Disoluciones y Reacciones Químicas

Tipos de Reacciones

• Síntesis: Formación de un compuesto a partir de sus elementos o sustancias más sencillas.
• Descomposición: Una sustancia se divide en dos o más sustancias más simples.
• Sustitución: Un elemento desplaza a otro en un compuesto.
• Doble sustitución: Intercambio de elementos entre dos compuestos.
• Neutralización: Reacción entre un ácido y una base para formar sal y agua.
• Redox: Reacciones de transferencia de electrones (oxidación-reducción).
• Combustión: Reacción de una sustancia con oxígeno, desprendiendo calor y luz.

Problemas de Estequiometría y Disoluciones

Ejercicio 1: Reacción de Zinc con Ácido Clorhídrico

Se dispone de una muestra de 12 g de un zinc comercial impuro, que se hace reaccionar con una disolución de ácido clorhídrico de 1,18 g/ml de densidad y 35% de concentración en masa. Como productos de la reacción se obtienen cloruro de zinc e hidrógeno gas. Calcula:

• a) La concentración molar de la disolución de ácido clorhídrico.
• b) La pureza de la muestra de zinc sabiendo que, para reaccionar con ella, se necesitaron 30 cm³ de la disolución del ácido.

Ejercicio 2: Riqueza de una Muestra de Zinc

Para determinar la riqueza de una partida de zinc se tomaron 55,6 g de una muestra homogénea y se trataron con ácido clorhídrico del 37% en peso y densidad 1,18 g/ml, consumiéndose 126 ml de ácido. La reacción del zinc con ácido clorhídrico produce cloruro de zinc e hidrógeno. Suponiendo que el rendimiento de la reacción es del 90%, calcula:

• a) La molaridad de la disolución de ácido clorhídrico.
• b) El porcentaje de zinc en la muestra. (Datos: Cl: 35,5; H: 1; Zn: 65,4).

Ejercicio 3: Precipitación de Cloruro de Plata

Se hace reaccionar 600 ml de una disolución 2M de nitrato de plata, con 350 ml de otra disolución de cloruro de sodio con una concentración de 350 g/L, obteniéndose nitrato de sodio y cloruro de plata. Determina:

• a) Formula y ajusta la reacción.
• b) La masa en gramos que se obtendría de cloruro de plata.
• c) La cantidad en gramos de reactivo que quedaría sin reaccionar.
• d) Si se hubieran obtenido 150 g de cloruro de plata, ¿cuál sería el rendimiento de la reacción?

Ejercicio 4: Reacción de Óxido de Hierro (III)

Una muestra impura de óxido de hierro (III) sólido reacciona con un ácido clorhídrico comercial de densidad 1,19 g·cm^–3, que contiene el 35% en peso del ácido puro.

• a) Escribe y ajusta la reacción, si se obtiene cloruro de hierro (III) y agua.
• b) Calcula la pureza del óxido de hierro (III) si 5 gramos de este compuesto reaccionan exactamente con 10 cm³ del ácido.
• c) ¿Qué masa de cloruro de hierro (III) se obtendría si la reacción tuviera un rendimiento del 90%?

DATOS: Masas atómicas: Fe = 55,8; O = 16; H = 1; Cl = 35,5.

Ejercicio 5: Combustión de GLP (Propano y Butano)

Se denominan gases licuados del petróleo (GLP) a mezclas de propano (C₃H₈) y butano (C₄H₁₀) que pueden utilizarse como combustible. Cuando se quema 1 kg de una muestra de GLP en exceso de oxígeno, se desprenden 4,95×10⁴ kJ. Calcula:

• a) Las entalpías molares de combustión del propano y del butano.
• b) La cantidad (en g) de CO₂ emitida a la atmósfera en la combustión de 1 g de propano y 1 g de butano.
• c) Las cantidades (en moles) de propano y butano presentes en 1 kg de la muestra de GLP.

Ejercicio 6: Reacción de Carbonato de Magnesio

El carbonato de magnesio reacciona con el ácido clorhídrico para dar cloruro de magnesio, dióxido de carbono y agua. Se dispone de una muestra de 40,5 g de pureza 75% en carbonato de magnesio y una disolución de ácido clorhídrico de densidad 1,095 g/ml y 20% en masa.

• a) Escribe y ajusta la reacción.
• b) Calcula el volumen de la disolución de ácido clorhídrico necesario para que reaccione todo el carbonato de magnesio contenido en la muestra.
• c) Si en el proceso anterior se obtienen 7,4 L de dióxido de carbono a 0,95 atm y 27ºC, ¿cuál es el rendimiento del proceso?

Termoquímica

Conceptos y Tipos de Reacciones

• Endotérmicas: Necesitan calor para que se produzca la reacción. Q > 0.
• Exotérmicas: Desprenden o emiten calor al entorno. Q < 0.
• Entalpía de formación estándar (ΔH_fº): Variación de entalpía para la formación de 1 mol de una sustancia a partir de sus elementos en estado estándar (25ºC y 1 atm).
• Entalpía de enlace: Energía necesaria para romper un enlace químico entre dos átomos en estado gaseoso.
• Entalpía de combustión: Energía liberada al combustionar 1 mol de una sustancia.

Problemas de Termoquímica

Ejercicio 7: Variación de Entalpía del Propano

Calcular la variación de entalpía de la reacción: 3C (grafito) + 4H₂ (g) → C₃H₈ (g).

Datos: Entalpías de combustión: C₃H₈ (g) = -2220 kJ/mol; C (grafito) = -393,5 kJ/mol; H₂ (g) = -285,9 kJ/mol.

Ejercicio 8: Entalpía de Reacción

Calcular la entalpía de reacción de los siguientes procesos:

• a) 4 NH₃(g) + 5 O₂(g) → 4 NO(g) + 6 H₂O(g)
• b) CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g)

DATOS: Entalpías de formación (kJ/mol): H₂O(g): -241,8; CO₂(g): -393,5; CH₄(g): -74,0; NO(g): 90,4; NH₃(g): -46,2.

Ejercicio 9: Entalpía de Hidrogenación del Etileno

Calcula la entalpía de hidrogenación del etileno (C₂H₄) para formar etano (C₂H₆), según la reacción: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ a partir de las energías medias de enlace (kJ/mol):

• H–H: 436 | C=C: 610 | C–H: 415 | C–C: 347

Ejercicio 10: Descomposición de la Nitroglicerina

La nitroglicerina C₃H₅(NO₂)₃ se descompone según la reacción:
4 C₃H₅(NO₂)₃ (l) → 12 CO₂ (g) + 10 H₂O (g) + O₂ (g) + 6 N₂ (g); ΔHº = -5.700 kJ

• a) Calcular la entalpía de formación estándar de la nitroglicerina.
• b) ¿Qué energía se desprende cuando se descomponen 100 g de nitroglicerina?

DATOS: ΔH_fº (CO₂) = -394 kJ/mol; ΔH_fº (H₂O) = -242 kJ/mol; Masas: C=12, H=1, O=16, N=14.

Ejercicio 11: Combustión del Propano en Bombona

• a) Calcular la entalpía estándar de combustión del gas propano (C₃H₈).
• b) ¿Cuánto calor se produce en la combustión completa del propano contenido en una bombona de 75 litros a 10ºC y 15 atm?

DATOS: ΔH_fº H₂O (l) = -286 kJ; ΔH_fº CO₂ (g) = -394 kJ; ΔH_fº propano (g) = -104 kJ.

Ejercicio 12: Comparativa Metanol vs Octano

El metanol (CH₃OH) es un combustible más limpio que la gasolina (octano, C₈H₁₈).

• a) Calcule el calor de combustión por gramo para cada compuesto y justifique el uso mayoritario de la gasolina.
• b) Si se queman 100 kg de metanol, ¿cuántos litros de agua podrán convertirse en vapor desde 20ºC?

DATOS: ΔH_fº (kJ/mol): CO₂ = -393,5; H₂O (l) = -285,8; Metanol = -238,7; Octano = -269. Calor específico agua: 4,18 J/g·ºC; Calor latente vaporización: 40,7 kJ/mol.

Entropía y Espontaneidad

La entropía (S) mide el grado de desorden de un sistema. Se expresa en J/mol·K.

• Estados de agregación: Sólido (menor entropía) < Líquido < Gas (mayor entropía).
• Número de moles: A mayor número de moles de productos gaseosos respecto a reactivos, mayor es el aumento de entropía.

Energía Libre de Gibbs (G)

Determina la espontaneidad de una reacción: ΔG = ΔH – T·ΔS

• Si ΔG < 0: Reacción espontánea.
• Si ΔG > 0: Reacción no espontánea.
• Si ΔG = 0: Sistema en equilibrio.

Cinemática: Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)

Ejercicio 13: Encuentro de Coche y Motocicleta

Un coche y una motocicleta salen de dos puntos situados a 3,6 km en el mismo sentido. El coche viaja a 126 km/h y la moto a 90 km/h.

• a) Ecuaciones del movimiento de los dos vehículos.
• b) Punto en el que el coche alcanza a la motocicleta.
• c) Si el coche saliera 20 segundos antes, calcula la posición en la que el coche se sitúa 100 m por delante de la moto.

Ejercicio 14: Móviles en Sentidos Opuestos

Dos móviles A y B, separados 2 km, salen al encuentro. Si salen al mismo tiempo, se encuentran a los 200 s. Si A sale 10 s más tarde, se encuentran a 3,375 km del punto B. Calcula las velocidades de ambos móviles.

Ejercicio 15: Distancia de Separación

Dos móviles separados 250 m salen al encuentro a 3 m/s y 2 m/s respectivamente. Calcula:

• a) Ecuaciones del movimiento.
• b) Tiempo de encuentro y punto de encuentro.
• c) Instantes en los que están separados 15 m.
• d) Repetir si el primero sale 10 s más tarde o si van en el mismo sentido.

Ejercicio 16: Trenes Madrid-Aranjuez

Distancia Aranjuez-Madrid: 51 km. Se encuentran en Getafe (a 28 km de Aranjuez). La velocidad del tren de Madrid es 72 km/h. Calcula:

• a) Tiempo hasta el encuentro.
• b) Velocidad del tren de Aranjuez.
• c) Tiempo para separarse 10 km tras cruzarse.

Ejercicio 17: Velocidades Relativas

Dos móviles A y B están separados 30 km. Si van en el mismo sentido, se encuentran a 10 km de B. Si van en sentidos opuestos, tardan 40 segundos en encontrarse. Calcula sus velocidades.

Ejercicio 18: Cruce de Trenes

Tren 1 (150 m largo, 15 m/s) y Tren 2 (200 m largo, 10 m/s). Calcula el tiempo que tardan en cruzarse totalmente:

• a) Si viajan en sentidos opuestos.
• b) Si viajan en el mismo sentido.