Ejercicios

El ozono se descompone en oxígeno según la ecuación ${\text{2O}}_3(g)⟶{\text{3O}}_2(g).$ Escriba la ecuación que relaciona la expresión de velocidad de esta reacción en términos de la desaparición de O₃ y la formación de oxígeno.

Un estudio de la tasa de dimerización de C₄H₆ arrojó los datos que se muestran en la tabla:
${\text{2C}}_4{\text{H}}_6⟶{\text{C}}_8{\text{H}}_{12}$

(a) Determine la tasa media de dimerización entre 0 s y 1.600 s, y entre 1.600 s y 3.200 s.

(b) Estime la tasa instantánea de dimerización a los 3.200 s a partir de un gráfico del tiempo versus [C₄H₆]. ¿Cuáles son las unidades de esta tasa?

(c) Determine la tasa media de formación de C₈H₁₂ en 1.600 s y la tasa instantánea de formación en 3.200 s a partir de las tasas calculadas en las partes (a) y (b).

Considere la siguiente reacción en solución acuosa:
${\text{5Br}}^{\text{–}}(\mathit{\text{aq}})+{\text{BrO}}_3{}^{\text{–}}(\mathit{\text{aq}})+{\text{6H}}^{\text{+}}(\mathit{\text{aq}})⟶{\text{3Br}}_2(\mathit{\text{aq}})+{\text{3H}}_2\text{O(}l)$

Si la tasa de desaparición de Br^–(aq) en un tiempo determinado de la reacción es de 3,5 $\times$ 10⁻⁴ mol L⁻¹ s⁻¹, ¿cuál es la tasa de aparición de Br₂(aq) en ese tiempo?

Explique por qué un huevo se cuece más lentamente en agua hirviendo en Denver que en Nueva York. (Pista: Considere el efecto de la temperatura en la velocidad de reacción y el efecto de la presión en el punto de ebullición).

En la simulación interactiva velocidades y reacciones de PhET, utilice la pestaña "Muchas colisiones" (Many Collisions) para observar cómo interactúan múltiples átomos y moléculas en diferentes condiciones. Seleccione una molécula para bombear en la cámara. Establezca la temperatura inicial y seleccione las cantidades presentes de cada reactivo. Seleccione “Show bonds” (Mostrar enlaces) en Options (Opciones). ¿Cómo afecta la concentración y la temperatura a la velocidad de la reacción?

¿En qué se diferencian la velocidad de una reacción y su constante de velocidad?

Triplicar la concentración de un reactivo multiplica por nueve la velocidad de una reacción. Con estos conocimientos, responda las siguientes preguntas:

(a) ¿Cuál es el orden de la reacción con respecto a ese reactivo?

(b) El aumento de la concentración de un reactivo por cuatro aumenta la velocidad de una reacción cuatro veces. ¿Cuál es el orden de la reacción con respecto a ese reactivo?

¿Cómo afectará cada uno de los siguientes elementos a la velocidad de la reacción: $\text{CO(}g)+{\text{NO}}_2(g)⟶{\text{CO}}_2(g)+\text{NO(}g)$ si la ley de velocidad de la reacción es $\text{velocidad}=k\left[{\text{NO}}_2\right]\left[\text{CO}\right]$?

(a) Aumentando la presión del NO₂ de 0,1 atm a 0,3 atm.

(b) Aumentando la concentración de CO de 0,02 M a 0,06 M.

El fósforo radiactivo se utiliza en el estudio de los mecanismos de reacción bioquímica porque los átomos de fósforo son componentes de muchas moléculas bioquímicas. La ubicación del fósforo (y la ubicación de la molécula en la que está unido) puede detectarse a partir de los electrones (partículas beta) que produce:
${}_{\text{15}}^{\text{32}}\text{P}⟶{}_{16}^{32}\text{S}+{\text{e}}^{–}$
velocidad = 4,85 $\times$ 10⁻² ${\text{día}}^{–1}\left[{}^{32}\text{P}\right]$

¿Cuál es la tasa instantánea de producción de electrones en una muestra con una concentración de fósforo de 0,0033 M?

La descomposición del acetaldehído es una reacción de segundo orden con una constante de velocidad de 4,71 $\times$ 10⁻⁸ L mol⁻¹ s⁻¹. ¿Cuál es la tasa instantánea de descomposición del acetaldehído en una solución con una concentración de 5,55 $\times$ 10⁻⁴ M?

En determinadas condiciones, la descomposición del amoníaco en una superficie metálica arroja los siguientes datos:

Determine la ley de velocidad, la constante de velocidad y el orden global para esta reacción.

A partir de los siguientes datos, determine la ley de velocidad, la constante de velocidad y el orden con respecto a A para la reacción $A⟶2C.$

El hidrógeno reacciona con el monóxido de nitrógeno para formar monóxido de dinitrógeno (gas hilarante) según la ecuación: ${\text{H}}_2(g)+\text{2NO(}g)⟶{\text{N}}_2\text{O(}g)+{\text{H}}_2\text{O(}g)$

Determine la ley de velocidad, la constante de velocidad y los órdenes con respecto a cada reactivo a partir de los siguientes datos:

Para la reacción $Q⟶W+X,$ se obtuvieron los siguientes datos a 30 °C:

(a) ¿Cuál es el orden de la reacción con respecto a [Q] y cuál es la ley de velocidad?

(b) ¿Cuál es la constante de velocidad?

La producción anual de HNO₃ en 2013 fue de 60 millones de toneladas métricas. La mayor parte se preparó mediante la siguiente secuencia de reacciones, cada una de ellas ejecutada en un recipiente de reacción distinto.

(a) ${\text{4NH}}_3(g)+{\text{5O}}_2(g)⟶\text{4NO(}g)+{\text{6H}}_2\text{O(}g)$

(b) $\text{2NO(}g)+{\text{O}}_2(g)⟶{\text{2NO}}_2(g)$

(c) ${\text{3NO}}_2(g)+{\text{H}}_2\text{O(}l)⟶{\text{2HNO}}_3(aq)+\text{NO(}g)$

La primera reacción se lleva a cabo quemando amoníaco en aire sobre un catalizador de platino. Esta reacción es rápida. La reacción de la ecuación (c) también es rápida. La segunda reacción limita la velocidad a la que se puede preparar el ácido nítrico a partir del amoníaco. Si la ecuación (b) es de segundo orden en el NO y de primer orden en el O₂, ¿cuál es la velocidad de formación del NO₂ cuando la concentración de oxígeno es de 0,50 M y la de óxido nítrico es de 0,75 M? La constante de velocidad de la reacción es de 5,8 $\times$ 10⁻⁶ L² mol⁻² s⁻¹.

Describa cómo pueden utilizarse los métodos gráficos para determinar el orden de una reacción y su constante de velocidad a partir de una serie de datos que incluyen la concentración de A en tiempos variables.

A partir de los datos dados, utilice un método gráfico para determinar el orden y la constante de velocidad de la siguiente reacción:
$2X⟶Y+Z$

¿Cuál es la semivida del decaimiento de primer orden del carbono-14? $({}_6^{14}\text{C}⟶{}_7^{14}\text{N}+{\text{e}}^{–})$ La constante de velocidad de decaimiento es de 1,21 $\times$ 10⁻⁴ año⁻¹.

¿Cuál es la semivida para la descomposición del O₃ cuando la concentración de O₃ es de 2,35 $\times$ 10⁻⁶ M? La constante de velocidad para esta reacción de segundo orden es de 50,4 L mol⁻¹ h⁻¹.

La semivida de una reacción del compuesto A para producir los compuestos D y E es de 8,50 min cuando la concentración inicial de A es de 0,150 M. ¿Cuánto tiempo tardará la concentración en bajar a 0,0300 M si la reacción es (a) de primer orden con respecto a A o (b) de segundo orden con respecto a A?

Tanto el tecnecio-99 como el talio-201 se utilizan para obtener imágenes del músculo cardíaco en pacientes con sospecha de problemas cardíacos. Las semividas son de 6 h y 73 h, respectivamente. ¿Qué porcentaje de radiactividad quedaría para cada uno de los isótopos después de 2 días (48 h)?

El flúor-18 es un isótopo radiactivo que decae por emisión de positrones para formar oxígeno-18 con una semivida de 109,7 minutos. (Un positrón es una partícula con la masa de un electrón y una sola unidad de carga positiva; la ecuación es ${}_9^{18}\text{F}⟶{}_8^{18}\text{O}+{}_{\mathrm{+1}}^0\text{e})$ Los médicos utilizan el ¹⁸F para estudiar el cerebro inyectando una cantidad de glucosa sustituida con fluoro en la sangre de un paciente. La glucosa se acumula en las regiones en las que el cerebro está activo y necesita alimentarse.

(a) ¿Cuál es la constante de velocidad para la descomposición del flúor-18?

(b) Si se inyecta en la sangre una muestra de glucosa que contiene flúor-18 radiactivo, ¿qué porcentaje de la radiactividad permanecerá después de 5,59 h?

(c) ¿Cuánto tiempo tarda en decaer el 99,99% del ¹⁸F?

Recientemente se encontró el esqueleto del rey Ricardo III bajo un estacionamiento en Inglaterra. Si las muestras de tejido del esqueleto contienen aproximadamente el 93,79% del carbono-14 esperado en el tejido vivo, ¿en qué año murió el rey Ricardo III? La semivida del carbono-14 es de 5730 años.

Durante los últimos 10 años, el hidrocarburo insaturado 1,3-butadieno $({\text{CH}}_{\text{2}}=\text{CH}–\text{CH}={\text{CH}}_2)$ ocupa el puesto 38 entre los 50 principales productos químicos industriales. Se utiliza principalmente para la fabricación de caucho sintético. También existe un isómero como el ciclobuteno:

La isomerización del ciclobuteno en butadieno es de primer orden y la constante de velocidad se ha medido como 2,0 $\times$ 10⁻⁴ s⁻¹ a 150 °C en un matraz de 0,53 L. Determine la presión parcial del ciclobuteno y su concentración después de 30,0 minutos si se lleva a cabo una reacción de isomerización a 150 °C con una presión inicial de 55 torr.

Cuando cada colisión entre reactivos da lugar a una reacción, ¿qué determina la velocidad a la que se produce la reacción?

Explique la relación entre la velocidad de una reacción y su energía de activación.

¿Cómo afecta el aumento de la temperatura a la velocidad de reacción? Explique este efecto en términos de la teoría de colisiones de la velocidad de reacción.

En un experimento, una muestra de NaClO₃ se descompuso en un 90 % en 48 min, ¿cuánto tiempo habría tardado aproximadamente esta descomposición si la muestra se hubiera calentado 20 °C más? (Pista: Supongamos que la velocidad se duplica por cada 10 °C de aumento de la temperatura).

La constante de velocidad para la descomposición del acetaldehído, CH₃CHO, en metano, CH₄, y monóxido de carbono, CO, en la fase gaseosa es de 1,1 $\times$ 10⁻² L mol⁻¹ s⁻¹ a 703 K y 4,95 L mol⁻¹ s⁻¹ a 865 K. Determine la energía de activación para esta descomposición.

En términos de la teoría de colisiones, ¿con cuál de los siguientes elementos es proporcional la velocidad de una reacción química?

(a) el cambio de energía libre por segundo

(b) el cambio de temperatura por segundo

(c) el número de colisiones por segundo

(d) el número de moléculas del producto

El elemento Co existe en dos estados de oxidación, Co(II) y Co(III), y los iones forman muchos complejos. Se midió la velocidad de reducción de uno de los complejos de Co(III) por Fe(II) en agua. Determine la energía de activación de la reacción a partir de los siguientes datos:

Utilice la simulación interactiva de velocidades y reacciones de PhET para simular un sistema. En la pestaña “Single collision” (Colisión única) de la aplicación de simulación, active “Energy view” (Vista de energía) presionando el ícono "+". Seleccione la primera reacción $A+BC⟶AB+C$ (A es amarillo, B es púrpura y C es azul marino). Utilizando la opción por defecto "tiro recto" (straight shot), pruebe lanzar el átomo A con distintas cantidades de energía. ¿Qué cambia cuando la línea de Energía Total en el lanzamiento está por debajo del estado de transición de la línea de Energía Potencial? ¿Por qué? ¿Qué ocurre cuando está por encima del estado de transición? ¿Por qué?

¿Por qué las reacciones elementales en las que intervienen tres o más reactivos son muy poco frecuentes?

Defina estos términos:

(a) reacción unimolecular

(b) reacción bimolecular

(c) reacción elemental

(d) reacción global

Dadas las siguientes reacciones y las correspondientes leyes de velocidad, ¿en cuál de ellas la reacción elemental y la reacción global pueden ser iguales?

$\begin{array}{ll}\text{(a)}& {\text{Cl}}_2+\text{CO}⟶{\text{Cl}}_2\text{CO}\\ & \text{velocidad}=k{\left[{\text{Cl}}_2\right]}^{\text{3/2}}\left[\text{CO}\right]\end{array}$

$\begin{array}{ll}\text{(b)}& {\text{PCl}}_3+{\text{Cl}}_2⟶{\text{PCl}}_5\\ & \text{velocidad}=k\left[{\text{PCl}}_3\right]\left[{\text{Cl}}_2\right]\end{array}$

$\begin{array}{ll}\text{(c)}& 2\text{NO}+{\text{H}}_2⟶{\text{N}}_2+{\text{H}}_2{\text{O}}_2\\ & \text{velocidad}=k\left[\text{NO}\right]\left[{\text{H}}_2\right]\end{array}$

$\begin{array}{ll}\text{(d)}& 2\text{NO}+{\text{O}}_2⟶2{\text{NO}}_2\\ & \text{velocidad}=k{\text{[NO]}}^2\left[{\text{O}}_2\right]\end{array}$

$\begin{array}{ll}\text{(e)}& \text{NO}+{\text{O}}_3⟶{\text{NO}}_2+{\text{O}}_2\\ & \text{velocidad}=k\left[\text{NO}\right]\left[{\text{O}}_3\right]\end{array}$

El monóxido de nitrógeno, NO, reacciona con el hidrógeno, H₂, según la siguiente ecuación:
$2\text{NO}+2{\text{H}}_2⟶{\text{N}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}$

Escriba la ley de velocidad si el mecanismo de esta reacción fuera:
$\begin{array}{l}2\text{NO}+{\text{H}}_2⟶{\text{N}}_2+{\text{H}}_2{\text{O}}_2\left(\text{lento}\right)\\ {\text{H}}_2{\text{O}}_2+{\text{H}}_2⟶2{\text{H}}_2\text{O}\left(\text{rápido}\right)\end{array}$

La reacción del CO con el Cl₂ produce fosgeno (COCl₂), un gas nervioso que se utilizó en la Primera Guerra Mundial. Utilice el mecanismo que aquí se muestra para completar los siguientes ejercicios:
${\text{Cl}}_2(g)\rightleftharpoons 2\text{Cl}(g)$ (rápido, k₁ representa la constante de velocidad directa, k₋₁ la constante de velocidad inversa)
$\text{CO}(g)+\text{Cl}(g)⟶\text{COCl}(g)$ (lento, k₂ es la constante de velocidad)
$\text{COCl}(g)+\text{Cl}(g)⟶{\text{COCl}}_2(g)$ (rápido, k₃ es la constante de velocidad)

(a) Escriba la reacción global.

(b) Identifique todos los intermedios.

(c) Escriba la ley de velocidad para cada reacción elemental.

(d) Escriba la expresión de la ley de velocidad global.

Compare las funciones de los catalizadores homogéneos y heterogéneos.

El nitrógeno y el oxígeno reaccionan a altas temperaturas. ¿Qué ocurrirá con las concentraciones de N₂, O₂ y NO en el equilibrio si se añade un catalizador?

Para cada uno de los siguientes pares de diagramas de reacción, identifique cuál de los pares es catalizado:

(a)

(b)

Para cada uno de los siguientes diagramas de reacción, estime la energía de activación (E_a) de la reacción:

(a)

(b)

Suponiendo que los diagramas del Ejercicio 17.83 representen diferentes mecanismos para la misma reacción, ¿cuál de las reacciones tiene la velocidad más rápida?