Esercizi su Equilibri Chimici Gassosi

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1 Insegnamento di Chimica Generale CCS CHI e MAT Esercizi su Equilibri Chimici Gassosi Prof. Dipartimento CMIC Giulio Natta

2 Esercizio 1 Scrivere l espressione della costante di equilibrio K c per le seguenti reazioni: (a) O 3 (g) H 3 O (g) (b) NO(g) + Cl (g) H NOCl(g) (c) Ag + (aq) + NH 3 (aq) H Ag(NH 3 ) + (aq) Risposta: Usando la legge di azione di massa, si scrivono le espressioni come quoziente con al numeratore il prodotto delle concentrazioni dei prodotti e al denominatore il prodotto dei reagenti. Ogni termine è innalzato a una potenza pari al coefficiente stechiometrico dell equazione chimica bilanciata.

3 Esercizio - Principio di Le Châtelier - Effetto della concentrazione sull equilibrio. 3 Data la reazione di sintesi dell acido cloridrico dagli elementi, qual è l effetto dell aggiunta di cloro alla miscela di equilibrio? H (g) + Cl (g) HCl(g) Soluzione: Il quoziente di reazione vale Se espresso in concentrazione: Q = [HCl] [H ] [Cl ] K > Q causa uno spostamento a destra per aumentare Q K < Q causa uno spostamento verso sinistra per diminuire Q Se aumenta Cl, K > Q e perciò la reazione si sposta a destra

4 Esercizio 3 Considerare il seguente equilibrio NOCl(g) a NO(g) + Cl (g) DH rxn = +76 kj Riempire la seguente tabella, con le espressioni aumenta, diminuisce e nessuno, rispettivamente, per indicare qual è l effetto della variazione imposta all equilibrio sulle concentrazioni delle specie presenti e sulla K c. Cosa succede se si effetto su [NOCl] effetto su [Cl ] effetto su K c (a) rimuove del NO diminuisce. aumenta.. nessuno.. (b) aggiunge del NOCl aumenta... aumenta nessuno.. (c) alza la temperatura diminuisce. aumenta.. aumenta.. (d) aumenta la pressione aumenta. diminuisce..... nessuno... sul sistema

5 Esercizio 4 5 L idrogeno usato per produrre l ammoniaca si prepara dalla reazione: Ni CH 4 (g) + H O(g) CO(g) + 3 H (g) Cosa succederà alla miscela di reazione all equilibrio a T= cost. se: a. Si rimuove H O(g). b. Si aggiunge un gas inerte. c. Si rimuove CO(g). d. Si rimuove il catalizzatore Ni. E se : e) Si alza la temperatura.

6 Esercizio 5 6 Ad una particolare temperatura, K p = atm per la reazione N O 4 (g) NO (g) Quale delle seguenti condizioni corrispondono alla posizione dell equilibrio? a. p NO = atm, p N O4 = atm b. p NO = atm, p N O4 = 0.10 atm c. p NO = atm, p N O4 = atm d. p NO = atm, p N O4 = atm Soluzione: K p ( p ) NO = = P NO

7 Esercizio 6 Calcolare la K p a 5 o C per l equilibrio: N O 4 (g) a NO (g) dai 7 0 DG f Soluzione: NO( g) NO( g) Kp 4 = P P NO NO 4 D G = DG (NO, g) -D G (N O, g) = 4730 J mol f f f DG f 4730 J mol ln K p =- =- = RT J K mol 98 K K p = 0.15

8 Esercizio 7 8 Per la reazione: CO(g) + 3H (g) a CH 4 (g) + H O(g) si conosce il ΔH = kj e il ΔS = J/K La costante di equilibrio per questa reazione a 344 K è: A) B) C) D) Soluzione: La costante di equilibrio è legata alla variazione dell'energia Libera DG, che per una reazione è data dai due bilanci energetici DH e TDS : DG rxn = DH rxn - TDS rxn = - RT ln K eq Si usano i due valori dati per calcolare DG per la reazione a 344K,... DG = kj - (344 K)( kj/ K) = kj da cui lnk = - (DG )/RT = - (-1340 J/mol K) / (8.314 J/mol K)(344K) = 46.39

9 Esercizio 8 Il seguente sistema reagente ha una K c = CO(g) + H O(g) a CO (g) + H (g) Quando una certa miscela di specie reagenti raggiunge l equilibrio, le concentrazioni sono: [CO] = , [H O] = 0.796, e [CO ] = Qual è la concentrazione del gas idrogeno nella miscela d equilibrio? Soluzione: K c = [CO ][H ] [CO][H O], che per trasposizione fornisce -7 [CO][H O] [H ] = K c = = 0.86 M [CO ] = concentrazione molare di H gas nella miscela d equilibrio.

10 Esercizio 9 Il seguente sistema reagente ha una K p = 8.6 NO(g) + Cl (g) a NOCl(g) Quando una certa miscela di specie reagenti raggiunge l equilibrio, le pressioni sono: p(cl ) = atm e p(nocl) = atm. Quanto vale la pressione parziale dell NO nella miscela? Soluzione: K p p = p p NOCl NO po ( ) p NOCl NO Kc po = = = che, recuperando NO, fornisce: 0.101, da cui p NO = atm pressione parziale (in atm) di NO nella miscela d equilibrio.

11 Esercizio moli di NO vengono introdotte in un recipiente da 1.00-L e lasciate reagire in base all equazione: NO (g) a NO(g) + O (g) All equilibrio si sono formate mol di ossigeno gas. Qual è il valore di K c per la reazione? Soluzione: NO NO O inizialmente variazione - x +x +x all equilibrio x x x Ma [O ] è fornito dal problema come mol L -1 = M, per cui questo è x. Quindi x = e x = = per l NO. Quindi, inserendo il tutto nella costante si ha: [NO] [O ] ( ) ( ) K c = = =1.19 [NO ]

12 Esercizio 11 Dato il valore di K c of per una ipotetica reazione AB(g) a A (g) + B (g) e partendo da una concentrazione di AB di 0.50 M (e nient altro), quale saranno le concentrazioni di tutte le specie all equilibrio? Risposta: AB A B inizialmente variazione -x +x +x all equilibrio x x x Ma la costante di equilibrio è piccola rispetto alla concentrazione [AB] per cui x sarà anch essa molto piccola e x sarà circa La K c quindi diventa: K c ( )( ) ( x) x x x = Estraendo la radice quadrata sui due membri, si ha x = Così [A ] = [B ] = M e [AB] = 0.50 ( ) = 0.50 M.

13 Esercizio 1 13 Nella sintesi dell ammoniaca da azoto e idrogeno, N (g) + 3 H (g) H NH 3 (g) K c = 9.60 a 300 C. Calcolare la K p per la reazione a questa temperatura. Risposta: La relazione tra K c e K p è K p = K c (RT) Dn Per applicare quest equazione, si deve determinare Dn confrontando il numero di moli del prodotto con il numero di moli dei reagenti. Ci sono due moli di prodotti gassosi ( NH 3 ) e quattro moli di of reagenti gassosi (1 N + 3 H ). Perciò, Dn = 4 =. La temperatura, T, è = 573 K. R vale L atm K -1 mol -1. Usando K c = 9.60, perciò si ha: n ( ) ( )( ) ( 9.60) ( ) 3 K K RT D = = = = p c

14 Esercizio 13 Del SO Cl puro viene introdotto in un recipiente da 1.00-L ad una pressione di 0.48 atm e lasciato decomporre. Si sa che per questa reazione la K p vale 0.71, SO Cl (g) a SO (g) + Cl (g) Quanto vale la pressione parziale di ognuno dei tre gas e la pressione totale della miscela reagente quando la reazione raggiunge l equilibrio? Soluzione: SO Cl SO Cl inizialmente 0.48 atm 0 0 variazione -x +x +x all equilibrio x x x L espressione della K p è quindi (x)(x)/( x) = Bisogna risolvere rispetto ad x l equazione quadratica: x x = 0. Le due soluzioni sono x = 0.31 e x = Eliminando il valore negativo e sostituendo nei valori all equilibrio si ha: p(so Cl ) = atm e p(so ) = p(cl ) = 0.31 atm. La pressione totale della miscela è perciò P = = atm.

15 Esercizio Un sistema chiuso, inizialmente contenente M di H e M di I a 448 C, viene lasciato raggiungere l equilibrio. L analisi della miscela d equilibrio mostra che la concentrazione di HI è M. Calcolare K c a 448 C per la reazione H (g) + I (g) a HI(g) Soluzione: Costruire una tabella per trovare le concentrazioni all equilibrio di tutte le specie e quindi usarle per calcolare la costante di equilibrio. H (g) + I (g) a HI(g) Iniziale M M 0 Variazione Equilibrio M M Si calcola la variazione nella concentrazione di HI, data dalla differenza tra i valori all equilibrio e i valori iniziali: Variazione in [HI] = M - 0 = M

16 Esercizio 14 (cont) 16 Si usano i coefficienti nell equazione bilanciata per correlare la variazione di [HI] alle variazioni di [H ] e [I ] (che sono uguali): -3 mol HI 1 mol H -3 mol H = Ł L łł mol HI ł L Si calcolano le concentrazioni di equilibrio di H e I (conc. equilibrio = conc. iniziale conc. consumata) e si riempie la tabella dei bilanci di massa.: [H ] = M M = M [I ] = M M = M H (g) + H (g) a HI(g) Iniziale M M 0 M Variazione M M M Equilibrio M M M Si usa quindi l espressione della costante di equilibrio per calcolarla: -3 [HI] ( ) K c = = = [H ][I ] ( )( )

17 Esercizio Conoscendo che a 700 K, il valore di K p per la reazione: H (g) + I (g) HI(g) 1) vale 54.0 e che il valore di K p per la reazione: N (g) + 3H (g) NH 3 (g) ) vale a , determinare il valore di K p per la reazione: NH 3 (g) + 3I (g) 6 HI(g) + N (g) 3) Soluzione: Non si può semplicemente sommare le prime due equazioni per ottenere la terza. Bisogna manipolarle in modo che la somma dia l equazione desiderata. Allo scopo basta invertire la seconda e moltiplicare per 3 la prima e quindi sommare. Tenendo conto che la differenza di DG corrisponde ad un rapporto nelle K p si ha: K 3 ( K p ) ( 54.0) p3 = = = K p

18 Esercizio Per la reazione di sintesi dell ammoniaca sono noti i seguenti valori di K p al variare della temperatura: N (g) + 3H (g) NH 3 (g) a) Per ottenere NH 3 meglio lavorare a alta T? b) La reazione è eso- o endo-termica? c) Quanto vale il DH della reazione? T ( C) K p