO3]^2}{[SO2]^2[O2]}}\); (d)\(Q_c\) = [SO ₂]; (e)\(Q_c=\ce{\dfrac{1}{[P4][O2]^5}}\); (f)\(Q_c=\ce{\dfrac{[Br]^2}{[Br2]}}\); (g)\(Q_c=\ce{\dfrac{[CO2]}{[CH4][O2]^2}}\); (h)\(Q_c\) = [H ₂ O] ⁵

Q13.2.12

Escriba la expresión matemática para el cociente de reacción, Q _c, para cada una de las siguientes reacciones:

\(\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NH3}(g)\)
\(\ce{4NH3}(g)+\ce{5O2}(g) \rightleftharpoons \ce{4NO}(g)+\ce{6H2O}(g)\)
\(\ce{N2O4}(g) \rightleftharpoons \ce{2NO2}(g)\)
\(\ce{CO2}(g)+\ce{H2}(g) \rightleftharpoons \ce{CO}(g)+\ce{H2O}(g)\)
\(\ce{NH4Cl}(s) \rightleftharpoons \ce{NH3}(g)+\ce{HCl}(g)\)
\(\ce{2Pb(NO3)2}(s) \rightleftharpoons \ce{2PbO}(s)+\ce{4NO2}(g)+\ce{O2}(g)\)
\(\ce{2H2}(g)+\ce{O2}(g) \rightleftharpoons \ce{2H2O}(l)\)
\(\ce{S8}(g) \rightleftharpoons \ce{8S}(g)\)

S13.2.12

Las concentraciones o presiones iniciales de los reactivos y productos se dan para cada uno de los siguientes sistemas. Calcular el cociente de reacción y determinar la dirección en la que cada sistema procederá para alcanzar el equilibrio.

\(\ce{2NH3}(g) \rightleftharpoons \ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \hspace{20px} K_c=17\); [NH ₃] = 0.20 M, [N ₂] = 1.00 M, [H ₂] = 1.00 M
\(\ce{2NH3}(g) \rightleftharpoons \ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \hspace{20px} K_P=6.8×10^4\); presiones iniciales: NH ₃ = 3.0 atm, N ₂ = 2.0 atm, H ₂ = 1.0 atm
\(\ce{2SO3}(g) \rightleftharpoons \ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g) \hspace{20px} K_c=0.230\); [SO ₃] = 0.00 M, [SO ₂] = 1.00 M, [O ₂] = 1.00 M
\(\ce{2SO3}(g) \rightleftharpoons \ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g) \hspace{20px} K_P=16.5\); presiones iniciales: SO ₃ = 1.00 atm, SO ₂ = 1.00 atm, O ₂ = 1.00 atm
\(\ce{2NO}(g)+\ce{Cl2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NOCl}(g) \hspace{20px} K_c=4.6×10^4\); [NO] = 1.00 M, [Cl ₂] = 1.00 M, [NoCL] = 0 M
\(\ce{N2}(g)+\ce{O2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NO}(g) \hspace{20px} K_P=0.050\); presiones iniciales: NO = 10.0 atm, N ₂ = O ₂ = 5 atm

S13.2.13

a)\(Q_c\) 25 ingresos a la izquierda; b) Q _P 0.22 procede a la derecha; c) producto\(Q_c\) indefinido a la izquierda; d) Q _P 1.00 procede a la derecha; e) Q _P 0 procede a la derecha; f)\(Q_c\) 4 procede a la izquierda

Q13.2.14

\(\ce{2NH3}(g) \rightleftharpoons \ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \hspace{20px} K_c=17\); [NH ₃] = 0.50 M, [N ₂] = 0.15 M, [H ₂] = 0.12 M
\(\ce{2NH3}(g) \rightleftharpoons \ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \hspace{20px} K_P=6.8×10^4\); presiones iniciales: NH ₃ = 2.00 atm, N ₂ = 10.00 atm, H ₂ = 10.00 atm
\(\ce{2SO3}(g) \rightleftharpoons \ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g) \hspace{20px} K_c=0.230\); [SO ₃] = 2.00 M, [SO ₂] = 2.00 M, [O ₂] = 2.00 M
\(\ce{2SO3}(g) \rightleftharpoons \ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g) \hspace{20px} K_P=\mathrm{6.5\:atm}\); presiones iniciales: SO ₂ = 1.00 atm, O ₂ = 1.130 atm, SO ₃ = 0 atm
\(\ce{2NO}(g)+\ce{Cl2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NOCl}(g) \hspace{20px} K_P=2.5×10^3\); presiones iniciales: NO = 1.00 atm, Cl ₂ = 1.00 atm, NOCl = 0 atm
\(\ce{N2}(g)+\ce{O2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NO}(g) \hspace{20px} K_c=0.050\); [N ₂] = 0.100 M, [O ₂] = 0.200 M, [NO] = 1.00 M

Q13.2.15

La siguiente reacción tiene K _P = 4.50 × 10 ⁻⁵ a 720 K.

\[\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NH3}(g)\]

Si un recipiente de reacción se llena con cada gas a las presiones parciales enumeradas, ¿en qué dirección se desplazará para alcanzar el equilibrio? P (NH ₃) = 93 atm, P (N ₂) = 48 atm y P (H ₂) = 52

S13.2.15

El sistema se desplazará hacia los reactivos para alcanzar el equilibrio.

Q13.2.16

Determinar si el siguiente sistema está en equilibrio. Si no, ¿en qué dirección necesitará cambiar el sistema para alcanzar el equilibrio?

\(\ce{SO2Cl2}(g) \rightleftharpoons \ce{SO2}(g)+\ce{Cl2}(g)\)

[SO ₂ Cl ₂] = 0.12 M, [Cl ₂] = 0.16 M y [SO ₂] = 0.050 M. K _c para la reacción es 0.078.

Q13.2.17

¿Cuál de los sistemas descritos en Ejercicio da equilibrios homogéneos? ¿Cuáles dan equilibrios heterogéneos?

S13.2.17

a) homogéneo; b) homogéneo; c) homogéneo; d) heterogéneo; e) heterogéneo; f) homogéneo; g) heterogéneo; h) heterogéneo

Q13.2.18

¿Cuál de los sistemas descritos en Ejercicio da equilibrios homogéneos? ¿Cuáles dan equilibrios heterogéneos?

Q13.2.19

¿Para cuál de las reacciones en el Ejercicio K _c (calculado usando concentraciones) es igual a K _P (calculado usando presiones)?

S13.2.19

Esta situación se da en los apartados a) y b).

Q13.2.19

¿Para cuál de las reacciones en el Ejercicio K _c (calculado usando concentraciones) es igual a K _P (calculado usando presiones)?

Q13.2.20

Convertir los valores de K _c a valores de K _P o los valores de K _P a valores de K _c.

\(\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \rightleftharpoons \ce{2NH3}(g) \hspace{20px} K_c=\textrm{0.50 at 400°C}\)
\(\ce{H2 + I2 \rightleftharpoons 2HI} \hspace{20px} K_c=\textrm{50.2 at 448°C}\)
\(\ce{Na2SO4⋅10H2O}(s) \rightleftharpoons \ce{Na2SO4}(s)+\ce{10H2O}(g) \hspace{20px} K_P=4.08×10^{−25}\textrm{ at 25°C}\)
\(\ce{H2O}(l) \rightleftharpoons \ce{H2O}(g) \hspace{20px} K_P=\textrm{0.122 at 50°C}\)

S13.2.20

(a) K _P = 1.6 × 10 ⁻⁴; (b) K _P = 50.2; (c) K _c = 5.31 × 10 ⁻³⁹; (d) K _c = 4.60 × 10 ⁻³

Q13.2.21

Convertir los valores de K _c a valores de K _P o los valores de K _P a valores de K _c.

\(\ce{Cl2}(g)+\ce{Br2}(g) \rightleftharpoons \ce{2BrCl}(g) \hspace{20px} K_c=4.7×10^{−2}\textrm{ at 25°C}\)
\(\ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g) \rightleftharpoons \ce{2SO3}(g) \hspace{20px} K_P=\textrm{48.2 at 500°C}\)
\(\ce{CaCl2⋅6H2O}(s) \rightleftharpoons \ce{CaCl2}(s)+\ce{6H2O}(g) \hspace{20px} K_P=5.09×10^{−44}\textrm{ at 25°C}\)
\(\ce{H2O}(l) \rightleftharpoons \ce{H2O}(g) \hspace{20px} K_P=\textrm{0.196 at 60°C}\)

Q13.2.22

¿Cuál es el valor de la expresión constante de equilibrio para el cambio\(\ce{H2O}(l) \rightleftharpoons \ce{H2O}(g)\) a 30 °C?

S13.2.22

\[K_P=P_{\ce{H2O}}=0.042.\]

Q13.2.23

Escribir la expresión del cociente de reacción para la ionización de HOCN en agua.

Q13.2.24

Escribir la expresión del cociente de reacción para la ionización de NH ₃ en agua.

S13.2.24

\[Q_c=\ce{\dfrac{[NH4+][OH- ]}{[HN3]}}\]

Q13.2.25

Cuál es el valor aproximado de la constante de equilibrio K _P para el cambio\(\ce{C2H5OC2H5}(l) \rightleftharpoons \ce{C2H5OC2H5}(g)\) a 25 °C. (La presión de vapor se describió en el capítulo anterior sobre líquidos y sólidos; consulte este capítulo para encontrar la información relevante necesaria para resolver este problema).

13.3: Ejercicios de Equilbria de Desplazamiento

Q13.3.1

La siguiente ecuación representa una descomposición reversible:

\(\ce{CaCO3}(s)\rightleftharpoons\ce{CaO}(s)+\ce{CO2}(g)\)

¿En qué condiciones procederá a su finalización la descomposición en un contenedor cerrado para que no quede CaCo ₃?

S13.3.1

La cantidad de CaCo ₃ debe ser tan pequeña que\(P_{\ce{CO2}}\) sea menor que K _P cuando el CaCo ₃ se haya descompuesto completamente. En otras palabras, la cantidad inicial de CaCo ₃ no puede generar completamente el pleno\(P_{\ce{CO2}}\) requerido para el equilibrio.

Q13.3.2

Explicar cómo reconocer las condiciones bajo las cuales los cambios en la presión afectarían a los sistemas en equilibrio.

Q13.3.3

¿Qué propiedad de una reacción podemos usar para predecir el efecto de un cambio de temperatura sobre el valor de una constante de equilibrio?

S13.3.3

Se puede utilizar el cambio en la entalpía. Si la reacción es exotérmica, el calor producido puede pensarse como un producto. Si la reacción es endotérmica, el calor añadido puede pensarse como un reactivo. El calor adicional desplazaría una reacción exotérmica de nuevo a los reactivos pero desplazaría una reacción endotérmica a los productos. El enfriamiento de una reacción exotérmica hace que la reacción se desplace hacia el lado del producto; enfriar una reacción endotérmica provocaría que se desplazara hacia el lado de los reactivos.

Q13.3.4

¿Qué pasaría con el color de la solución en la parte (b) de la Figura si se agregara una pequeña cantidad de NaOH y precipitara Fe (OH) 3? Explica tu respuesta.

Q13.3.5

La siguiente reacción ocurre cuando se enciende un quemador en una estufa de gas:

\(\ce{CH4}(g)+\ce{2O2}(g)\rightleftharpoons\ce{CO2}(g)+\ce{2H2O}(g)\)

¿Se establece un equilibrio entre CH ₄, O ₂_{, CO 2} y H ₂ O bajo estas condiciones? Explica tu respuesta.

S13.3.5

No, no está en equilibrio. Debido a que el sistema no está confinado, los productos escapan continuamente de la región de la llama; los reactivos también se agregan continuamente desde el quemador y la atmósfera circundante.

Q13.3.6

Un paso necesario en la fabricación de ácido sulfúrico es la formación de trióxido de azufre, SO3, a partir de dióxido de azufre, SO2 y oxígeno, O2, que se muestran aquí. A altas temperaturas, la tasa de formación de\(\ce{SO3 }\) es mayor, pero la cantidad en equilibrio (concentración o presión parcial) de SO3 es menor de lo que sería a temperaturas más bajas.

\[\ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g)⟶\ce{2SO3}(g)\]

(a) ¿La constante de equilibrio para la reacción aumenta, disminuye o permanece aproximadamente igual a medida que aumenta la temperatura?
b) ¿La reacción es endotérmica o exotérmica?

Q13.3.7a

Sugerir cuatro formas en las que la concentración de hidrazina, N ₂ H ₄, podría incrementarse en un equilibrio descrito por la siguiente ecuación:

\[\ce{N2}(g)+\ce{2H2}(g)\rightleftharpoons\ce{N2H4}(g) \hspace{20px} ΔH=\ce{95\:kJ}\]

S13.3.7a

Agregar N ₂; agregar H ₂; disminuir el volumen del recipiente; calentar la mezcla.

Q13.3.7b

Sugiere cuatro formas en las que la concentración de PH ₃ podría incrementarse en un equilibrio descrito por la siguiente ecuación:

\[\ce{P4}(g)+\ce{6H2}(g)\rightleftharpoons\ce{4PH3}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{110.5\:kJ}\]

Q13.3.8

¿Cómo afectará un aumento de la temperatura a cada uno de los siguientes equilibrios? ¿Cómo afectará a cada uno una disminución en el volumen del recipiente de reacción?

\(\ce{2NH3}(g)\rightleftharpoons\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{92\:kJ}\)
\(\ce{N2}(g)+\ce{O2}(g)\rightleftharpoons\ce{2NO}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{181\:kJ}\)
\(\ce{2O3}(g)\rightleftharpoons\ce{3O2}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{−285\:kJ}\)
\(\ce{CaO}(s)+\ce{CO2}(g)\rightleftharpoons\ce{CaCO3}(s) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{-176\:kJ}\)

S13.3.8

(a) Δ T aumento = desplazamiento a la derecha, Δ P aumento = desplazamiento a la izquierda; (b) Δ T aumento = desplazamiento a la derecha, Δ P aumento = sin efecto; (c) Δ T aumento = desplazamiento a la izquierda, Δ P aumento = desplazamiento a la izquierda; (d) Δ T aumento = desplazamiento a la izquierda, Δ P aumento = desplazamiento a la derecha.

Q13.3.9

¿Cómo afectará un aumento de la temperatura a cada uno de los siguientes equilibrios? ¿Cómo afectará a cada uno una disminución en el volumen del recipiente de reacción?

\(\ce{2H2O}(g)\rightleftharpoons\ce{2H2}(g)+\ce{O2}(g) \hspace{20px} ΔH=\ce{484\:kJ}\)
\(\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g)\rightleftharpoons\ce{2NH3}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{-92.2\:kJ}\)
\(\ce{2Br}(g)\rightleftharpoons\ce{Br2}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{-224\:kJ}\)
\(\ce{H2}(g)+\ce{I2}(s)\rightleftharpoons\ce{2HI}(g) \hspace{20px} ΔH=\ce{53\:kJ}\)

Q13.3.10

El gas de agua es una mezcla 1:1 de monóxido de carbono e hidrógeno gaseoso y se llama gas de agua porque se forma a partir de vapor y carbono caliente en la siguiente reacción:

\[\ce{H2O}(g)+\ce{C}(s)\rightleftharpoons\ce{H2}(g)+\ce{CO}(g).\]

El metanol, un combustible líquido que posiblemente podría reemplazar a la gasolina, se puede preparar a partir de gas de agua e hidrógeno a alta temperatura y presión en presencia de un catalizador adecuado.

Escribir la expresión de la constante de equilibrio (\(K_c\)) para la reacción reversible\[\ce{2H2}(g)+\ce{CO}(g)\rightleftharpoons\ce{CH3OH}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{-90.2\:kJ}\]
¿Qué pasará con las concentraciones de\(\ce{H2}\),\(\ce{CO}\), y\(\ce{CH3OH}\) en equilibrio si se agrega más H ₂?
¿Qué pasará con las concentraciones de H\(\ce{H2}\),\(\ce{CO}\), y\(\ce{CH3OH}\) en equilibrio si se elimina CO?
¿Qué pasará con las concentraciones de\(\ce{H2}\)\(\ce{CO}\), y\(\ce{CH3OH}\) en equilibrio si se agrega CH ₃ OH?
¿Qué pasará con las concentraciones de H\(\ce{H2}\),\(\ce{CO}\), y\(\ce{CH3OH}\) en equilibrio si se incrementa la temperatura del sistema?
¿Qué pasará con las concentraciones de\(\ce{H2}\)\(\ce{CO}\), y\(\ce{CH3OH}\) en equilibrio si se agrega más catalizador?

S13.3.10

\(K_c=\ce{\dfrac{[CH3OH]}{[H2]^2[CO]}}\);
[H ₂] aumenta, [CO] disminuye, [CH ₃ OH] aumenta;
[H ₂] aumenta, [CO] disminuye, [CH ₃ OH] disminuye;
[H ₂] aumenta, [CO] aumenta, [CH ₃ OH] aumenta;
[H ₂] aumenta, [CO] aumenta, [CH ₃ OH] disminuye;
no hay cambios.

Q13.3.11

El nitrógeno y el oxígeno reaccionan a altas temperaturas.

Escribir la expresión de la constante de equilibrio (Kc) para la reacción reversible\[\ce{N2}(g)+\ce{O2}(g)\rightleftharpoons\ce{2NO}(g)\hspace{20px}ΔH=\ce{181\:kJ}\]
¿Qué pasará con las concentraciones de N ₂, O ₂ y NO en equilibrio si se agrega más O ₂?
¿Qué pasará con las concentraciones de N ₂, O ₂ y NO en equilibrio si se elimina N ₂?
¿Qué pasará con las concentraciones de N ₂, O ₂ y NO en equilibrio si se agrega NO?
¿Qué sucederá con las concentraciones de N ₂, O ₂ y NO en equilibrio si la presión sobre el sistema se incrementa reduciendo el volumen del recipiente de reacción?
¿Qué sucederá con las concentraciones de N ₂, O ₂ y NO en equilibrio si se incrementa la temperatura del sistema?
¿Qué pasará con las concentraciones de N ₂, O ₂ y NO en equilibrio si se agrega un catalizador?

Q13.3.12

El gas de agua, una mezcla de H ₂ y CO, es un importante combustible industrial producido por la reacción del vapor con coque al rojo vivo, esencialmente carbono puro.

Escribir la expresión de la constante de equilibrio para la reacción reversible\[\ce{C}(s)+\ce{H2O}(g)\rightleftharpoons\ce{CO}(g)+\ce{H2}(g)\hspace{20px}ΔH=\mathrm{131.30\:kJ}\]
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se agrega más C?
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se elimina H ₂ O?
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se agrega CO?
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se incrementa la temperatura del sistema?

S13.3.12

(a)\(K_c=\ce{\dfrac{[CO][H2]}{[H2O]}}\); (b) [H ₂ O] ningún cambio, [CO] ningún cambio, [H ₂] ningún cambio; (c) [H ₂ O] disminuye, [CO] disminuye, [H ₂] disminuye; (d) [H ₂ O] aumenta, [CO] aumenta, [H ₂] disminuye; (f) [H ₂ O] disminuye, [CO] aumenta, [H] ₂] aumenta. En (b), (c), (d) y (e), la masa de carbono cambiará, pero su concentración (actividad) no cambiará.

Q13.3.13

El metal de hierro puro se puede producir mediante la reducción de óxido de hierro (III) con gas hidrógeno.

Escribir la expresión de la constante de equilibrio (K _c) para la reacción reversible\[\ce{Fe2O3}(s)+\ce{3H2}(g)\rightleftharpoons\ce{2Fe}(s)+\ce{3H2O}(g) \hspace{20px} ΔH=\mathrm{98.7\:kJ}\]
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se agrega más Fe?
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se elimina H ₂ O?
_{¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se agrega H2?}
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se incrementa la presión sobre el sistema reduciendo el volumen del recipiente de reacción?
¿Qué pasará con la concentración de cada reactivo y producto en equilibrio si se incrementa la temperatura del sistema?

Q13.3.14

El amoníaco es una base débil que reacciona con el agua según esta ecuación:

\[\ce{NH3}(aq)+\ce{H2O}(l)\rightleftharpoons\ce{NH4+}(aq)+\ce{OH-}(aq)\]

¿Alguno de los siguientes aumentará el porcentaje de amoníaco que se convierte en el ion amonio en el agua y por qué?

Adición de NaOH
Adición de HCl
Adición de NH ₄ Cl

S13.3.14

Únicamente (b)

Q13.3.15

El ácido acético es un ácido débil que reacciona con el agua según esta ecuación:

\[\ce{CH3CO2H}(aq)+\ce{H2O}(aq)\rightleftharpoons\ce{H3O+}(aq)+\ce{CH3CO2-}(aq)\]

¿Alguno de los siguientes incrementará el porcentaje de ácido acético que reacciona y produce\(\ce{CH3CO2-}\) iones?

Adición de HCl
Adición de NaOH
Adición de NaCH ₃ CO ₂

Q13.3.16

Sugerir dos formas en las que la concentración de equilibrio de Ag+ se puede reducir en una solución de Na ⁺, Cl ⁻, Ag ⁺ y\(\ce{NO3-}\), en contacto con AgCl sólido.

\(\ce{Na+}(aq)+\ce{Cl-}(aq)+\ce{Ag+}(aq)+\ce{NO3-}(aq)\rightleftharpoons\ce{AgCl}(s)+\ce{Na+}(aq)+\ce{NO3-}(aq)\)

\(ΔH=\mathrm{−65.9\:kJ}\)

S13.3.16

Añadir NaCl o alguna otra sal que produzca Cl− a la solución. El enfriamiento de la solución fuerza el equilibrio hacia la derecha, precipitando más AgCl (s).

Q13.3.17

¿Cómo se puede aumentar la presión del vapor de agua en el siguiente equilibrio?

\[\ce{H2O}(l)\rightleftharpoons\ce{H2O}(g) \hspace{20px} ΔH=\ce{41\:kJ}\]

Q13.3.18

Se agrega sulfato de plata sólido adicional, un sólido ligeramente soluble, a una solución de ion plata e ion sulfato en equilibrio con sulfato de plata sólido.

\[\ce{2Ag+}(aq)+\ce{SO4^2-}(aq)\rightleftharpoons\ce{Ag2SO4}(s)\]

¿Cuál de los siguientes ocurrirá?

Ag ⁺ o\(\ce{SO4^2-}\) concentraciones no cambiarán.
El sulfato de plata añadido se disolverá.
Se formará sulfato de plata adicional y precipitará de la solución a medida que se combinan iones e\(\ce{SO4^2-}\) iones Ag ⁺
La concentración de iones Ag ⁺ aumentará y la concentración de\(\ce{SO4^2-}\) iones disminuirá.

S13.3.18

Q13.3.19

El aminoácido alanina tiene dos isómeros, α-alanina y β-alanina. Cuando masas iguales de estos dos compuestos se disuelven en cantidades iguales de un disolvente, la solución de α-alanina se congela a la temperatura más baja. ¿Qué forma, α-alanina o β-alanina, tiene la constante de equilibrio mayor para la ionización\(\ce{(HX \rightleftharpoons H+ + X- )}\)?

13.4: Ejercicios de Cálculos de Equilibrio

Q13.4.1

Una reacción está representada por esta ecuación:\(\ce{A}(aq)+\ce{2B}(aq)⇌\ce{2C}(aq) \hspace{20px} K_c=1×10^3\)

Escribir la expresión matemática para la constante de equilibrio.
Usando concentraciones ≤1 M, conforman dos conjuntos de concentraciones que describen una mezcla de A, B y C en equilibrio.

S13.4.1

\(K_c=\ce{\dfrac{[C]^2}{[A][B]^2}}\). [A] = 0.1 M, [B] = 0.1 M, [C] = 1 M; y [A] = 0.01, [B] = 0.250, [C] = 0.791.

Q13.4.2

Una reacción está representada por esta ecuación:\(\ce{2W}(aq)⇌\ce{X}(aq)+\ce{2Y}(aq) \hspace{20px} K_c=5×10^{−4}\)

Escribir la expresión matemática para la constante de equilibrio.
Usando concentraciones de ≤1 M, conforman dos conjuntos de concentraciones que describen una mezcla de W, X e Y en equilibrio.

Q13.4.3

¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio a 500 °C para la formación de NH ₃ de acuerdo con la siguiente ecuación?

\[\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g)⇌\ce{2NH3}(g)\]

Se encontró que una mezcla en equilibrio de NH ₃ (g), H ₂ _{(g) y N 2} (g) a 500 °C contenía 1.35 M H ₂, 1.15 M N ₂ y 4.12 × 10 ⁻¹ M NH ₃.

S13.4.3

K _c = 6.00 × 10 ⁻²

Q13.4.4

El hidrógeno se prepara comercialmente mediante la reacción de metano y vapor de agua a temperaturas elevadas.

\[\ce{CH4}(g)+\ce{H2O}(g)⇌\ce{3H2}(g)+\ce{CO}(g)\]

¿Cuál es la constante de equilibrio para la reacción si una mezcla en equilibrio contiene gases con las siguientes concentraciones: CH ₄, 0.126 M; H ₂ O, 0.242 M; CO, 0.126 M; H ₂ 1.15 M, a una temperatura de 760 °C?

Una muestra de 0,72 moles de PCl ₅ se coloca en un recipiente de 1.00-L y se calienta. En equilibrio, el recipiente contiene 0.40 mol de PCl ₃ (g) y 0.40 mol de Cl ₂ (g). Calcular el valor de la constante de equilibrio para la descomposición de PCl ₅ a PCl ₃ y Cl ₂ a esta temperatura.

S13.4.4

K _c = 0.50

Q13.4.5

A 1 atm y 25 °C, el NO ₂ con una concentración inicial de 1.00 M es 3.3 × 10 ⁻³% descompuesto en NO y O ₂. Calcular el valor de la constante de equilibrio para la reacción.

\[\ce{2NO2}(g)⇌\ce{2NO}(g)+\ce{O2}(g)\]

Q13.4.6

Calcular el valor de la constante de equilibrio K _P para la reacción\(\ce{2NO}(g)+\ce{Cl2}(g)⇌\ce{2NOCl}(g)\) a partir de estas presiones de equilibrio: NO, 0.050 atm; Cl ₂, 0.30 atm; NOCl, 1.2 atm.

S13.4.6

La ecuación de equilibrio es K _P = 1.9 × 10 ³

Q13.4.7

Cuando se calienta, el vapor de yodo se disocia de acuerdo con esta ecuación:

\[\ce{I2}(g)⇌\ce{2I}(g)\]

A 1274 K, una muestra exhibe una presión parcial de I ₂ de 0.1122 atm y una presión parcial debida a I átomos de 0.1378 atm. Determinar el valor de la constante de equilibrio, K _P, para la descomposición a 1274 K.

Q13.4.8

Una muestra de cloruro amónico se calentó en un recipiente cerrado.

\[\ce{NH4Cl}(s)⇌\ce{NH3}(g)+\ce{HCl}(g)\]

En equilibrio, se encontró que la presión de NH ₃ (g) era de 1.75 atm. ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio K _P para la descomposición a esta temperatura?

S13.4.8

K _P = 3.06

Q13.4.9

A una temperatura de 60 °C, la presión de vapor del agua es de 0.196 atm. ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio K _P para la transformación a 60 °C?

\[\ce{H2O}(l)⇌\ce{H2O}(g)\]

Q13.4.10

Completar los cambios en las concentraciones (o presión, si se solicita) para cada una de las siguientes reacciones.

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {2SO3} (g)\ :&&\ ce {2SO2} (g) +\ :&&\ ce {O2} (g)\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&+x\
&\ subrayado {\ hspace {\ hspace 40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&0.125\ :M
\ end {alignat}\)

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {4NH3} (g) +\ :&&\ ce {3O2} (g)\ :&&\ ce {2N2} (g) +\ :&&\ ce {6H2O} (g)\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&3x &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} && amp; 0.24\ :M &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}
\ end {alignat}\)

c) Cambio de presión:

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {2CH4} (g)\ :&&\ ce {C2H2} (g) +\ :&&\ ce {3H2} (g)\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&x &&\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
&\ subrayado {\ hspace 40px}} &&\ textrm {25 torr} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}
\ end {alignat}\)

d) Cambio de presión:

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {CH4} (g) +\ :&&\ ce {H2O} (g)\ :&&\ ce {CO} (g) +\ :&&\ ce {3H2} (g)\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&x &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} && \ textrm {5 atm} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}
\ end {alignat}\)

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {NH4Cl} (s)\ :&&\ ce {NH3} (g) +\ :&&\ ce {HCl} (g)\\
& &&&x &&\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
& &&1.03×10^ {−4}\ :M &&\ subrayado {\ hhespacio {40px}}
\ end {alignat}\)

f) cambio de presión:

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {Ni} (s) +\ :&&\ ce {4CO} (g)\ :&&\ ce {Ni (CO) 4} (g)\\
& &&&4x &&\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
& &&\ textrm {0.40 atm} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}
\ final {alignat}\)

S13.4.10

−2 x, 2 x, −0.250 M, 0.250 M;
4 x, −2 x, −6 x, 0.32 M, −0.16 M, −0.48 M;
−2 x, 3 x, −50 torr, 75 torr;
x, − x, −3 x, 5 atm, −5 atm, −15 atm;
x, 1.03 × 10 ⁻⁴ M; (f) x, 0.1 atm.

Q13.4.11

Completar los cambios en las concentraciones (o presión, si se solicita) para cada una de las siguientes reacciones.

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {2H2} (g) +\ :&&\ ce {O2} (g)\ :&&\ ce {2H2O} (g)\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&+2x\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&&1.50\ :M
\ end {alignat}\)

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {CS2} (g) +\ :&&\ ce {4H2} (g)\ :&&\ ce {CH4} (g) +\ :&&\ ce {2H2S} (g)\\
&x &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
&0.020\ :M &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}
\ end {alignat}\)

c) Cambio de presión:

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {H2} (g) +\ :&&\ ce {Cl2} (g)\ :&&\ ce {2HCl} (g)\\
&x &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
&\ textrm {1.50 atm} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}}
\ end {alignat}\)

d) Cambio de presión:

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {2NH3} (g) +\ :&&\ ce {2O2} (g)\ :&&\ ce {N2O} (g) +\ :&&\ ce {3H2O} (g)\\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &\ subrayado {\ hspace {40px}} &&x\
&\ subrayado {\ hspace {40px}} && amp;\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ textrm {60.6 torr}
\ end {alignat}\)

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {NH4HS} (s)\ :&&\ ce {NH3} (g) +\ :&&\ ce {H2S} (g)\\
& &&&x &&\ subrayado {\ hspace {40px}}\\
& &&9.8×10^ {−6}\ :M &&\ subrayado {\ hspace {40px}}
\ end {alignat}\)

f) Cambio de presión:

\ (\ begin {alignat} {3}
&\ ce {Fe} (s) +\ :&&\ ce {5CO} (g)\ :&&\ ce {Fe (CO) 4} (g)\\
& &&\ subrayado {\ hspace {40px}} &&x\
& & &\ subrayado {\ hspace {40px}} &&\ textrm {0.012 atm}
\ end {alignat}\)

Q13.4.12

¿Por qué no se especifican cambios para Ni en Ejercicio, parte (f)? ¿Qué propiedad de Ni cambia?

S13.4.12

Las actividades de los sólidos cristalinos puros son iguales a 1 y son constantes; sin embargo, la masa de Ni sí cambia.

Q13.4.13

¿Por qué no se especifican cambios para NH ₄ HS en Ejercicio, parte (e)? ¿Qué propiedad de NH ₄ HS cambia?

Q13.4.14

_{El análisis de los gases en un recipiente de reacción sellado que contenía NH ₃, N ₂ _{y H 2} en equilibrio a 400 °C estableció que la concentración de N ₂ era 1.2 M y la concentración de H2 a 0.24 M.}

\[\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g)⇌\ce{2NH3}(g) \hspace{20px} K_c=\textrm{0.50 at 400 °C}\]

Calcular la concentración molar de equilibrio de NH ₃.

S13.4.14

[NH ₃] = 9.1 × 10 ⁻² M

Q13.4.16

Calcular el número de moles de HI que están en equilibrio con 1.25 mol de H ₂ y 1.25 mol de _I2 en un matraz de 5.00−L a 448 °C.

\(\ce{H2 + I2 ⇌ 2HI} \hspace{20px} K_c=\textrm{50.2 at 448 °C}\)

Q13.4.17

¿Cuál es la presión de BrCl en una mezcla de equilibrio de Cl ₂, Br ₂ y BrCl si la presión de Cl ₂ en la mezcla es de 0.115 atm y la presión de Br ₂ en la mezcla es 0.450 atm?

\[\ce{Cl2}(g)+\ce{Br2}(g)⇌\ce{2BrCl}(g) \hspace{20px} K_P=4.7×10^{−2}\]

S13.4.17

P _BrCl = 4.9 × 10 ⁻² atm

Q13.4.18

¿Cuál es la presión del CO ₂ en una mezcla en equilibrio que contiene 0.50 atm H ₂, 2.0 atm de H ₂ O y 1.0 atm de CO a 990 °C?

\[\ce{H2}(g)+\ce{CO2}(g)⇌\ce{H2O}(g)+\ce{CO}(g) \hspace{20px} K_P=\textrm{1.6 at 990 °C}\]

Q13.4.12

El metal cobalto se puede preparar reduciendo el óxido de cobalto (II) con monóxido de carbono.

\(\ce{CoO}(s)+\ce{CO}(g)⇌\ce{Co}(s)+\ce{CO2}(g) \hspace{20px} K_c=4.90×10^2\textrm{ at 550 °C}\)

¿Qué concentración de CO queda en una mezcla de equilibrio con [CO ₂] = 0.100 M?

S13.4.12

[CO] = 2.0 × 10 ⁻⁴ M

Q13.4.13

El carbono reacciona con vapor de agua a temperaturas elevadas.

\(\ce{C}(s)+\ce{H2O}(g)⇌\ce{CO}(g)+\ce{H2}(g) \hspace{20px} K_c=\textrm{0.2 at 1000 °C}\)

¿Cuál es la concentración de CO en una mezcla de equilibrio con [H ₂ O] = 0.500 M a 1000 °C?

Q13.4.14

Sulfato de sodio 10−hidrato\(\ce{Na2SO4 \cdot 10H2O}\),, deshidrata según la ecuación

\[\ce{Na2SO4⋅10H2O}(s)⇌\ce{Na2SO4}(s)+\ce{10H2O}(g) \hspace{20px} \]

con\(K_p=4.08×10^{−25}\) a 25°C. ¿Cuál es la presión del vapor de agua en equilibrio con una mezcla de\(\ce{Na2SO4·10H2O}\) y\(\ce{NaSO4}\)?

S13.4.14

\(P_{\ce{H2O}}=3.64×10^{−3}\:\ce{atm}\)

Q13.4.15

Cloruro de calcio 6−hidrato, CaCl ₂ ·6H ₂ O, se deshidrata según la ecuación

\(\ce{CaCl2⋅6H2O}(s)⇌\ce{CaCl2}(s)+\ce{6H2O}(g) \hspace{20px} K_P=5.09×10^{−44}\textrm{ at 25 °C}\)

¿Cuál es la presión del vapor de agua en equilibrio con una mezcla de CaCl ₂ ·6H ₂ O y CaCl ₂?

Q13.4.16

Un estudiante resolvió el siguiente problema y encontró que las concentraciones de equilibrio eran [SO ₂] = 0.590 M, [O ₂] = 0.0450 M, y [SO ₃] = 0.260 M. ¿Cómo podría este alumno verificar el trabajo sin reelaborar el problema? El problema fue: Para la siguiente reacción a 600 °C:

\(\ce{2SO2}(g)+\ce{O2}(g)⇌\ce{2SO3}(g) \hspace{20px} K_c=4.32\)

¿Cuáles son las concentraciones de equilibrio de todas las especies en una mezcla que se preparó con [SO ₃] = 0.500 M, [SO ₂] = 0 M, y [O ₂] = 0.350 M?

S13.4.16

Calcular Q con base en las concentraciones calculadas y ver si es igual a K _c. Debido a que Q sí es igual a 4.32, el sistema debe estar en equilibrio.

Q13.4.16

Un estudiante resolvió el siguiente problema y encontró [N ₂ O ₄] = 0.16 M en equilibrio. ¿Cómo podría este alumno reconocer que la respuesta fue incorrecta sin reelaborar el problema? El problema fue: ¿Cuál es la concentración de equilibrio de N ₂ O ₄ en una mezcla formada a partir de una muestra de NO ₂ con una concentración de 0.10 M?

\[\ce{2NO2}(g)⇌\ce{N2O4}(g) \hspace{20px} K_c=160\]

Supongamos que el cambio en la concentración de N ₂ O ₄ es lo suficientemente pequeño como para ser descuidado en el siguiente problema.

a) Calcular la concentración de equilibrio de ambas especies en 1.00 L de una solución preparada a partir de 0.129 mol de N ₂ O ₄ con cloroformo como disolvente.

\(\ce{N2O4}(g)⇌\ce{2NO2}(g) \hspace{20px} K_c=1.07×10^{−5}\)en cloroformo

b) Demostrar que el cambio es lo suficientemente pequeño como para ser descuidado.

S13.4.16

[NO ₂] = 1.17 × 10 ⁻³ M
[N ₂ O ₄] = 0.128 M

b) Porcentaje de error\(=\dfrac{5.87×10^{−4}}{0.129}×100\%=0.455\%\). El cambio en la concentración de N ₂ O ₄ es mucho menor que el 5% máximo permitido.

Q13.4.17

Supongamos que el cambio en la concentración de CoCl ₂ es lo suficientemente pequeño como para ser descuidado en el siguiente problema.

Calcular la concentración de equilibrio de todas las especies en una mezcla de equilibrio que resulta de la descomposición de CoCl ₂ con una concentración inicial de 0.3166 M. \[\ce{COCl2}(g)⇌\ce{CO}(g)+\ce{Cl2}(g) \hspace{20px} K_c=2.2×10^{−10}\]
Demostrar que el cambio es lo suficientemente pequeño como para ser descuidado.

Q13.4.18

Supongamos que el cambio en la presión de H ₂ S es lo suficientemente pequeño como para ser descuidado en el siguiente problema.

a) Calcular las presiones de equilibrio de todas las especies en una mezcla de equilibrio que resulta de la descomposición de H ₂ S con una presión inicial de 0.824 atm.

\(\ce{2H2S}(g)⇌\ce{2H2}(g)+\ce{S2}(g) \hspace{20px} K_P=2.2×10^{−6}\)

b) Demostrar que el cambio es lo suficientemente pequeño como para ser descuidado.

S13.4.18

[H ₂ S] = 0.810 atm
[H ₂] = 0.014 atm
S ₂] = 0.0072 atm

(b) El 2 x se baja del cálculo del equilibrio porque 0.014 es despreciable cuando se resta de 0.824. El porcentaje de error asociado con ignorar 2 x es\(\dfrac{0.014}{0.824}×100\%=1.7\%\), que es menor al permitido por la “prueba del 5%”. El error es, en efecto, despreciable.

Q13.4.19

¿Cuáles son todas las concentraciones después de que una mezcla que contiene [H ₂ O] = 1.00 M y [Cl ₂ O] = 1.00 M llega a equilibrio a 25 °C?

\[\ce{H2O}(g)+\ce{Cl2O}(g)⇌\ce{2HOCl}(g) \hspace{20px} K_c=0.0900\]

Q13.4.20

¿Cuáles son las concentraciones de PCl ₅, PCl ₃ y Cl ₂ en una mezcla de equilibrio producida por la descomposición de una muestra de PCl ₅ puro con [pCl ₅] = 2.00 M?

\[\ce{PCl5}(g)⇌\ce{PCl3}(g)+\ce{Cl2}(g) \hspace{20px} K_c=0.0211\]

S13.4.20

[PCl ₃] = 1.80 M; [PC ₃] = 0.195 M; [PCl ₃] = 0.195 M.

Q13.4.21

Calcular las presiones de todas las especies en equilibrio en una mezcla de NOCl, NO y Cl ₂ producida cuando una muestra de NOCl con una presión de 10.0 atm llega al equilibrio de acuerdo con esta reacción:

\[\ce{2NOCl}(g)⇌\ce{2NO}(g)+\ce{Cl2}(g) \hspace{20px} K_P=4.0×10^{−4}\]

Q13.4.22

Calcular las concentraciones de equilibrio de NO, O ₂ y NO ₂ en una mezcla a 250 °C que resulta de la reacción de 0.20 M NO y 0.10 M O ₂. (Pista: K es grande; supongamos que la reacción va a completarse y luego vuelve al equilibrio).

\[\ce{2NO}(g)+\ce{O2}(g)⇌\ce{2NO2}(g) \hspace{20px} K_c=2.3×10^5\textrm{ at 250 °C}\]

S13.4.22

[NO ₂] = 0.19 M
[NO] = 0.0070 M
[O ₂] = 0.0035 M

Q13.4.23

Calcular las concentraciones de equilibrio que resultan cuando 0.25 M O ₂ y 1.0 M HCl reaccionan y llegan al equilibrio.

\[\ce{4HCl}(g)+\ce{O2}(g)⇌\ce{2Cl2}(g)+\ce{2H2O}(g) \hspace{20px} K_c=3.1×10^{13}\]

Q13.4.24

Una de las reacciones importantes en la formación de smog está representada por la ecuación

\[\ce{O3}(g)+\ce{NO}(g)⇌\ce{NO2}(g)+\ce{O2}(g) \hspace{20px} K_P=6.0×10^{34}\]

¿Cuál es la presión de O ₃ restante después de que una mezcla de O ₃ con una presión de 1.2 × 10 ⁻⁸ atm y NO con una presión de 1.2 × 10 ⁻⁸ atm llegue a equilibrio? (Pista: K _P es grande; supongamos que la reacción va a completarse y luego vuelve al equilibrio).

S13.4.24

\(P_{\ce{O3}}=4.9×10^{−26}\:\ce{atm}\)

Q13.4.24

Calcular las presiones de NO, Cl ₂ y NOCl en una mezcla de equilibrio producida por la reacción de una mezcla de partida con 4.0 atm NO y 2.0 atm Cl ₂. (Sugerencia: K _P es pequeño; supongamos que la reacción inversa va a completarse y luego vuelve al equilibrio).

\(\ce{2NO}(g)+\ce{Cl2}(g)⇌\ce{2NOCl}(g) \hspace{20px} K_P=2.5×10^3\)

Q13.4.25

Calcular el número de gramos de HI que están en equilibrio con 1.25 mol de H ₂ y 63.5 g de yodo a 448 °C.

\(\ce{H2 + I2 ⇌ 2HI} \hspace{20px} K_c=\textrm{50.2 at 448 °C}\)

S13.4.25

507 g

Q13.4.26

El butano existe como dos isómeros, n-butano e isobutano.

K _P = 2.5 a 25 °C

¿Cuál es la presión del isobutano en un recipiente de los dos isómeros en equilibrio con una presión total de 1.22 atm?

Q13.4.27

¿Cuál es la masa mínima de CaCo ₃ requerida para establecer el equilibrio a cierta temperatura en un contenedor de 6.50-L si la constante de equilibrio (K _c) es 0.050 para la reacción de descomposición de CaCo ₃ a esa temperatura?

\(\ce{CaCO3}(s)⇌\ce{CaO}(s)+\ce{CO2}(g)\)

S13.4.27

330 g

Q13.4.28

The equilibrium constant (K_c) for this reaction is 1.60 at 990 °C:

\[\ce{H2}(g)+\ce{CO2}(g)⇌\ce{H2O}(g)+\ce{CO}(g)\]

Calculate the number of moles of each component in the final equilibrium mixture obtained from adding 1.00 mol of H₂, 2.00 mol of CO₂, 0.750 mol of H₂O, and 1.00 mol of CO to a 5.00-L container at 990 °C.

Q13.4.29

At 25 °C and at 1 atm, the partial pressures in an equilibrium mixture of N₂O₄ and NO₂ are \(P_{\ce{N2O4}}=0.70\:\ce{atm}\) and \(P_{\ce{NO2}}=0.30\:\ce{atm}\).

Predict how the pressures of NO₂ and N₂O₄ will change if the total pressure increases to 9.0 atm. Will they increase, decrease, or remain the same?
Calculate the partial pressures of NO₂ and N₂O₄ when they are at equilibrium at 9.0 atm and 25 °C.

S13.4.29

(a) Both gases must increase in pressure.

(b) \(P_{\ce{N2O4}}=\textrm{8.0 atm and }P_{\ce{NO2}}=1.0\:\ce{atm}\)

Q13.4.30

In a 3.0-L vessel, the following equilibrium partial pressures are measured: N₂, 190 torr; H₂, 317 torr; NH₃, 1.00 × 10³ torr.

\[\ce{N2}(g)+\ce{3H2}(g)⇌\ce{2NH3}(g)\]

How will the partial pressures of H₂, N₂, and NH₃ change if H₂ is removed from the system? Will they increase, decrease, or remain the same?
Hydrogen is removed from the vessel until the partial pressure of nitrogen, at equilibrium, is 250 torr. Calculate the partial pressures of the other substances under the new conditions.

Q13.4.31

The equilibrium constant (K_c) for this reaction is 5.0 at a given temperature.

\[\ce{CO}(g)+\ce{H2O}(g) <=> \ce{CO2}(g)+\ce{H2}(g)\)]

On analysis, an equilibrium mixture of the substances present at the given temperature was found to contain 0.20 mol of CO, 0.30 mol of water vapor, and 0.90 mol of H₂ in a liter. How many moles of CO₂ were there in the equilibrium mixture?
Maintaining the same temperature, additional H₂ was added to the system, and some water vapor was removed by drying. A new equilibrium mixture was thereby established containing 0.40 mol of CO, 0.30 mol of water vapor, and 1.2 mol of H₂ in a liter. How many moles of CO₂ were in the new equilibrium mixture? Compare this with the quantity in part (a), and discuss whether the second value is reasonable. Explain how it is possible for the water vapor concentration to be the same in the two equilibrium solutions even though some vapor was removed before the second equilibrium was established.

S13.4.31

(a) 0.33 mol.

(b) [CO]² = 0.50 M Added H₂ forms some water to compensate for the removal of water vapor and as a result of a shift to the left after H₂ is added.

Q13.4.32a

Antimony pentachloride decomposes according to this equation:

\(\ce{SbCl5}(g)⇌\ce{SbCl3}(g)+\ce{Cl2}(g)\)

An equilibrium mixture in a 5.00-L flask at 448 °C contains 3.85 g of SbCl₅, 9.14 g of SbCl₃, and 2.84 g of Cl₂. How many grams of each will be found if the mixture is transferred into a 2.00-L flask at the same temperature?

Q13.4.32b

Consider the reaction between H₂ and O₂ at 1000 K

\[\ce{2H2}(g)+\ce{O2}(g)⇌\ce{2H2O}(g) \hspace{20px} K_P=\dfrac{(P_{\ce{H2O}})^2}{(P_{\ce{O2}})(P_{\ce{H2}})^3}=1.33×10^{20}\]

If 0.500 atm of H₂ and 0.500 atm of O₂ are allowed to come to equilibrium at this temperature, what are the partial pressures of the components?

S13.4.32b

\(P_{\ce{H2}}=8.64×10^{−11}\:\ce{atm}\)

\(P_{\ce{O2}}=0.250\:\ce{atm}\)

\(P_{\ce{H2O}}=0.500\:\ce{atm}\)

Q13.4.33

An equilibrium is established according to the following equation

\[\ce{Hg2^2+}(aq)+\ce{NO3−}(aq)+\ce{3H+}(aq)⇌\ce{2Hg^2+}(aq)+\ce{HNO2}(aq)+\ce{H2O}(l) \hspace{20px} K_c=4.6\]

What will happen in a solution that is 0.20 M each in \(\ce{Hg2^2+}\), \(\ce{NO3−}\), H⁺, Hg²⁺, and HNO₂?

\(\ce{Hg2^2+}\) will be oxidized and \(\ce{NO3−}\) reduced.
\(\ce{Hg2^2+}\) will be reduced and \(\ce{NO3−}\) oxidized.
Hg²⁺ will be oxidized and HNO₂ reduced.
Hg²⁺ will be reduced and HNO₂ oxidized.
There will be no change because all reactants and products have an activity of 1.

Q13.4.34

Consider the equilibrium

\[\ce{4NO2}(g)+\ce{6H2O}(g)⇌\ce{4NH3}(g)+\ce{7O2}(g)\]

What is the expression for the equilibrium constant (K_c) of the reaction?
How must the concentration of NH₃ change to reach equilibrium if the reaction quotient is less than the equilibrium constant?
If the reaction were at equilibrium, how would a decrease in pressure (from an increase in the volume of the reaction vessel) affect the pressure of NO₂?
If the change in the pressure of NO₂ is 28 torr as a mixture of the four gases reaches equilibrium, how much will the pressure of O₂ change?

S13.4.34

(a) \(K_c=\ce{\dfrac{[NH3]^4[O2]^7}{[NO2]^4[H2O]^6}}\). (b) [NH₃] must increase for Q_c to reach K_c. (c) That decrease in pressure would decrease [NO₂]. (d) \(P_{\ce{O2}}=49\:\ce{torr}\)

Q13.4.35

The binding of oxygen by hemoglobin (Hb), giving oxyhemoglobin (HbO₂), is partially regulated by the concentration of H₃O⁺ and dissolved CO₂ in the blood. Although the equilibrium is complicated, it can be summarized as

\(\ce{HbO2}(aq)+\ce{H3O+}(aq)+\ce{CO2}(g)⇌\ce{CO2−Hb−H+}+\ce{O2}(g)+\ce{H2O}(l)\)

(a) Write the equilibrium constant expression for this reaction.
(b) Explain why the production of lactic acid and CO₂ in a muscle during exertion stimulates release of O₂ from the oxyhemoglobin in the blood passing through the muscle.

Q13.4.36

The hydrolysis of the sugar sucrose to the sugars glucose and fructose follows a first-order rate equation for the disappearance of sucrose.

\(\ce{C12H22O11}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{C6H12O6}(aq)+\ce{C6H12O6}(aq)\)

Rate = k[C₁₂H₂₂O₁₁]

In neutral solution, k = 2.1 × 10⁻¹¹/s at 27 °C. (As indicated by the rate constant, this is a very slow reaction. In the human body, the rate of this reaction is sped up by a type of catalyst called an enzyme.) (Note: That is not a mistake in the equation—the products of the reaction, glucose and fructose, have the same molecular formulas, C₆H₁₂O₆, but differ in the arrangement of the atoms in their molecules). The equilibrium constant for the reaction is 1.36 × 10⁵ at 27 °C. What are the concentrations of glucose, fructose, and sucrose after a 0.150 M aqueous solution of sucrose has reached equilibrium? Remember that the activity of a solvent (the effective concentration) is 1.

S13.4.36

[fructose] = 0.15 M

Q13.4.37

The density of trifluoroacetic acid vapor was determined at 118.1 °C and 468.5 torr, and found to be 2.784 g/L. Calculate K_c for the association of the acid.

El líquido N ₂ O ₃ es azul oscuro a bajas temperaturas, pero el color se desvanece y se vuelve verdoso a temperaturas más altas a medida que el compuesto se descompone a NO y NO ₂. A 25 °C, se ha establecido un valor de K _P = 1.91 para esta descomposición. Si se colocan 0.236 moles de N ₂ O ₃ en un recipiente de 1.52-L a 25 °C, calcule las presiones parciales de equilibrio de N ₂ O ₃ (g), NO ₂ (g) y NO (g).

S13.4.37

\(P_{\ce{N2O3}}=\textrm{1.90 atm and }P_{\ce{NO}}=P_{\ce{NO2}}=\textrm{1.90 atm}\)

Q13.4.38

Un recipiente de 1.00-L a 400 °C contiene las siguientes concentraciones de equilibrio: N ₂, 1.00 M; H ₂, 0.50 M; y NH ₃, 0.25 M. ¿Cuántos moles de hidrógeno deben retirarse del recipiente para aumentar la concentración de nitrógeno a 1.1 M?

Q13.4.39

Una solución 0.010 M del ácido débil HA tiene una presión osmótica (ver capítulo sobre soluciones y coloides) de 0.293 atm a 25 °C. Una solución 0.010 M del ácido débil HB tiene una presión osmótica de 0.345 atm en las mismas condiciones.

a) Qué ácido tiene la constante de equilibrio más grande para la ionización

¿HA\([\ce{HA}(aq)⇌\ce{A-}(aq)+\ce{H+}(aq)]\) o HB\([\ce{HB}(aq)⇌\ce{H+}(aq)+\ce{B-}(aq)]\)?

b) ¿Cuáles son las constantes de equilibrio para la ionización de estos ácidos?

(Sugerencia: Recuerde que cada solución contiene tres especies disueltas: el ácido débil (HA o HB), la base conjugada (A ⁻ o B ⁻) y el ión hidrógeno (H ⁺). Recuerde que la presión osmótica (como todas las propiedades coligativas) está relacionada con el número total de partículas de soluto. Específicamente para la presión osmótica, esas concentraciones se describen por molaridades).

S13.4.39

(a) El HB se ioniza en mayor grado y tiene el mayor K _c.

b) K _c (HA) = 5 × 10 ⁻⁴

K _c (HB) = 3 × 10 ⁻³