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Química General · Exam review

Repaso de gases y termoquímica

Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.

¿Atascado con repaso de gases y termoquímica? Escanea el problema.

Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.

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Lo que aprenderás

  • Solve multi-step gas problems with PV = nRT, the combined gas law, gas density and reaction stoichiometry.
  • Use Dalton's law, mole fractions and the water-vapour correction, and follow pressures through a reaction in a closed vessel.
  • Apply kinetic molecular theory: average kinetic energy, rms speed and Graham's law of effusion.
  • Apply the first law with chemistry sign conventions, including PV work and the link between ΔH and ΔU.
  • Analyse coffee-cup and bomb calorimetry data, including heat exchange and calibration.
  • Calculate reaction enthalpies from Hess's law, standard enthalpies of formation and average bond enthalpies.

Lección gratis

El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.

Leer la lección gratis (7 partes)

Una sola ecuación para los gases ideales

PV = nRT con R = 0.08206 L·atm mol⁻¹ K⁻¹ (o 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹ si la presión va en Pa y el volumen en m³). Usa siempre kelvin, T(K) = T(°C) + 273.15, y convierte primero la presión: 1 atm = 760 torr = 101.325 kPa. Para una misma muestra cuyas condiciones cambian, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ (n constante). Ejemplo: 2.50 g de CO₂ (dibujado, 44.01 g/mol) en 1.50 L a 30.0 °C son 0.05680 mol, así que P = 0.05680 × 0.08206 × 303.15 / 1.50 = 0.942 atm. Si despejas, obtienes la densidad del gas d = PM/RT y la masa molar M = dRT/P; el CO₂ a 1.00 atm y 25 °C tiene d = 44.01/(0.08206 × 298.15) = 1.80 g/L. El volumen molar de un gas ideal es 22.41 L/mol solo a 0 °C y 1 atm; a 25 °C y 1 atm es 24.47 L/mol. Trampa: usar 22.4 L/mol a temperatura ambiente.

Estequiometría de gases, mezclas y recipientes cerrados

Ruta para la estequiometría de gases: gramos o litros → moles (n = m/M o n = PV/RT) → relación molar de la ecuación balanceada → moles de la sustancia buscada → gramos o litros. A la misma T y P, los volúmenes de gases reaccionan en la misma relación que los moles. En una mezcla, cada gas tiene Pᵢ = nᵢRT/V = χᵢP_total, y las presiones parciales se suman (ley de Dalton); las presiones parciales siguen a los moles, no a las masas. Ejemplo: 0.30 mol de N₂ y 0.10 mol de O₂ (dibujado) con un total de 2.00 atm dan χ(O₂) = 0.25 y P(O₂) = 0.500 atm. En un recipiente rígido a temperatura constante, la presión es proporcional a los moles, así que puedes seguir una reacción en atm: 0.40 atm de CO y 0.30 atm de O₂ reaccionan según 2 CO + O₂ → 2 CO₂ y dejan 0.40 atm de CO₂ y 0.10 atm de O₂, en total 0.50 atm. Un gas recogido sobre agua está húmedo: resta la presión de vapor del agua (17.5 torr a 20 °C, 23.8 torr a 25 °C) a la presión barométrica antes de usar n = PV/RT.

Teoría cinético-molecular y efusión

Las partículas de un gas ideal tienen volumen despreciable, no se atraen entre sí y chocan de forma elástica. Su energía cinética traslacional promedio depende solo de la temperatura absoluta: (3/2)RT por mol, así que todos los gases a una misma temperatura tienen la misma energía cinética promedio (6.24 kJ/mol a 500 K) sin importar su masa, y la energía cinética total de una muestra es (3/2)nRT. La velocidad sí depende de la masa: u_rms = √(3RT/M) con M en kg/mol. El argón a 300 K: √(3 × 8.314 × 300 / 0.03995) = 433 m/s. Como la energía cinética va con u², duplicar la temperatura en kelvin duplica la energía cinética, pero multiplica la velocidad solo por √2. Ley de Graham: velocidad₁/velocidad₂ = √(M₂/M₁) a la misma T y P, y el tiempo que tarda en efundirse la misma cantidad es proporcional a √M. El helio se efunde √(16.04/4.003) = 2.00 veces más rápido que el metano.

La primera ley y sus signos

ΔU = q + w, con todos los signos tomados desde el punto de vista del sistema: q > 0 cuando el calor entra al sistema, w > 0 cuando el entorno hace trabajo sobre el sistema. La expansión contra una presión externa constante hace trabajo sobre el entorno: w = −P_ext ΔV, y 1 L·atm = 101.325 J. Ejemplo: un gas absorbe 400. J mientras se expande de 1.00 L a 3.00 L contra 1.50 atm; w = −3.00 L·atm = −304 J, así que ΔU = +96 J. A presión constante el calor es igual al cambio de entalpía, q_p = ΔH; a volumen constante es igual a ΔU. Para una reacción, ΔH = ΔU + Δn_gas RT, donde Δn_gas cuenta los moles de productos gaseosos menos los de reactivos gaseosos. Para C₃H₈(g) + 5 O₂(g) → 3 CO₂(g) + 4 H₂O(l), Δn_gas = −3 y ΔH = −2220 kJ, así que ΔU = −2220 + 3(8.314 × 10⁻³)(298.15) = −2213 kJ. Cuando un líquido hierve, ΔU = ΔH_vap − RT por mol de vapor formado.

Calorimetría

q = mcΔT para una sustancia (c en J g⁻¹ °C⁻¹; un cambio de 1 °C equivale a un cambio de 1 K) y q = CΔT para un objeto de capacidad calorífica conocida. En un recipiente aislado los calores suman cero: Σq = 0, así que el calor perdido por los cuerpos calientes es igual al ganado por los fríos, y el hielo que se funde consume ΔH_fus antes de que su agua empiece a calentarse. El calor de la reacción tiene el signo opuesto al del calorímetro: q_rxn = −(q_disolución + q_vaso). Ejemplo: una reacción en 100.0 g de disolución eleva su temperatura 5.20 °C, así que q_disolución = 100.0 × 4.184 × 5.20 = 2.18 kJ; si reaccionaron 0.0400 mol, ΔH = −2.18 kJ / 0.0400 mol = −54.4 kJ/mol. Un vaso de café está abierto, así que mide ΔH. Una bomba está sellada y es rígida, así que mide ΔU; su capacidad calorífica C_cal se determina primero quemando un patrón como el ácido benzoico. Con C_cal = 9.50 kJ/°C y ΔT = 2.40 °C, la muestra liberó 22.8 kJ. Trampa: dividir entre un número de moles equivocado; usa los moles del reactivo limitante o del agua formada, según esté escrita la ecuación.

Ley de Hess, ΔH°f y entalpías de enlace

La entalpía es una función de estado, así que las ecuaciones se pueden sumar como en álgebra: invertir una ecuación cambia el signo de ΔH, y multiplicarla por un factor multiplica ΔH por el mismo factor. Una entalpía estándar de formación, ΔH°f, corresponde a formar un mol de una sustancia a partir de sus elementos en sus estados estándar (1 bar, normalmente 25 °C: O₂(g), C(s, grafito), Br₂(l)); para esos elementos ΔH°f = 0. Entonces ΔH°rxn = Σn ΔH°f(productos) − Σn ΔH°f(reactivos). Ejemplo: CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(l) (dibujado) tiene ΔH° = −393.5 + 2(−285.8) − (−74.8) = −890.3 kJ. Las entalpías de enlace promedio dan una estimación solo para reacciones en fase gaseosa: ΔH ≈ Σ(enlaces rotos) − Σ(enlaces formados). Para 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(g): 2(436) + 498 − 4(463) = −482 kJ, cercano al valor medido de −483.6 kJ. Si un reactivo o un producto es líquido, suma aparte la entalpía del cambio de fase.

Lo que conviene recordar

Problemas de gases: primero kelvin y atm, luego PV = nRT para los moles, relaciones molares para las reacciones, Pᵢ = χᵢP_total para las mezclas (resta la presión de vapor del agua si el gas se recogió sobre agua), (3/2)RT para la energía cinética y √(3RT/M) para la velocidad. Problemas de energía: ΔU = q + w con signos desde el sistema, w = −P_ext ΔV, q_p = ΔH y q_v = ΔU, ΔH = ΔU + Δn_gas RT, q = mcΔT con Σq = 0 en un calorímetro aislado, y ΔH°rxn a partir de la ley de Hess, de los ΔH°f (productos menos reactivos) o, de forma aproximada, de las entalpías de enlace (rotos menos formados).

Problemas de práctica (40)

Practicar es gratis con una cuenta.

Predice el producto 2

Mezclas y teoría cinética

  • Combustión de metano en un recipiente rígido calientePredice las presiones parcial y total tras una combustión completa en fase gaseosa en un recipiente rígido a temperatura constante.

Primera ley y calorimetría

  • Temperatura final cuando se disuelve NaOHPredice la temperatura final de un calorímetro de vasos de café a partir de una entalpía de disolución conocida.

Clasificar 3

Hess's law, ΔH°f and bond enthalpies

  • The formation equation of calcium carbonateIdentify the thermochemical equation whose ΔH° is the standard enthalpy of formation of a compound.

Primera ley y calorimetría

  • ¿Qué afirmación de examen es verdadera?Elige la única afirmación correcta entre varias típicas sobre gases y termoquímica, usando la ley de Gay-Lussac, los estados estándar, los convenios de signos y los tipos de calorímetro.
  • ¿Qué proceso tiene q < 0 y w < 0?Clasifica procesos según los signos de q y w usando el convenio de la química, en el que ambos se miden desde el punto de vista del sistema.

Comparar 5

Primera ley y calorimetría

  • Cobre o aluminio calientes: ¿con cuál queda más caliente el agua?Compara las temperaturas finales en dos experimentos de intercambio de calor usando los calores específicos de los metales.

Leyes de los gases y estequiometría de gases

  • Dos matraces de 1.0 L a la misma T y PUsa la ley de Avogadro para decidir qué propiedad comparten dos volúmenes iguales de gas a la misma temperatura y presión.
  • Ordena densidades de gases en distintas condicionesOrdena muestras de gases en distintas presiones y temperaturas según su densidad usando d = PM/RT.

Ley de Hess, ΔH°f y entalpías de enlace

  • Ordena combustibles según el calor liberado por mol de O₂Ordena combustibles según el calor liberado por mol de oxígeno consumido, usando ecuaciones de combustión balanceadas y las entalpías de combustión dadas.

Mixtures and kinetic theory

  • Rank samples by total translational kinetic energyRank gas samples by total translational kinetic energy using (3/2)nRT, independent of molar mass.

Calcular 20

Mezclas y teoría cinética

  • Abrir la llave entre NH₃ y HClHalla la presión final cuando dos gases en matraces conectados reaccionan para formar un sólido, usando PV como medida de los moles.
  • Tiempo de efusión del N₂ a partir del del criptónUsa la ley de Graham para convertir el tiempo de efusión de un gas en el de otro gas.
  • Presión parcial de N₂ en una mezcla CH₄–N₂Calcula una presión parcial en una mezcla de gases dada por masas, usando moles en lugar de fracciones másicas.

Ley de Hess, ΔH°f y entalpías de enlace

  • Reducir mineral de hierro con monóxido de carbonoCalcula una entalpía de reacción a partir de entalpías estándar de formación, aplicando los coeficientes y ΔH°f = 0 para los elementos.
  • ΔH°f del disulfuro de carbono por la ley de HessObtén una entalpía de formación invirtiendo una ecuación de combustión y escalando las ecuaciones de formación de sus productos.
  • ΔH°f del diborano a partir de cuatro ecuacionesCombina cuatro ecuaciones termoquímicas, invirtiéndolas y escalándolas según haga falta, para obtener una entalpía de formación.
  • Calor liberado al quemar 10.0 g de hidracinaCombina ΔH°rxn a partir de entalpías de formación con una conversión de masa a moles para hallar el calor liberado por una muestra.
  • Entalpías de enlace cuando el agua es líquidaEstima la entalpía de una reacción a partir de entalpías de enlace cuando un producto es líquido, sumando el cambio de fase por separado.
  • Cloración del metano: estimación con entalpías de enlaceEstima la entalpía de una reacción en fase gaseosa a partir de entalpías de enlace promedio, contando solo los enlaces que cambian.

Primera ley y calorimetría

  • ΔU al hervir 10.0 g de etanolHalla ΔU de una vaporización a partir de ΔH y del trabajo de expansión del vapor formado.
  • ΔU cuando sale calor y se realiza trabajo sobre el sistemaAplica ΔU = q + w con los signos correctos y unidades coherentes cuando un sistema libera calor y se realiza trabajo sobre él.
  • ¿Cuánto hielo enfría el té caliente hasta 10 °C?Halla la masa de hielo necesaria para alcanzar una temperatura objetivo, incluyendo tanto la fusión como el calentamiento del agua de fusión.
  • Perdigones de plomo calientes en un vaso que absorbe calorHalla la temperatura final de una mezcla de metal y agua cuando se incluye la capacidad calorífica del propio calorímetro.
  • Metano necesario para calentar una tetera en la estufaEncadena la calorimetría, una ecuación termoquímica con una eficiencia y la ley del gas ideal para hallar un volumen de combustible.
  • Calibrar una bomba y luego quemar sacarosaCalibra un calorímetro de bomba con un patrón y úsalo para hallar la energía interna molar de combustión de una muestra.

Leyes de los gases y estequiometría de gases

  • ¿Cuántos globos se llenan con un cilindro de gas?Usa la ley de Boyle para contar cuántos recipientes puede llenar un cilindro de alta presión, teniendo en cuenta el gas que debe quedar en el cilindro.
  • Presión tras hacer saltar una chispa en H₂ y O₂ en un matraz calienteHalla la presión en un recipiente rígido después de una reacción gaseosa determinando el reactivo limitante y los moles de cada gas que queda.
  • Oxígeno necesario para quemar 5.00 g de etanolCombina la conversión de masa a moles, una relación molar y la ley de los gases ideales para hallar el volumen de un gas que reacciona.
  • Superóxido de potasio para un equipo de respiraciónHalla la masa de un reactivo sólido necesaria para absorber un volumen medido de gas, usando PV = nRT y una relación molar 2:1.
  • Corregir a TPE el volumen de una jeringaConvierte a TPE un volumen de gas medido en condiciones ambientales con la ley combinada de los gases, convirtiendo antes torr y °C.

Encuentra el error 3

Gas laws and gas stoichiometry

  • Find the error: 22.4 L/mol at room temperatureIdentify the misuse of the 0 °C molar volume for a gas at room temperature and give the corrected amount.

Primera ley y calorimetría

  • Encuentra el error: una entalpía de neutralización a la mitadEncuentra el error en un cálculo de neutralización en un calorímetro de vaso de poliestireno que divide entre un número incorrecto de moles.

Mezclas y teoría cinética

  • Encuentra el error: duplicar T duplica la velocidadCorrige la idea errónea de que duplicar la temperatura absoluta duplica la velocidad molecular.

Interpreta la evidencia 2

Leyes de los gases y estequiometría de gases

  • Fórmula molecular a partir de la composición y de datos del vaporCombina una fórmula empírica obtenida de porcentajes en masa con una masa molar obtenida de datos del vapor para hallar la fórmula molecular.

Ley de Hess, ΔH°f y entalpías de enlace

  • ΔH°f del MgO a partir de dos corridas en vaso de caféCombina dos entalpías de reacción medidas con una tabulada para hallar una entalpía de formación que no se puede medir directamente.

Trabaja hacia atrás 3

Ley de Hess, ΔH°f y entalpías de enlace

  • ΔH°f de la acetona a partir de su entalpía de combustiónTrabaja hacia atrás desde una entalpía de combustión medida hasta la entalpía estándar de formación del combustible.

Mezclas y teoría cinética

  • Temperatura para una velocidad cuadrática media dada del CO₂Reordena la ecuación de la velocidad cuadrática media para hallar la temperatura a la que un gas alcanza una velocidad dada.
  • Masa de peróxido a partir de oxígeno recogido sobre aguaTrabaja hacia atrás desde un volumen de gas recogido sobre agua hasta la masa de reactivo que lo produjo.

Planea una síntesis 1

  • Plantea una ruta de Hess hacia la ΔH°f del N₂O₅Elige la combinación de ecuaciones dadas cuya suma sea la reacción de formación de un mol de un compuesto.

Explica por qué 1

  • Por qué el kriptón pesado no empuja con más fuerzaExplica con la teoría cinética por qué moles iguales de un gas ligero y uno pesado ejercen presiones parciales iguales.

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