oposicionesfyq.es
ES · CA

Supòsit 48

Baleares 2026 ·

Enunciat

En un procés industrial relacionat amb el control de contaminants atmosfèrics, el diòxid de nitrogen pot dimeritzar segons la reacció:

2 NOX2(g)⇌NX2OX4(g)ΔH∘=−57,2 kJ⋅mol−1\ce{2 NO2(g) <=> N2O4(g)} \qquad \Delta H^\circ = -57{,}2\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}

En un reactor tancat de 8,50 L a una temperatura constant de 315 K, s'introdueixen inicialment 1,37 mol de NOX2\ce{NO2}(g). Després d'assolir l'equilibri, es determina experimentalment que s'han format 0,283 mol de NX2OX4\ce{N2O4}(g).

a) Determina les concentracions en equilibri de totes les espècies. (4 punts) b) Calcula el valor de KcK_c per a la reacció. (3 punts) c) Calcula el valor de KpK_p per a la reacció. (3 punts) d) Un cop assolit l'equilibri, s'introdueixen sobtadament 0,642 mol addicionals de NOX2\ce{NO2}(g), mantenint constant el volum i la temperatura. Determina les noves concentracions en el nou equilibri. (5 punts) e) Raona: 1. Com afectaria un augment de temperatura a l'equilibri? 2. Com afectaria una disminució del volum del sistema? 3. Quin efecte tindria l'addició d'un gas inert a volum constant? (1 punt cadascuna) f) A partir del valor de KcK_c obtingut, justifica si en equilibri predomina NOX2\ce{NO2} o NX2OX4\ce{N2O4}. (2 punts)

(Dades: R=0,082R = 0{,}082 atm·L·mol⁻¹·K⁻¹)

Solució

a) Concentracions en equilibri. Per cada mol de NX2OX4\ce{N2O4} format es consumeixen 2 mol de NOX2\ce{NO2}:

n(NOX2)=1,37−2⋅0,283=0,804 moln(\ce{NO2}) = 1{,}37 - 2\cdot 0{,}283 = 0{,}804\ \mathrm{mol} [NOX2]=0,8048,50=9,46⋅10−2 M[NX2OX4]=0,2838,50=3,33⋅10−2 M[\ce{NO2}] = \frac{0{,}804}{8{,}50} = 9{,}46\cdot 10^{-2}\ \mathrm{M} \qquad [\ce{N2O4}] = \frac{0{,}283}{8{,}50} = 3{,}33\cdot 10^{-2}\ \mathrm{M}

b) Constant d'equilibri.

Kc=[NX2OX4][NOX2]2=3,329⋅10−2(9,459⋅10−2)2=3,72 M−1K_c = \frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} = \frac{3{,}329\cdot 10^{-2}}{(9{,}459\cdot 10^{-2})^2} = 3{,}72\ \mathrm{M^{-1}}

c) KpK_p. Amb Δn=1−2=−1\Delta n = 1 - 2 = -1:

Kp=Kc(RT)Δn=3,720,082⋅315=0,144 atm−1K_p = K_c (RT)^{\Delta n} = \frac{3{,}72}{0{,}082 \cdot 315} = 0{,}144\ \mathrm{atm^{-1}}

d) Nou equilibri després d'afegir NOX2\ce{NO2}. A volum i temperatura constants, la pertorbació només canvia la concentració inicial de NOX2\ce{NO2}:

[NOX2]0′=0,804+0,6428,50=0,1701 M,[NX2OX4]0′=3,329⋅10−2 M[\ce{NO2}]_0' = \frac{0{,}804 + 0{,}642}{8{,}50} = 0{,}1701\ \mathrm{M}, \qquad [\ce{N2O4}]_0' = 3{,}329\cdot 10^{-2}\ \mathrm{M}

Segons Le Châtelier el sistema es desplaça cap a la dreta. Si xx és el NX2OX4\ce{N2O4} addicional format:

Kc=3,329⋅10−2+x(0,1701−2x)2=3,72K_c = \frac{3{,}329\cdot 10^{-2} + x}{(0{,}1701 - 2x)^2} = 3{,}72

Anomenant u=0,1701−2xu = 0{,}1701 - 2x la nova concentració de NOX2\ce{NO2}, l'equació es torna quadràtica en uu: 3,72 u2+0,5 u−0,1184=03{,}72\,u^2 + 0{,}5\,u - 0{,}1184 = 0, amb arrel positiva u=0,1234u = 0{,}1234. Per tant

[NOX2]=0,123 M,x=0,1701−0,12342=2,34⋅10−2 M,[NX2OX4]=5,67⋅10−2 M[\ce{NO2}] = 0{,}123\ \mathrm{M}, \qquad x = \frac{0{,}1701-0{,}1234}{2} = 2{,}34\cdot 10^{-2}\ \mathrm{M}, \qquad [\ce{N2O4}] = 5{,}67\cdot 10^{-2}\ \mathrm{M}

Comprovació: 5,666⋅10−2/(0,1234)2=3,725{,}666\cdot 10^{-2}/(0{,}1234)^2 = 3{,}72 ✔. Observa el detall que sol passar per alt: encara que el sistema «consumeix» part del NOX2\ce{NO2} afegit, la concentració final de NOX2\ce{NO2} (0,123 M) és superior a la inicial (0,0946 M). Le Châtelier diu que el desplaçament mitiga la pertorbació, no que l'anul·le.

e) Efecte de les pertorbacions.

  1. Augment de temperatura. La reacció directa és exotèrmica (ΔH∘<0\Delta H^\circ < 0), per tant escalfar desplaça l'equilibri cap a l'esquerra i KcK_c disminueix (equació de Van't Hoff). És l'experiment clàssic de l'ampolla de NOX2\ce{NO2}: en aigua calenta el gas es torna marró fosc (NOX2\ce{NO2} acolorit) i en gel es decolora (NX2OX4\ce{N2O4} incolor).
  2. Disminució del volum. Augmenta la pressió total; el sistema es desplaça cap al costat amb menys mols de gas, és a dir cap a la dreta (2 mol → 1 mol), afavorint el NX2OX4\ce{N2O4}. KcK_c no canvia: només depèn de TT.
  3. Addició d'un gas inert a volum constant. Cap efecte. Puja la pressió total, però les pressions parcials i les concentracions de NOX2\ce{NO2} i NX2OX4\ce{N2O4} es mantenen, i el quocient de reacció continua sent igual a KK. (Seria diferent afegir l'inert a pressió constant: llavors el volum creixeria i sí que hi hauria desplaçament, cap a l'esquerra.)

f) Qui predomina? Ací hi ha una trampa conceptual que convé no mossegar. Kc=3,72>1K_c = 3{,}72 > 1 suggereix «predominen els productes», però KcK_c té unitats (M−1\mathrm{M^{-1}}) perquè Δn≠0\Delta n \neq 0: el seu valor numèric depèn de l'escala de concentracions triada, i comparar-lo amb 1 no és una conclusió física. La comparació correcta és directa:

[NX2OX4][NOX2]=3,33⋅10−29,46⋅10−2=0,352\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]} = \frac{3{,}33\cdot 10^{-2}}{9{,}46\cdot 10^{-2}} = 0{,}352

En equilibri hi ha 0,804 mol de NOX2\ce{NO2} i 0,283 mol de NX2OX4\ce{N2O4}: predomina el NOX2\ce{NO2}, i a més només s'ha dimeritzat el 41 % del NOX2\ce{NO2} inicial. Dit d'una altra manera: com que Kc[NOX2]=3,72⋅0,0946=0,352<1K_c[\ce{NO2}] = 3{,}72 \cdot 0{,}0946 = 0{,}352 < 1, a estes concentracions tan diluïdes el monòmer guanya. Si es comprimira molt el sistema, el criteri s'invertiria.

supuesto-progress

Crea compte gratis
Recursos descarregables

Resolució en PDF

Supòsit en PDF (enunciat + resolució)

Cal un correu per accedir-hi. Sense contrasenyes, sense cost. T'enviem un enllaç màgic.