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Supuesto 16

Aragón 2025 ·

Enunciado

A 400 K se introducen en un recipiente monóxido de carbono e hidrógeno en proporciones estequiométricas respecto a la reacción CO(g)+2 HX2(g)⇌CHX3OH(g)\ce{CO(g) + 2 H2(g) <=> CH3OH(g)}. Cuando se alcanza el equilibrio, la presión total es 1 atm y la mezcla gaseosa contiene un 20 % en volumen de metanol. Calcule: a) las fracciones molares de todos los gases en el equilibrio (2p); b) el porcentaje en masa de cada componente (3p); c) las constantes KpK_p y KcK_c a 400 K (1p); d) si a 500 K se favorecerá la obtención de metanol, justificándolo cualitativa y cuantitativamente (calculando KpK_p a 500 K) (3p). (Planteamiento del equilibrio: 1p.)

Datos. Masas atómicas: C = 12,0; H = 1,0; O = 16,0. ΔHf∘\Delta H^\circ_f (kJ/mol): CO(g) = −100,5; CHX3OH\ce{CH3OH}(g) = −200,7. R = 8,31 J/(mol·K).

Solución

a) Fracciones molares

Partimos de 1 mol de CO y 2 mol de HX2\ce{H2} (proporción estequiométrica) y llamamos xx al avance:

| | CO | HX2\ce{H2} | CHX3OH\ce{CH3OH} | total | | ---------- | ----- | --------- | ------------ | ------ | | inicial | 1 | 2 | 0 | 3 | | equilibrio | 1−x1-x | 2−2x2-2x | xx | 3−2x3-2x |

La condición «20 % en volumen de metanol» es χCHX3OH=0,20\chi_{\ce{CH3OH}} = 0{,}20:

x3−2x=0,20  ⟹  x=0,4286 mol,ntotal=2,1429 mol\frac{x}{3-2x} = 0{,}20 \;\Longrightarrow\; x = 0{,}4286\ \mathrm{mol}, \qquad n_\text{total} = 2{,}1429\ \mathrm{mol} χCO=0,2667;χHX2=0,5333;χCHX3OH=0,2000\chi_{\ce{CO}} = 0{,}2667; \qquad \chi_{\ce{H2}} = 0{,}5333; \qquad \chi_{\ce{CH3OH}} = 0{,}2000

Atajo útil: como CO y HX2\ce{H2} se consumen en relación 1:2 y parten en esa misma relación, se mantienen siempre en proporción 1:2, de modo que el 80 % restante se reparte automáticamente en 26,67 % y 53,33 %.

b) Porcentaje en masa

La masa total se conserva y vale la inicial, 1⋅28+2⋅2=32,0 g1\cdot 28 + 2\cdot 2 = 32{,}0\ \mathrm{g}:

mCO=0,5714⋅28=16,0 g;mHX2=1,1429⋅2=2,29 g;mCHX3OH=0,4286⋅32=13,71 gm_{\ce{CO}} = 0{,}5714\cdot 28 = 16{,}0\ \mathrm{g};\quad m_{\ce{H2}} = 1{,}1429\cdot 2 = 2{,}29\ \mathrm{g};\quad m_{\ce{CH3OH}} = 0{,}4286\cdot 32 = 13{,}71\ \mathrm{g} % CO=50,0 %;% HX2=7,14 %;% CHX3OH=42,86 %\%\,\ce{CO} = 50{,}0\ \%;\qquad \%\,\ce{H2} = 7{,}14\ \%;\qquad \%\,\ce{CH3OH} = 42{,}86\ \%

Obsérvese el contraste con las fracciones molares: el hidrógeno es más de la mitad de las moléculas pero solo el 7 % de la masa.

c) Constantes de equilibrio

Como Ptotal=1 atmP_\text{total} = 1\ \mathrm{atm}, cada presión parcial coincide numéricamente con su fracción molar:

Kp=pCHX3OHpCO  pHX22=0,2000,2667⋅0,53332=2,64 atm−2K_p = \frac{p_{\ce{CH3OH}}}{p_{\ce{CO}}\;p_{\ce{H2}}^2} = \frac{0{,}200}{0{,}2667\cdot 0{,}5333^2} = 2{,}64\ \mathrm{atm^{-2}}

Con Δn=1−3=−2\Delta n = 1 - 3 = -2 y Kp=Kc(RT)ΔnK_p = K_c(RT)^{\Delta n}:

Kc=Kp (RT)2=2,64⋅(0,0821⋅400)2=2,84⋅103 L2mol−2K_c = K_p\,(RT)^{2} = 2{,}64\cdot(0{,}0821\cdot 400)^2 = 2{,}84\cdot 10^{3}\ \mathrm{L^2mol^{-2}}

d) Evolución a 500 K

Cualitativamente. La entalpía estándar de reacción es

ΔH∘=ΔHf∘(CHX3OH)−ΔHf∘(CO)−2ΔHf∘(HX2)=−200,7−(−100,5)−0=−100,2 kJ mol−1\Delta H^\circ = \Delta H^\circ_f(\ce{CH3OH}) - \Delta H^\circ_f(\ce{CO}) - 2\Delta H^\circ_f(\ce{H2}) = -200{,}7 - (-100{,}5) - 0 = -100{,}2\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}

La reacción es exotérmica, así que según Le Châtelier un aumento de temperatura desplaza el equilibrio hacia los reactivos: a 500 K se obtendrá menos metanol.

Cuantitativamente, por la ecuación de Van't Hoff:

ln⁡K2K1=−ΔH∘R(1T2−1T1)=1002008,31(1500−1400)=−6,03\ln\frac{K_2}{K_1} = -\frac{\Delta H^\circ}{R}\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right) = \frac{100200}{8{,}31}\left(\frac{1}{500}-\frac{1}{400}\right) = -6{,}03 Kp(500 K)=2,64⋅e−6,03=6,35⋅10−3 atm−2K_p(500\ \mathrm{K}) = 2{,}64\cdot e^{-6{,}03} = 6{,}35\cdot 10^{-3}\ \mathrm{atm^{-2}}

La constante cae en un factor de más de 400: la confirmación numérica de la predicción cualitativa. Este es exactamente el compromiso industrial del proceso de metanol: se necesita temperatura para que la cinética sea razonable, pero cada grado de más penaliza el rendimiento, y por eso se compensa trabajando a presiones muy elevadas.

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