QuímicaFácil2,5 pts

Termoquímica y entalpías de reacción

También trata: Cinética química

Cataluña · 2020 · Septiembre

Enunciado

En la fabricación del ácido nítrico a partir del amoniaco, en primer lugar hay que oxidar catalíticamente este compuesto según la reacción siguiente:

4\,\text{NH}_3(g) + 5\,\text{O}_2(g) \rightleftharpoons 4\,\text{NO}(g) + 6\,\text{H}_2\text{O}(g) \qquad \Delta S^\circ\ (\text{a } 25\ ^\circ\text{C}) = 180{,}5\ \text{J}\cdot\text{K}^{-1}

El proceso industrial seguido, que permite obtener valores altos de rendimiento y de velocidad de reacción, consiste en mezclar amoniaco vaporizado y filtrado con una corriente de aire filtrado y comprimido. Posteriormente, la mezcla amoniaco-aire se pone en contacto con una malla que contiene platino y rodio que se encuentra a

900\ ^\circ\text{C}

de temperatura, donde se produce la reacción química.

a) (1,25 puntos) Calcule la variación de entalpía estándar de la reacción a

25\ ^\circ\text{C}

. Justifique si la espontaneidad de esta reacción depende o no de la temperatura.

b) (1,25 puntos) Diga con qué unidades se expresa la velocidad de reacción y justifique la respuesta. Explique cuál es la función de la malla de platino y rodio en la reacción anterior y razone si la malla modifica el valor de la entalpía estándar de la reacción.

Datos: Entalpías estándar de formación a

25\ ^\circ\text{C}

\Delta H_f^\circ(\text{H}_2\text{O}, g) = -241{,}8\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

;

\Delta H_f^\circ(\text{NH}_3, g) = -46{,}1\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

;

\Delta H_f^\circ(\text{NO}, g) = +90{,}3\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

.

Nota: Suponga que la entalpía y la entropía estándar de la reacción no varían con la temperatura.

Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido

Resultado

\boxed{\Delta H^\circ = -905{,}2\ \text{kJ}}

. Como

\Delta H^\circ < 0

\Delta S^\circ > 0

\Delta G^\circ < 0

a cualquier temperatura: la espontaneidad no depende de la temperatura.

b)

v = \Delta c/\Delta t

, en

\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}

. La malla de Pt y Rh es un catalizador: aumenta la velocidad de reacción y no modifica

\Delta H^\circ

Ver la solución oficialla corrección de la PAU, con los puntos de cada paso

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a) Calcular la variación de entalpía estándar de la reacción

4\,\text{NH}_3(g) + 5\,\text{O}_2(g) \rightleftharpoons 4\,\text{NO}(g) + 6\,\text{H}_2\text{O}(g)

0,25 p. Relacionamos la entalpía de la reacción con la entalpía de formación de reactivos y productos:

\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = \left(\sum n_p\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{productos}}\right) - \left(\sum n_r\,\Delta H^\circ_{f,\ \text{reactivos}}\right)

0,4 p.

\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = [4\times\Delta H^\circ_f(\text{NO}) + 6\times\Delta H^\circ_f(\text{H}_2\text{O})] - [4\times\Delta H^\circ_f(\text{NH}_3)]

\Delta H^\circ_{\text{reacción}} = [(4\times 90{,}3) + (6\times(-241{,}8))] - [4\times(-46{,}1)]

\Rightarrow\quad \Delta H^\circ_{\text{reacción}} = -905{,}2\ \text{kJ}\quad (\text{o } -905{,}2\ \text{kJ/mol})

Justificar si la espontaneidad de esta reacción depende o no de la temperatura

0,25 p. La espontaneidad, a

p

T

constantes, depende de la energía libre de la reacción,

\Delta G^\circ

\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\,\Delta S^\circ

0,1 p. Si

\Delta G^\circ < 0 \;\Rightarrow\;

la reacción es espontánea.

Datos de la reacción:

$\Delta H^\circ_{\text{reacción}} < 0$ ( $-905{,}2\ \text{kJ}$ )
$\Delta S^\circ_{\text{reacción}} > 0$ ( $180{,}5\ \text{J/K}$ )

Para calcular

\Delta G^\circ

1.er término: $\Delta H^\circ_{\text{reacción}}$ es negativo.
2.º término: $-T\,\Delta S^\circ$ también es siempre negativo, ya que $T > 0$ (en kelvin) y $\Delta S^\circ_{\text{reacción}} > 0$ .

\Rightarrow

para cualquier temperatura tenemos:

\Delta G^\circ < 0

0,25 p.

\Rightarrow

la espontaneidad de esta reacción no depende de la temperatura

b) Justificar con qué unidades se expresa la velocidad de reacción

0,5 p. La velocidad de una reacción nos indica la variación de la concentración de un reactivo o producto cuando varía el tiempo.

Por tanto, tendrá unidades de concentración dividida por tiempo:

v = \Delta c/\Delta t

\Rightarrow

Unidad de la velocidad de reacción

\;\Rightarrow\;

\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}

Explicar cuál es la función de la malla de platino y rodio en la reacción

0,5 p. El enunciado nos dice que hay que oxidar catalíticamente el amoniaco según la reacción:

4\,\text{NH}_3(g) + 5\,\text{O}_2(g) \rightleftharpoons 4\,\text{NO}(g) + 6\,\text{H}_2\text{O}(g)

La malla de platino y rodio tiene la función de catalizador:

\Rightarrow

aumentar la velocidad de la reacción.

Razonar si la malla modifica la variación de entalpía estándar de la reacción

0,25 p. Los catalizadores inciden solo en la cinética de una reacción química (velocidad); no modifican el equilibrio químico, ni las magnitudes termodinámicas (por ejemplo,