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Supuesto 29

Canarias 2025 ·

Cuestión 1 — Fracción molar de metanol en el equilibrio

Enunciado

Para la reacción CO(g)+2 HX2(g)⇌CHX3OH(g)\ce{CO(g) + 2 H2(g) <=> CH3OH(g)}, si se introduce una mezcla de CO y HX2\ce{H2} en proporciones estequiométricas, calcular: a) la fracción molar del metanol en el equilibrio, a 1 atm y 298,15 K; b) ¿el valor de KcK_c será mayor que el de KpK_p?

Datos: ΔGCHX3OH(g)∘=−162,51 kJ/mol\Delta G^\circ_{\ce{CH3OH}(g)} = -162{,}51\ \mathrm{kJ/mol}; ΔGCO(g)∘=−137,28 kJ/mol\Delta G^\circ_{\ce{CO}(g)} = -137{,}28\ \mathrm{kJ/mol}; R=8,31 J/(mol K)R = 8{,}31\ \mathrm{J/(mol\,K)}.

Solución

a) Primero la constante, a partir de la energía libre estándar de reacción:

ΔG∘=−162,51−(−137,28)−2(0)=−25,23 kJ mol−1\Delta G^\circ = -162{,}51 - (-137{,}28) - 2(0) = -25{,}23\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} Kp=e−ΔG∘/RT=e25230/(8,31⋅298,15)=e10,18=2,65⋅104K_p = e^{-\Delta G^\circ/RT} = e^{25230/(8{,}31\cdot 298{,}15)} = e^{10{,}18} = 2{,}65\cdot 10^{4}

Como la mezcla parte estequiométrica, CO y HX2\ce{H2} permanecen en relación 1:2 en todo momento. Si χ\chi es la fracción molar de metanol, χCO=(1−χ)/3\chi_{\ce{CO}} = (1-\chi)/3 y χHX2=2(1−χ)/3\chi_{\ce{H2}} = 2(1-\chi)/3, y con P=1 atmP = 1\ \mathrm{atm} las presiones parciales coinciden con las fracciones:

Kp=χ1−χ3(2(1−χ)3)2=27 χ4(1−χ)3K_p = \frac{\chi}{\dfrac{1-\chi}{3}\left(\dfrac{2(1-\chi)}{3}\right)^2} = \frac{27\,\chi}{4(1-\chi)^3} 27 χ4(1−χ)3=2,65⋅104  ⟹  χCHX3OH=0,938\frac{27\,\chi}{4(1-\chi)^3} = 2{,}65\cdot 10^{4} \;\Longrightarrow\; \boxed{\chi_{\ce{CH3OH}} = 0{,}938}

A temperatura ambiente el equilibrio está muy desplazado hacia el metanol: casi el 94 % de las moléculas. El problema industrial no es termodinámico sino cinético —a 298 K la reacción es inobservablemente lenta—, y al subir la temperatura para acelerarla se pierde rendimiento, como cuantifica la cuestión siguiente.

b) Con Δn=1−3=−2\Delta n = 1 - 3 = -2:

Kc=Kp (RT)−Δn=Kp(RT)2=2,65⋅104⋅(0,0821⋅298,15)2=1,59⋅107K_c = K_p\,(RT)^{-\Delta n} = K_p (RT)^{2} = 2{,}65\cdot 10^{4}\cdot(0{,}0821\cdot 298{,}15)^2 = 1{,}59\cdot 10^{7}

Sí, Kc>KpK_c > K_p. La razón general: como Δn<0\Delta n < 0 y RT>1RT > 1 en las unidades habituales (L·atm/mol), el factor (RT)2(RT)^{2} amplifica el valor. Es un buen recordatorio de que KpK_p y KcK_c solo coinciden cuando Δn=0\Delta n = 0, y de que sus unidades son distintas.

Cuestión 2 — Temperatura para una fracción molar de 0,50

Enunciado

a) ¿A qué temperatura la fracción molar del metanol en el equilibrio será igual a 0,50 si la presión es de 1 atm? Suponer válida la ecuación de Van't Hoff. b) ¿Una disminución de la temperatura supondrá un aumento de las constantes de equilibrio?

Datos: ΔHCHX3OH(g)∘=−200,66 kJ/mol\Delta H^\circ_{\ce{CH3OH}(g)} = -200{,}66\ \mathrm{kJ/mol}; ΔHCO(g)∘=−110,52 kJ/mol\Delta H^\circ_{\ce{CO}(g)} = -110{,}52\ \mathrm{kJ/mol}.

Solución

a) Con la misma relación del apartado anterior, la constante que corresponde a χ=0,50\chi = 0{,}50 es

K2=27(0,50)4(0,50)3=27K_2 = \frac{27(0{,}50)}{4(0{,}50)^3} = 27

y la entalpía de reacción vale

ΔH∘=−200,66−(−110,52)=−90,14 kJ mol−1\Delta H^\circ = -200{,}66 - (-110{,}52) = -90{,}14\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}

Aplicando Van't Hoff entre T1=298,15 KT_1 = 298{,}15\ \mathrm{K} (con K1=2,65⋅104K_1 = 2{,}65\cdot 10^{4}) y T2T_2:

ln⁡K2K1=−ΔH∘R(1T2−1T1)  ⟹  ln⁡272,65⋅104=−6,89=901408,31(1T2−1T1)\ln\frac{K_2}{K_1} = -\frac{\Delta H^\circ}{R}\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right) \;\Longrightarrow\; \ln\frac{27}{2{,}65\cdot 10^{4}} = -6{,}89 = \frac{90140}{8{,}31}\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right) 1T2=1298,15−6,35⋅10−4=2,719⋅10−3  ⟹  T2=368 K=94,6 ∘C\frac{1}{T_2} = \frac{1}{298{,}15} - 6{,}35\cdot 10^{-4} = 2{,}719\cdot 10^{-3} \;\Longrightarrow\; \boxed{T_2 = 368\ \mathrm{K} = 94{,}6\ ^\circ\mathrm{C}}

Comprobación de coherencia, imprescindible aquí porque es donde se cuelan los errores de signo: la reacción es exotérmica, así que subir la temperatura debe reducir KK y con ella el rendimiento; en efecto, T2>T1T_2 > T_1 y χ\chi ha bajado de 0,938 a 0,50. Recalculando KK a 368 K con la propia ecuación se recupera exactamente 27.

b) Sí. Al ser ΔH∘<0\Delta H^\circ < 0 (exotérmica), una disminución de temperatura aumenta las constantes de equilibrio y desplaza el equilibrio hacia el metanol. Es la lectura cuantitativa del principio de Le Châtelier: bajando TT el sistema responde favoreciendo la reacción que desprende calor. En la práctica industrial esto se traduce en trabajar a la temperatura más baja que permita el catalizador (unos 250 ºC con Cu/ZnO/AlX2OX3\ce{Cu/ZnO/Al2O3}) y compensar la pérdida de rendimiento con presiones de 50-100 atm, que por Le Châtelier también favorecen el lado de menos moles de gas.

Intervención didáctica (orientación)

Contexto: IES de extrarradio, alumnado también de zonas de renta alta de municipios colindantes. Red InnovAS (eje STEAM) y capacitación digital; sí hay laboratorio y aulas de informática. Grupo de 4.º de ESO de 28 estudiantes, con un alumno TDAH, 12 con poca destreza matemática, cuatro con actitudes disruptivas y una estudiante INTARSE; grupo desmotivado hacia la teoría y con niveles muy dispares. Se pide un proyecto interdisciplinar partiendo del texto sobre metanol verde (biometanol y e-metanol), para trabajar los Bloques I («Destrezas científicas básicas») y III («El cambio»), con las materias de Física y Química, Biología y Geología y Digitalización (3 h semanales cada una), orientado a productos que impliquen a las demás áreas y conecten con los ODS 3, 7, 9 y 13.

Claves de una buena respuesta:

  • Interdisciplinariedad real, con reparto explícito: en Física y Química, la electrólisis del agua (práctica de laboratorio directamente conectada con el hidrógeno verde) y la estequiometría de la síntesis; en Biología y Geología, la biomasa y los ciclos del carbono; en Digitalización, el tratamiento de datos y la producción del material de difusión. Conviene fijar qué evalúa cada materia para que no sea un proyecto de una asignatura con adornos.
  • Aprovechar que hay laboratorio: es la diferencia con el supuesto 1, y el enunciado lo menciona a propósito. La electrólisis del agua con una fuente y electrodos de grafito es barata, visual y permite medir volúmenes en relación 2:1, conectando con el Bloque I.
  • Los 12 con poca destreza matemática condicionan el diseño: hay que graduar el cálculo (proporciones y factores de conversión antes que ecuaciones), usar hojas de cálculo para descargar la carga aritmética y priorizar la interpretación sobre la manipulación algebraica.
  • TDAH y conductas disruptivas: tareas segmentadas con hitos cortos y visibles, rol rotatorio con responsabilidad concreta, y refuerzo positivo frecuente. El trabajo experimental es un buen aliado motivacional, pero exige normas de laboratorio explícitas y pautadas.
  • ODS como marco evaluable, no decorativo: pedir que cada producto final justifique con qué ODS concreto se relaciona y con qué evidencia.

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