Ejercicios

Prepare una tabla que identifique varias transiciones energéticas que tienen lugar durante el funcionamiento típico de un automóvil.

Calcule la capacidad calorífica, en julios y en calorías por grado, de lo siguiente:

(a) 28,4 g de agua

(b) 1,00 onzas de plomo

¿Cuánto calor, en julios y en calorías, debe añadirse a un bloque de hierro de 75,0 g con un calor específico de 0,449 J/g °C para aumentar su temperatura de 25 °C a su temperatura de fusión de 1535 °C?

¿Cuánto aumentaría la temperatura de 275 g de agua si se añadieran 36,5 kJ de calor?

Un trozo de sustancia desconocida pesa 44,7 g y necesita 2110 J para aumentar su temperatura de 23,2 °C a 89,6 °C.

(a) ¿Cuál es el calor específico de la sustancia?

(b) Si es una de las sustancias que se encuentran en la Tabla 9.1, ¿cuál es su identidad probable?

Una tetera de aluminio pesa 1,05 kg.

(a) ¿Cuál es la capacidad calorífica de la tetera?

(b) ¿Cuánto calor se necesita para aumentar la temperatura de esta tetera de 23,0 °C a 99,0 °C?

(c) ¿Cuánto calor se necesita para calentar esta tetera de 23,0 °C a 99,0 °C si contiene 1,25 L de agua (densidad de 0,997 g/mL y un calor específico de 4,184 J/g °C)?

Una botella de 500 ml de agua a temperatura ambiente y una botella de 2 litros de agua a la misma temperatura se colocaron en un refrigerador. Después de 30 minutos, la botella de 500 ml de agua se había enfriado a la temperatura del refrigerador. Una hora después, los 2 litros de agua se habían enfriado a la misma temperatura. Cuando se le preguntó qué muestra de agua perdía más calor, un estudiante respondió que ambas botellas perdían la misma cantidad de calor porque empezaban a la misma temperatura y terminaban a la misma temperatura. Un segundo estudiante pensó que la botella de 2 litros de agua perdía más calor porque había más agua. Un tercer estudiante creía que la botella de 500 ml de agua perdía más calor porque se enfriaba más rápidamente. Un cuarto estudiante pensó que no era posible saberlo porque no conocemos la temperatura inicial y la temperatura final del agua. Indique cuál de estas respuestas es correcta y describa el error en cada una de las otras respuestas.

¿La cantidad de calor absorbida por la disolución en el Ejemplo 9.6 sería mayor, menor o se mantendría igual si el experimentador utilizara un calorímetro que fuera de un aislante más pobre que un calorímetro de taza de café? Explique su respuesta.

¿Cuántos mililitros de agua a 23 °C con una densidad de 1,00 g/mL deben mezclarse con 180 mL (unas 6 onzas) de café a 95 °C para que la combinación resultante tenga una temperatura de 60 °C? Supongamos que el café y el agua tienen la misma densidad y el mismo calor específico.

Una cuchara de aluminio de 45 g (calor específico 0,88 J/g °C) a 24 °C se introduce en 180 mL (180 g) de café a 85 °C y la temperatura de ambos se iguala.

(a) ¿Cuál es la temperatura final cuando ambas se igualan? Supongamos que el café tiene el mismo calor específico que el agua.

(b) La primera vez que una alumna resolvió este problema obtuvo una respuesta de 88 °C. Explique por qué es una respuesta claramente incorrecta.

Un trozo de metal de 70,0 g a 80,0 °C se coloca en 100 g de agua a 22,0 °C contenida en un calorímetro como el que se muestra en la Figura 9.12. El metal y el agua alcanzan la misma temperatura a 24,6 °C. ¿Cuánto calor ha transferido el metal al agua? ¿Cuál es el calor específico del metal?

Se añade una muestra de 0,500 g de KCl a 50,0 g de agua en un calorímetro (Figura 9.12). Si la temperatura disminuye en 1,05 °C, ¿cuál es la cantidad aproximada de calor que interviene en la disolución del KCl, suponiendo que el calor específico de la solución resultante es de 4,18 J/g °C? ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?

Cuando se añaden 50,0 g de 0,200 M de NaCl(aq) a 24,1 °C a 100,0 g de 0,100 M de AgNO₃(aq) a 24,1 °C en un calorímetro, la temperatura aumenta a 25,2 °C al formarse AgCl(s). Suponiendo que el calor específico de la solución y los productos es de 4,20 J/g °C, calcule la cantidad aproximada producida de calor en julios.

La reacción de 50 mL de ácido y 50 mL de base descrita en el Ejemplo 9.5 aumentó la temperatura de la solución en 6,9 ºC. ¿Cuánto habría aumentado la temperatura si se hubieran utilizado 100 mL de ácido y 100 mL de base en el mismo calorímetro partiendo de la misma temperatura de 22,0 ºC? Explique su respuesta.

Cuando 1,0 g de fructosa, C₆H₁₂O₆(s), un azúcar que se encuentra comúnmente en las frutas, se quema en oxígeno en un calorímetro de bomba, la temperatura del calorímetro aumenta en 1,58 °C. Si la capacidad calorífica del calorímetro y su contenido es de 9,90 kJ/°C, ¿cuál es el q para esta combustión?

Uno de los métodos de generación de electricidad consiste en quemar carbón para calentar agua, lo que produce vapor que impulsa un generador eléctrico. Para determinar el ritmo de alimentación del carbón en el quemador de este tipo de instalaciones, hay que determinar el calor de combustión por tonelada de carbón con un calorímetro de bomba. Cuando se quema 1,00 g de carbón en un calorímetro de bomba (Figura 9.17), la temperatura aumenta en 1,48 °C. Si la capacidad calorífica del calorímetro es de 21,6 kJ/°C, determine el calor producido por la combustión de una tonelada de carbón (2,000 $\times$ 10³ libras).

Una cucharadita del carbohidrato sacarosa (azúcar común) contiene 16 calorías (16 kcal). ¿Cuál es la masa de una cucharadita de sacarosa si la media de calorías de los carbohidratos es de 4,1 Calorías/g?

Una pinta de helado premium puede contener 1100 Calorías. ¿Qué masa de grasa, en gramos y libras, debe producirse en el cuerpo para almacenar un 1,1 $\times$ 10³ extra de Calorías si la media de Calorías de la grasa es 9,1 Calorías/g?

¿Cuál es la fuente de energía menos cara en kilojulios por dólar: una caja de cereales para el desayuno que pesa 32 onzas y cuesta 4,23 dólares o un litro de isooctano (densidad, 0,6919 g/mL) que cuesta 0,45 dólares? Compare el valor nutricional del cereal con el calor producido por la combustión del isooctano en condiciones estándar. Una porción de 1,0 onzas de este cereal aporta 130 Calorías.

Utilizando los datos de la sección "Compruebe sus conocimientos" del Ejemplo 9.5, calcule ΔH en kJ/mol de AgNO₃(aq) para la reacción: $\text{NaCl}(aq)+{\text{AgNO}}_3(aq)⟶\text{AgCl}(s)+{\text{NaNO}}_3(aq)$

Calcule el ΔH para la reacción descrita por la ecuación. (Pista: Utilice el valor de la cantidad aproximada de calor absorbido por la reacción que calculó en un ejercicio anterior.)
$\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2\text{·}8{\text{H}}_2\text{O}(s)+2{\text{NH}}_4\text{SCN}(aq)⟶\text{Ba}{(\text{SCN})}_2(aq)+2{\text{NH}}_3(aq)+10{\text{H}}_2\text{O}\left(l\right)$

Aunque el gas utilizado en un soplete oxiacetilénico (Figura 9.7) es esencialmente acetileno puro, el calor producido por la combustión de un mol de acetileno en dicho soplete probablemente no sea igual a la entalpía de combustión del acetileno que aparece en la Tabla 9.2. Teniendo en cuenta las condiciones para las que se presentan los datos tabulados, sugiera una explicación.

¿Cuánto calor se produce en la combustión de 125 g de metanol en condiciones de estado estándar?

¿Qué masa de monóxido de carbono debe quemarse para producir 175 kJ de calor en condiciones de estado estándar?

¿Cuánto calor se produce al mezclar 100 mL de 0,250 M de HCl (densidad, 1,00 g/mL) y 200 mL de 0,150 M de NaOH (densidad, 1,00 g/mL)?
$\text{HCl}\left(aq\right)+\text{NaOH}\left(aq\right)⟶\text{NaCl}\left(aq\right)+{\text{H}}_2\text{O}\left(l\right)\text{Δ}H\text{°}=-58\text{kJ}$

Si ambas soluciones están a la misma temperatura y el calor específico de los productos es de 4,19 J/g °C, ¿cuánto aumentará la temperatura? ¿Qué suposición ha hecho en su cálculo?

Antes de la introducción de los clorofluorocarbonos, el dióxido de azufre (entalpía de vaporización, 6,00 kcal/mol) se utilizaba en los refrigeradores domésticos. ¿Qué masa de SO₂ debe evaporarse para eliminar tanto calor como la evaporación de 1,00 kg de CCl₂F₂ (la entalpía de vaporización es de 17,4 kJ/mol)?

Las reacciones de vaporización para el SO₂ y el CCl₂F₂ son ${\text{SO}}_2(l)⟶{\text{SO}}_2(g)$ y ${\text{CCl}}_2\text{F}\left(l\right)⟶{\text{CCl}}_2{\text{F}}_2(g),$ respectivamente.

¿Cuáles de las entalpías de combustión que aparecen en la Tabla 9.2 son también entalpías de formación estándar?

Joseph Priestly preparó oxígeno en 1774 calentando óxido de mercurio(II) rojo con luz solar enfocada a través de una lente. ¿Cuánto calor se necesita para descomponer exactamente 1 mol de HgO(s) rojo en Hg(l) y O₂(g) en condiciones estándar?

¿Cuántos kilojulios de calor se liberarán cuando se queme exactamente 1 mol de hierro, Fe, para formar Fe₂O₃(s) en condiciones de estado estándar?

Tanto el grafito como el diamante pueden quemarse.
$\text{C}\left(s,\text{diamante}\right)+{\text{O}}_2(g)⟶{\text{CO}}_2(g)$

Para la conversión de grafito en diamante:
$\text{C}\left(s,\text{grafito}\right)⟶\text{C}\left(s,\text{diamante}\right)\text{Δ}H\text{°}=\mathrm{1,90}\text{kJ}$

¿Qué produce más calor, la combustión del grafito o la del diamante?

¿Qué produce más calor?
$\text{Os}\left(s\right)⟶2{\text{O}}_2(g)⟶{\text{OsO}}_4(s)$
o
$\text{Os}\left(s\right)⟶2{\text{O}}_2(g)⟶{\text{OsO}}_4(g)$

para el cambio de fase ${\text{OsO}}_4(s)⟶{\text{OsO}}_4(g)\text{Δ}\text{H}=\mathrm{56,4}\text{kJ}$

Calcule $\text{Δ}H\text{°}$ para el proceso $\text{Zn}\left(s\right)+\text{S}\left(s\right)+2{\text{O}}_2(g)⟶{\text{ZnSO}}_4(s)$

a partir de la siguiente información:
$\begin{array}{l}\text{Zn}(s)+\text{S}(s)⟶\text{ZnS}(s)\text{Δ}H\text{°}=\mathrm{-206,0}\text{kJ}\\ \text{ZnS}(s)+{\text{2O}}_2(g)⟶{\text{ZnSO}}_4(s)\text{Δ}H\text{°}=\mathrm{-776,8}\text{kJ}\end{array}$

Calcule $\text{Δ}H\text{°}$ para el proceso ${\text{Co}}_3{\text{O}}_4(s)⟶3\text{Co}\left(s\right)+2{\text{O}}_2(g)$

a partir de la siguiente información:
$\begin{array}{}\\ \text{Co}(s)+\frac{1}{2}{\text{O}}_2(g)⟶\text{CoO}(s)\text{Δ}H\text{°}=\mathrm{-237,9}\text{kJ}\\ \text{3CoO}(s)+\frac{1}{2}{\text{O}}_2(g)⟶{\text{Co}}_3{\text{O}}_4(s)\text{Δ}H\text{°}=\mathrm{-177,5}\text{kJ}\end{array}$

Utilizando los datos del Apéndice G, calcule el cambio de entalpía estándar para cada una de las siguientes reacciones:

(a) ${\text{N}}_2(g)+{\text{O}}_2(g)⟶2\text{NO}\left(g\right)$

(b) $\text{Si}\left(s\right)+2{\text{Cl}}_2(g)⟶{\text{SiCl}}_4(g)$

(c) ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3\left(s\right)+3{\text{H}}_2(g)⟶2\text{Fe}\left(s\right)+3{\text{H}}_2\text{O}\left(l\right)$

(d) $2\text{LiOH}(s)+{\text{CO}}_2(g)⟶{\text{Li}}_2{\text{CO}}_3(s)+{\text{H}}_2\text{O}(g)$

Las siguientes reacciones pueden utilizarse para preparar muestras de metales. Determine el cambio de entalpía en condiciones de estado estándar para cada uno.

(a) $2{\text{Ag}}_2\text{O}\left(s\right)⟶4\text{Ag}\left(s\right)+{\text{O}}_2(g)$

(b) $\text{SnO}\left(s\right)+\text{CO}\left(g\right)⟶\text{Sn}\left(s\right)+{\text{CO}}_2(g)$

(c) ${\text{Cr}}_2{\text{O}}_3(s)+3{\text{H}}_2(g)⟶2\text{Cr}\left(s\right)+3{\text{H}}_2\text{O}\left(l\right)$

(d) $2\text{Al}\left(s\right)+{\text{Fe}}_2{\text{O}}_3(s)⟶{\text{Al}}_2{\text{O}}_3(s)+2\text{Fe}\left(s\right)$

Calcule la entalpía de combustión del propano, C₃H₈(g), para la formación de H₂O(g) y CO₂(g). La entalpía de formación del propano es de −104 kJ/mol.

Tanto el propano como el butano se utilizan como combustibles gaseosos. ¿Qué compuesto produce más calor por gramo cuando se quema?

El gas de agua, una mezcla de H₂ y CO, es un importante combustible industrial producido por la reacción del vapor con el coque al rojo vivo, esencialmente carbono puro: $\text{C}\left(s\right)+{\text{H}}_2\text{O}\left(g\right)⟶\text{CO}\left(g\right)+{\text{H}}_2(g).$

(a) Suponiendo que el coque tiene la misma entalpía de formación que el grafito, calcule el $\text{Δ}H\text{°}$ para esta reacción.

(b) El metanol, un combustible líquido que podría sustituir a la gasolina, puede prepararse a partir de gas de agua e hidrógeno adicional a alta temperatura y presión en presencia de un catalizador adecuado: $2{\text{H}}_2(g)+\text{CO}(g)⟶{\text{CH}}_3\text{OH}(g).$

En las condiciones de la reacción, el metanol se forma como gas. Calcule $\text{Δ}H\text{°}$ para esta reacción y para la condensación del metanol gaseoso en metanol líquido.

(c) Calcule el calor de combustión de 1 mol de metanol líquido en H₂O(g) y CO₂(g).

A partir de los datos de la Tabla 9.2, determine cuál de los siguientes combustibles produce la mayor cantidad de calor por gramo cuando se quema en condiciones estándar: CO(g), CH₄(g), o C₂H₂(g).

El etanol, C₂H₅OH, se utiliza como combustible para automóviles de motor, especialmente en Brasil.

(a) Escriba la ecuación balanceada para la combustión del etanol a CO₂(g) y H₂O(g) y, utilizando los datos del Apéndice G, calcule la entalpía de combustión de 1 mol de etanol.

(b) La densidad del etanol es de 0,7893 g/mL. Calcule la entalpía de combustión de exactamente 1 L de etanol.

(c) Suponiendo que el kilometraje de un automóvil es directamente proporcional al calor de combustión del combustible, calcule la distancia que se puede esperar que recorra un automóvil con 1 L de gasolina que con 1 L de etanol. Supongamos que la gasolina tiene el calor de combustión y la densidad del n-octano, C₈H₁₈ $(\text{Δ}{H}_{\text{f}}^{°}=\mathrm{-208,4}\text{kJ/mol;}$ densidad = 0,7025 g/mL).

¿Cuánto calor se produce cuando 1,25 g de cromo metálico reacciona con oxígeno gaseoso en condiciones estándar?

La oxidación del azúcar glucosa, C₆H₁₂O₆, se describe mediante la siguiente ecuación:
${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6(s)+6{\text{O}}_2(g)⟶6{\text{CO}}_2(g)+6{\text{H}}_2\text{O}\left(l\right)\text{Δ}\text{H}=-2816\text{kJ}$

El metabolismo de la glucosa da los mismos productos, aunque reacciona con el oxígeno en una serie de pasos en el organismo.

(a) ¿Cuánto calor en kilojulios puede producir el metabolismo de 1,0 g de glucosa?

(b) ¿Cuántas Calorías puede producir el metabolismo de 1,0 g de glucosa?

Durante un reciente mes de invierno en Sheboygan, Wisconsin, fue necesario obtener 3.500 kWh de calor proporcionados por un horno de gas natural con una eficiencia del 89% para mantener caliente una pequeña casa (la eficiencia de un horno de gas es el porcentaje del calor producido por la combustión que se transfiere a la casa).

(a) Suponga que el gas natural es metano puro y determine el volumen de gas natural en pies cúbicos que fue necesario para calentar la casa. La temperatura media del gas natural era de 56 °F; a esta temperatura y a una presión de 1 atm, el gas natural tiene una densidad de 0,681 g/L.

(b) ¿Cuántos litros de GLP (gas licuado de petróleo) serían necesarios para sustituir el gas natural utilizado? Supongamos que el GLP es propano líquido [C₃H₈: densidad, 0,5318 g/mL; entalpía de combustión, 2219 kJ/mol para la formación de CO₂(g) y H₂O(l)] y que el horno utilizado para quemar el GLP tiene el mismo rendimiento que el horno de gas.

(c) ¿Qué masa de dióxido de carbono se produce por la combustión del metano utilizado para calentar la casa?

(d) ¿Qué masa de agua se produce por la combustión del metano utilizado para calentar la casa?

(e) ¿Qué volumen de aire se necesita para proporcionar el oxígeno para la combustión del metano utilizado para calentar la casa? El aire contiene un 23% de oxígeno en masa. La densidad media del aire durante el mes fue de 1,22 g/L.

(f) ¿Cuántos kilovatios-hora (1 kWh = 3,6 $\times$ 10⁶ J) de electricidad se necesitarían para proporcionar el calor necesario para calentar la casa? Tenga en cuenta que la electricidad es 100% eficiente en la producción de calor dentro de una casa.

(g) Aunque la electricidad es 100% eficiente en la producción de calor dentro de una casa, la producción y distribución de electricidad no es 100% eficiente. La eficiencia de la producción y distribución de la electricidad producida en una central eléctrica de carbón es de aproximadamente el 40%. Un determinado tipo de carbón proporciona 2,26 kWh por libra en su combustión. ¿Qué masa de este carbón, en kilogramos, se necesitará para producir la energía eléctrica necesaria para calentar la casa si la eficiencia de generación y distribución es del 40%?

¿Qué enlace de cada uno de los siguientes pares de enlaces es el más fuerte?

(a) C–C o $\text{C}=\text{C}$

(b) C–N o $\text{C}\equiv \text{N}$

(c)$\text{C}\equiv \text{O}$ o $\text{C}=\text{O}$

(d) H–F o H–Cl

(e) C–H o O–H

(f) C–N o C–O

Utilizando las energías de enlace en la Tabla 9.3, determine el cambio de entalpía aproximado en cada una de las siguientes reacciones:

(a) ${\text{Cl}}_2(g)+3{\text{F}}_2(g)⟶2{\text{ClF}}_3(g)$

(b) ${\text{H}}_2\text{C}={\text{CH}}_2(g)+{\text{H}}_2(g)⟶{\text{H}}_3{\text{CCH}}_3(g)$

(c) $2{\text{C}}_2{\text{H}}_6(g)+7{\text{O}}_2(g)⟶4{\text{CO}}_2(g)+6{\text{H}}_2\text{O}\left(g\right)$

Dibuje una curva que describa la energía de un sistema con átomos de H y Cl a distancias distintas. A continuación, halle la energía mínima de esta curva de dos maneras.

(a) Utilice la energía de enlace encontrada en la Tabla 9.3 y la Tabla 9.4 para calcular la energía de un solo enlace de HCl (Pista: ¿Cuántos enlaces hay en un mol?)

(b) Utilice la entalpía de reacción y las energías de enlace del H₂ y del Cl₂ para resolver la energía de enlace de un mol de HCl.

¿En qué se diferencia la energía de enlace del HCl(g) de la entalpía estándar de formación del HCl(g)?

Utilizando los datos de entalpía estándar de formación del Apéndice G, calcule la energía de enlace del doble enlace carbono-azufre en el CS₂.

Utilizando los datos de entalpía estándar de formación del Apéndice G, determine qué enlace es más fuerte: ¿el enlace P-Cl en PCl₃(g) o en PCl₅(g)?

Utilice la energía de enlace para calcular un valor aproximado de ΔH en la siguiente reacción. ¿Cuál es la forma más estable del FNO₂?

La energía de red del LiF es de 1023 kJ/mol, y la distancia Li-F es de 200,8 pm. El NaF cristaliza en la misma estructura que el LiF pero con una distancia Na-F de 231 pm. ¿Cuál de los siguientes valores se aproxima más a la energía de red del NaF? 510, 890, 1023, 1175 o 4090 kJ/mol? Explique su elección.

La reacción de un metal, M, con un halógeno, X₂, procede por una reacción exotérmica como indica esta ecuación: $\text{M}\left(s\right)+{\text{X}}_2(g)⟶{\text{MX}}_2(s).$ En cada uno de los siguientes casos, indique qué opción hará que la reacción sea más exotérmica. Explique sus respuestas.

(a) un radio grande frente a un radio pequeño para M⁺²

(b) una energía de ionización alta frente a una energía de ionización baja para M

(c) una energía de enlace creciente para el halógeno

(d) una afinidad electrónica decreciente para el halógeno

e) un tamaño creciente del anión formado por el halógeno

¿Qué compuesto de cada uno de los siguientes pares tiene la mayor energía de red? Nota: El Mg²⁺ y el Li⁺ tienen radios similares; el O^2– y el F^– tienen radios similares. Explique sus elecciones.

(a) MgO o MgSe

(b) LiF o MgO

(c) Li₂O o LiCl

(d) Li₂Se o MgO

¿Cuál de los siguientes compuestos requiere más energía para convertir un mol del sólido en iones separados?

(a) MgO

(b) SrO

(c) KF

(d) CsF

(e) MgF₂

La energía de red del KF es de 794 kJ/mol, y la distancia interiónica es de 269 pm. La distancia en el Na–F

en el NaF, que tiene la misma estructura que el KF, es de 231 pm. Cuál de los siguientes valores es la aproximación más cercana a la energía de red del NaF: ¿682 kJ/mol, 794 kJ/mol, 924 kJ/mol, 1588 kJ/mol o 3175 kJ/mol? Explique su respuesta.