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Supuesto 41

Madrid 2025 ·

Enunciado

En un recipiente de 10 litros se introducen 2 mol de una sustancia A y 1 mol de B, que se transforman en C de acuerdo a la siguiente reacción:

A (g)+3 B (g)⇌2 C (g)\mathrm{A\,(g)} + 3\,\mathrm{B\,(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{C\,(g)}

Después de calentar a 227 ºC, se llega a un equilibrio en el que el número de moles de B es igual al de C.

  • a) Calcule los moles de cada componente en el equilibrio, el valor de la presión parcial de B, y la presión total en el recipiente cuando se alcanza el equilibrio. (2 puntos)
  • b) Determine los valores de las constantes de equilibrio KcK_c y KpK_p. (1 punto)
  • c) El análisis elemental de la sustancia C indica que está formada exclusivamente por nitrógeno e hidrógeno y que contiene un 82,5 % de nitrógeno. Además, se sabe que 5,24⋅10−2 dm35{,}24\cdot 10^{-2}\ \mathrm{dm^3} del compuesto C tienen 1,35⋅10241{,}35\cdot 10^{24} moléculas. Determine la fórmula molecular y empírica de C. Nombre el compuesto. (2 puntos)
  • d) Todo el compuesto C que hay tras el equilibrio alcanzado en el apartado a) se extrae y reacciona exactamente con 320 mL de una disolución de ácido clorhídrico. Calcule: (2,5 puntos) d.1) la concentración molar de la disolución de ácido clorhídrico; d.2) el pH de la disolución resultante.
  • e) Una vez alcanzado el equilibrio se introduce en el matraz de reacción 0,1 mol del compuesto C. Justifique hacia dónde se desplazaría el equilibrio y qué pasaría con la concentración de A. (1 punto)
  • f) Justifique, haciendo referencia a su enlace, geometría molecular, fuerzas intermoleculares y carácter polar o apolar, la alta o baja solubilidad del compuesto C en agua. (1,5 puntos)

Datos: masas atómicas relativas Ar(H)=1,01A_r(\mathrm{H}) = 1{,}01, Ar(N)=14,01A_r(\mathrm{N}) = 14{,}01; constante de basicidad del compuesto C, pKb=4,75pK_b = 4{,}75; constante de los gases ideales R=0,082 atm L K−1mol−1=8,31 J K−1mol−1R = 0{,}082\ \mathrm{atm\,L\,K^{-1}mol^{-1}} = 8{,}31\ \mathrm{J\,K^{-1}mol^{-1}}; densidad del compuesto C, d=0,73 kg/m3d = 0{,}73\ \mathrm{kg/m^3}; número de Avogadro 6,022⋅1023 mol−16{,}022\cdot 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}.

Solución

a) Composición en el equilibrio y presiones

Planteamos la tabla de moles con el grado de avance xx (moles de A que reaccionan):

| | A | B | C | | ---------- | ----- | ------ | ----- | | Inicial | 2 | 1 | 0 | | Cambio | −x-x | −3x-3x | +2x+2x | | Equilibrio | 2−x2-x | 1−3x1-3x | 2x2x |

La condición del enunciado, nB=nCn_\mathrm{B} = n_\mathrm{C}, fija el avance:

1−3x=2x  ⟹  x=0,20 mol1 - 3x = 2x \;\Longrightarrow\; x = 0{,}20\ \mathrm{mol} nA=1,80 mol,nB=nC=0,40 mol,ntotal=2,60 moln_\mathrm{A} = 1{,}80\ \mathrm{mol}, \qquad n_\mathrm{B} = n_\mathrm{C} = 0{,}40\ \mathrm{mol}, \qquad n_\text{total} = 2{,}60\ \mathrm{mol}

Con T=227 ∘C=500 KT = 227\ ^\circ\mathrm{C} = 500\ \mathrm{K} y V=10 LV = 10\ \mathrm{L}, la ecuación de los gases ideales da directamente la presión parcial de B y la presión total:

pB=nBRTV=0,40⋅0,082⋅50010=1,64 atmp_\mathrm{B} = \frac{n_\mathrm{B}RT}{V} = \frac{0{,}40\cdot 0{,}082\cdot 500}{10} = 1{,}64\ \mathrm{atm} ptotal=ntotalRTV=2,60⋅0,082⋅50010=10,66 atmp_\text{total} = \frac{n_\text{total}RT}{V} = \frac{2{,}60\cdot 0{,}082\cdot 500}{10} = 10{,}66\ \mathrm{atm}

Nótese que la presión ha bajado respecto de la inicial (3,00 mol→12,30 atm3{,}00\ \mathrm{mol} \to 12{,}30\ \mathrm{atm}), como corresponde a una reacción que consume 4 mol de gas y produce solo 2.

b) Constantes de equilibrio

Las concentraciones en el equilibrio son [A]=0,180[\mathrm{A}] = 0{,}180, [B]=[C]=0,0400 mol L−1[\mathrm{B}] = [\mathrm{C}] = 0{,}0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}}:

Kc=[C]2[A][B]3=(0,0400)20,180⋅(0,0400)3=1,60⋅10−31,152⋅10−5=1,39⋅102 L2mol−2K_c = \frac{[\mathrm{C}]^2}{[\mathrm{A}][\mathrm{B}]^3} = \frac{(0{,}0400)^2}{0{,}180\cdot (0{,}0400)^3} = \frac{1{,}60\cdot 10^{-3}}{1{,}152\cdot 10^{-5}} = 1{,}39\cdot 10^{2}\ \mathrm{L^2mol^{-2}}

Como Δn=2−4=−2\Delta n = 2 - 4 = -2:

Kp=Kc (RT)Δn=138,9(0,082⋅500)2=138,91681=8,26⋅10−2 atm−2K_p = K_c\,(RT)^{\Delta n} = \frac{138{,}9}{(0{,}082\cdot 500)^2} = \frac{138{,}9}{1681} = 8{,}26\cdot 10^{-2}\ \mathrm{atm^{-2}}

c) Fórmula empírica y molecular de C

Con 100 g de compuesto, 82,5 g son de N y 17,5 g de H:

nN=82,514,01=5,89 mol,nH=17,51,01=17,33 mol,nHnN=2,94≈3n_\mathrm{N} = \frac{82{,}5}{14{,}01} = 5{,}89\ \mathrm{mol}, \qquad n_\mathrm{H} = \frac{17{,}5}{1{,}01} = 17{,}33\ \mathrm{mol}, \qquad \frac{n_\mathrm{H}}{n_\mathrm{N}} = 2{,}94 \approx 3

La fórmula empírica es NHX3\ce{NH3} (M=17,04 g mol−1M = 17{,}04\ \mathrm{g\,mol^{-1}}). Para la molecular necesitamos la masa molar real. La muestra contiene

n=1,35⋅10246,022⋅1023=2,24 moln = \frac{1{,}35\cdot 10^{24}}{6{,}022\cdot 10^{23}} = 2{,}24\ \mathrm{mol}

y ocupa 5,24⋅10−2 dm3=5,24⋅10−2 L5{,}24\cdot 10^{-2}\ \mathrm{dm^3} = 5{,}24\cdot 10^{-2}\ \mathrm{L}, de modo que

M=d Vn=0,73 g cm−3⋅52,4 cm32,24 mol=38,3 g2,24 mol=17,1 g mol−1M = \frac{d\,V}{n} = \frac{0{,}73\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\cdot 52{,}4\ \mathrm{cm^3}}{2{,}24\ \mathrm{mol}} = \frac{38{,}3\ \mathrm{g}}{2{,}24\ \mathrm{mol}} = 17{,}1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}

Como M/Mempıˊrica=1M / M_\text{empírica} = 1, fórmula molecular = fórmula empírica = NHX3\ce{NH3}, amoniaco (nomenclatura sistemática: trihidruro de nitrógeno). El equilibrio del apartado a) es, por tanto, la síntesis de Haber-Bosch: NX2(g)+3 HX2(g)⇌2 NHX3(g)\ce{N2 (g) + 3 H2 (g) <=> 2 NH3 (g)}, con A =NX2=\ce{N2} y B =HX2=\ce{H2}.

Nota sobre los datos. El enunciado da la densidad como 0,73 kg/m30{,}73\ \mathrm{kg/m^3}. Ese valor es incompatible con el resto de datos: con él, la masa de la muestra sería de 0,038 g0{,}038\ \mathrm{g} y resultaría M=0,017 g mol−1M = 0{,}017\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, imposible. La combinación de datos solo es coherente si se lee 0,73 kg/dm3=0,73 g cm−30{,}73\ \mathrm{kg/dm^3} = 0{,}73\ \mathrm{g\,cm^{-3}}, la densidad del amoniaco líquido, que es la usada arriba. Conviene detectar y hacer constar la incoherencia en el propio examen: el tribunal valora que se justifique la hipótesis de trabajo.

d) Reacción con HCl y pH resultante

d.1) La neutralización es NHX3+HCl→NHX4Cl\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}, de estequiometría 1:1. Los 0,40 mol de amoniaco del equilibrio consumen 0,40 mol de HCl:

c(HCl)=0,40 mol0,320 L=1,25 mol L−1c(\mathrm{HCl}) = \frac{0{,}40\ \mathrm{mol}}{0{,}320\ \mathrm{L}} = 1{,}25\ \mathrm{mol\,L^{-1}}

d.2) Al reaccionar en cantidades exactamente estequiométricas, la disolución final contiene solo cloruro de amonio, 1,25 M1{,}25\ \mathrm{M}. El ion NHX4X+\ce{NH4+} es el ácido conjugado de una base débil y se hidroliza:

NHX4X++HX2O⇌NHX3+HX3OX+,Ka=KwKb=1,0⋅10−141,78⋅10−5=5,62⋅10−10\ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}, \qquad K_a = \frac{K_w}{K_b} = \frac{1{,}0\cdot 10^{-14}}{1{,}78\cdot 10^{-5}} = 5{,}62\cdot 10^{-10}

(donde Kb=10−4,75=1,78⋅10−5K_b = 10^{-4{,}75} = 1{,}78\cdot 10^{-5}). Como KaK_a es muy pequeña frente a la concentración, [HX3OX+]=Ka c[\ce{H3O+}] = \sqrt{K_a\,c}:

[HX3OX+]=5,62⋅10−10⋅1,25=2,65⋅10−5 mol L−1  ⟹  pH=4,58[\ce{H3O+}] = \sqrt{5{,}62\cdot 10^{-10}\cdot 1{,}25} = 2{,}65\cdot 10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \;\Longrightarrow\; \mathrm{pH} = 4{,}58

Disolución ácida, como cabe esperar de la sal de un ácido fuerte y una base débil.

e) Perturbación del equilibrio

Añadir 0,10 mol de C aumenta [C][\mathrm{C}] y hace que el cociente de reacción supere a la constante, Q>KcQ > K_c. El sistema responde desplazándose hacia la izquierda (formación de reactivos) hasta recuperar Q=KcQ = K_c, de acuerdo con el principio de Le Châtelier. En consecuencia, la concentración de A aumenta.

f) Solubilidad del amoniaco en agua

El amoniaco es muy soluble en agua. La justificación encadena los cuatro aspectos que pide el enunciado:

  • Enlace. Tres enlaces covalentes N–H polares; el nitrógeno es mucho más electronegativo (χN=3,0\chi_\mathrm{N} = 3{,}0 frente a χH=2,1\chi_\mathrm{H} = 2{,}1), de modo que cada enlace tiene un momento dipolar apreciable dirigido hacia el N.
  • Geometría. Nitrógeno con hibridación sp3sp^3, cuatro pares electrónicos, uno de ellos no enlazante: geometría de pirámide trigonal (AX₃E), con ángulos H–N–H de unos 107º.
  • Carácter polar. Al no ser plana ni simétrica, los momentos dipolares de enlace no se cancelan; la molécula es polar (μ=1,47 D\mu = 1{,}47\ \mathrm{D}), con el par solitario reforzando el dipolo.
  • Fuerzas intermoleculares. El NHX3\ce{NH3} forma enlaces de hidrógeno con el agua tanto como dador (H unido a N) como aceptor (par solitario del N). A ello se suma la reacción parcial NHX3+HX2O⇌NHX4X++OHX−\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}, que retira amoniaco molecular de la disolución y desplaza el equilibrio de disolución.

La suma de polaridad, enlace de hidrógeno bidireccional y reacción ácido-base explica una solubilidad extraordinariamente alta (del orden de 500 g por litro de agua a 20 ºC).

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