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quimica general e inorganica i repaso de temas necesarios para el ...

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QGI 1 2009<br />

QUIMICA GENERAL E INORGANICA I<br />

REPASO DE TEMAS NECESARIOS PARA<br />

EL CURSO<br />

SERIE 0


EXPONENCIALES Y LOGARITMOS<br />

Algunas expresiones útiles:<br />

e = 2.7182<br />

e (x+y) = e x e y<br />

ln(x)=y entonces x = e y<br />

log(x)=y entonces x = 10 y<br />

ln(xy)=ln(x)ln(y)<br />

1) Calcule <strong>el</strong> valor <strong>de</strong> x que satisface la siguiente ecuación:<br />

e (x+23.4) = 54.5<br />

2) Calcule <strong>el</strong> valor <strong>de</strong> w que satisface la siguiente ecuación:<br />

log(33.3 w) = 2.50<br />

3) Determine <strong>el</strong> valor <strong>de</strong> y tal que se cumpla que:<br />

4.0 + e (2y) = 5.4 + log(100)<br />

4) Encuentre los valores <strong>de</strong> x e y que satisfacen las siguientes ecuaciones:<br />

x+y = 1<br />

e (xy) = 1/2<br />

5) Grafique la función f(x)=e x<br />

6) Grafique la función f(x)=8.5 (1- e -x )<br />

7) Indique <strong>el</strong> límite cuando x tien<strong>de</strong> a infinito <strong>de</strong> las siguientes funciones:<br />

f(x)=e x<br />

f(x)=10 x<br />

f(x)=e -x<br />

f(x)=10 -x<br />

8)Grafique las siguientes funciones en un mismo gráfico: f(x) = ln(x); g(x)=x-1<br />

¿hay algún intervalo en <strong>el</strong> cual ambas funciones dan casi <strong>el</strong> mismo valor


ESTRUCTURA: LEWIS Y TREPEV. RESPUESTAS<br />

3)<br />

C O O C O N O N<br />

O<br />

NO y NO 2 presentan un <strong>el</strong>ectrón <strong>de</strong>sapareado.<br />

4)<br />

Ba 2+ O 2- Na + O 2- Na + O Mn O Mn<br />

O<br />

O<br />

O<br />

O<br />

O<br />

O<br />

5)<br />

a)<br />

H<br />

H<br />

N<br />

H<br />

TETRAEDRICO<br />

b)<br />

H<br />

cis<br />

N N H<br />

H<br />

TRIGONAL<br />

trans<br />

N N<br />

H<br />

N<br />

H<br />

N<br />

N<br />

H<br />

N N H<br />

H H<br />

TETRAEDRICO<br />

HO<br />

O<br />

S<br />

O<br />

OH<br />

TETRAEDRICO<br />

HO<br />

O<br />

S<br />

O<br />

OH<br />

S<br />

O<br />

O<br />

O<br />

S<br />

O<br />

O<br />

S O<br />

O<br />

TRIGONAL<br />

6)<br />

a)<br />

H<br />

b)<br />

F<br />

H<br />

P<br />

H<br />

F<br />

S<br />

F<br />

F<br />

H<br />

H<br />

H<br />

TETRAEDRICO<br />

F<br />

F<br />

H<br />

P<br />

F<br />

S<br />

F<br />

H<br />

F<br />

F<br />

OCTAEDRICO<br />

F<br />

F<br />

Cl<br />

Cl<br />

Br<br />

F<br />

Cl<br />

P<br />

Cl<br />

Cl<br />

Cl<br />

Cl<br />

P<br />

Cl<br />

BIPIRAMIDE<br />

TRIGONAL<br />

Excepto por PH 4 , ninguno <strong>de</strong> los compuestos cumple con la regla <strong>de</strong>l octeto.<br />

F<br />

F<br />

Cl<br />

Cl<br />

7)<br />

N<br />

O<br />

O<br />

O<br />

N<br />

O<br />

O<br />

N<br />

O<br />

O<br />

N<br />

O<br />

N N O N N O<br />

N<br />

N<br />

N<br />

N N N N N N


ESTRUCTURA: LEWIS Y TREPEV<br />

1) Enumere las suposiciones <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> Lewis. Indique, paso por paso, como se<br />

construye una estructura <strong>de</strong> Lewis. ¿Cuáles son las ventajas y las limitaciones <strong>de</strong> este<br />

mo<strong>de</strong>lo<br />

2) ¿Cuál es la i<strong>de</strong>a básica <strong>de</strong> la teoría <strong>de</strong> repulsión <strong>de</strong> los pares <strong>el</strong>ectrónicos <strong>de</strong> valencia<br />

(TREPEV) ¿Qué información brinda<br />

3) Para los siguientes óxidos covalentes, <strong>de</strong>scriba la estructura <strong>de</strong> Lewis indicando las<br />

uniones mediante líneas (cada línea = un par <strong>de</strong> <strong>el</strong>ectrones <strong>de</strong> enlace) y los <strong>el</strong>ectrones<br />

que no participan en enlaces con puntos. ¿Cuáles <strong>de</strong> estos compuestos presentan un<br />

<strong>el</strong>ectrón <strong>de</strong>sapareado<br />

CO CO 2 NO NO 2<br />

4) Para los siguientes óxidos, <strong>de</strong>scriba la estructura <strong>de</strong> Lewis y los <strong>el</strong>ectrones que no<br />

participan en enlaces.<br />

BaO Na 2 O Mn 2 O 7<br />

5) Para los siguientes compuestos, <strong>de</strong>scriba la estructura <strong>de</strong> Lewis y la geometría según<br />

TREPEV indicando las uniones y los <strong>el</strong>ectrones que no participan en enlaces.<br />

a) NH 3 N 2 H 4 HN 3 N 2 H 2<br />

b) H 2 SO 4 SO 2 SO 3<br />

6) Para los siguientes compuestos, <strong>de</strong>scriba la estructura <strong>de</strong> Lewis y su geometría según<br />

TREPEV. Indique si hay compuestos que no cumplen la regla <strong>de</strong>l octeto y cuáles son.<br />

a) PH 4 PCl 5<br />

c) SF 4 SF 6 BrF 5<br />

7) Para los siguientes compuestos, <strong>de</strong>scriba la estructura <strong>de</strong> Lewis y sus estructuras <strong>de</strong><br />

resonancia. Indique las cargas formales sobre cada átomo.<br />

NO 2<br />

●<br />

NO 2<br />

–<br />

N 2 O N 3<br />


ESTEQUIOMETRÍA: RESOLUCIONES<br />

Problema 1:<br />

La ecuación balanceada :<br />

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O<br />

Moléculas <strong>de</strong> agua → moles <strong>de</strong> agua → moles <strong>de</strong> CH 4 → masa <strong>de</strong> CH 4 expresada en g<br />

x moles <strong>de</strong> H O = 3.<br />

01x10<br />

2<br />

23<br />

moléculas H<br />

2<br />

O x<br />

1 mol H<br />

2O<br />

1 mol CH<br />

4<br />

x<br />

23<br />

6.<br />

02x10<br />

moléculas H O 2 moles H O<br />

2<br />

2<br />

16 g CH<br />

4<br />

x<br />

1 mol CH<br />

4<br />

Rta: 4.0 g CH 4<br />

Problema 2:<br />

Rta: 2.68 x 10 22 moléculas <strong>de</strong> C 3 H 8 .<br />

Problema 3:<br />

La interpretación <strong>de</strong> la ecuación ajustada indica:<br />

NiCl 2 + 2 NaOH → Ni(OH) 2 + 2 NaCl<br />

1mol 2 moles 1 mol 2 moles<br />

129.6 g 2x 40.0 g 92.7 g 2x58.4 g<br />

Se <strong>de</strong>termina <strong>el</strong> número <strong>de</strong> moles presentes <strong>de</strong> NiCl 2 y <strong>de</strong> NaOH. Luego se halla <strong>el</strong><br />

número <strong>de</strong> moles <strong>de</strong> cada reactivo necesario <strong>para</strong> reaccionar con <strong>el</strong> otro. Estos cálculos<br />

i<strong>de</strong>ntifican al reactivo limitante.<br />

1 mol NiCl<br />

x moles NiCl 25 = moles NiCl<br />

2<br />

2<br />

= . 9 g NiCl2<br />

x<br />

0.<br />

200<br />

129.<br />

6 g NiCl2<br />

2<br />

1 mol NaOH<br />

x moles NaOH = 10 . 0 g NaOH x<br />

= 0.<br />

250 moles<br />

40.<br />

0 g NaOH<br />

NaOH<br />

Se calcula <strong>el</strong> número <strong>de</strong> moles <strong>de</strong> NaOH <strong>necesarios</strong> <strong>para</strong> reaccionar con 0.200moles <strong>de</strong><br />

NiCl 2 .<br />

2 moles NaOH<br />

x moles NaOH = 0.<br />

200 g NiCl<br />

2<br />

x<br />

= 0.<br />

400 moles NaOH<br />

1 mol NiCl<br />

Sólo hay 0.250 moles <strong>de</strong> NaOH, por lo tanto NaOH es <strong>el</strong> reactivo limitante.<br />

2<br />

g NaOH → moles <strong>de</strong> NaOH → moles <strong>de</strong> Ni(OH) 2 → g <strong>de</strong> Ni(OH) 2<br />

2<br />

x g Ni( OH ) = 10.<br />

0 g<br />

2<br />

NaOH<br />

x<br />

1 mol NaOH<br />

40.<br />

0 g NaOH<br />

1 mol Ni( OH )<br />

2<br />

x<br />

2 moles NaOH<br />

92.<br />

7 g Ni( OH )<br />

x<br />

1 mol Ni( OH )<br />

2<br />

Rta: 11.6 g Ni(OH) 2<br />

Problema 4:<br />

Rta. = 21.5 g <strong>de</strong> AgCl


Problema 5:<br />

Se realiza <strong>el</strong> problema en dos etapas.<br />

1: Se <strong>de</strong>termina <strong>el</strong> número <strong>de</strong> moles <strong>de</strong> CO formados en la primera reacción.<br />

2: D<strong>el</strong> número <strong>de</strong> moles <strong>de</strong> CO producidos en la primera reacción se calcula <strong>el</strong> número<br />

<strong>de</strong> gramos <strong>de</strong> Ni(CO) 4 que podría formarse en la segunda reacción.<br />

1 mol C 1 mol CO<br />

x moles CO = 75 . 0 g C x x = 6.<br />

25 moles CO<br />

12.<br />

0 g C 1 mol C<br />

1 mol Ni( CO )<br />

4<br />

171 g Ni( CO )<br />

4<br />

x g Ni( CO )<br />

4<br />

= 6 . 25 moles CO x<br />

x<br />

= 267 g Ni( CO )<br />

4 moles CO 1 mol Ni( CO )<br />

4<br />

Rta: 267 g Ni(CO) 4<br />

Problema 6:<br />

Rta: 746 g <strong>de</strong> H 3 PO 4<br />

4


ESTEQUIOMETRÍA<br />

Problema 1:<br />

Qué masa <strong>de</strong> metano (CH 4 ) produce 3.01 x 10 23 moléculas <strong>de</strong> H 2 O cuando se quema en<br />

exceso <strong>de</strong> O 2 <br />

Problema 2:<br />

Calcular <strong>el</strong> número <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong> propano, C 3 H 8 , que producen 3.20 g <strong>de</strong> H 2 O al<br />

ar<strong>de</strong>r en exceso <strong>de</strong> O 2 .<br />

Problema 3:<br />

¿Cuál es la máxima masa <strong>de</strong> Ni(OH) 2 que podría pre<strong>para</strong>rse mezclando dos disoluciones<br />

que contienen 25.9 g <strong>de</strong> NiCl 2 y 10.0 g <strong>de</strong> NaOH<br />

Problema 4:<br />

NiCl 2 + 2 NaOH → Ni(OH) 2 + 2 NaCl<br />

Una disolución <strong>de</strong> nitrato <strong>de</strong> plata reacciona con una disolución <strong>de</strong> cloruro <strong>de</strong> bario,<br />

según la siguiente reacción:<br />

2 AgNO 3 + BaCl 2 → Ba(NO 3 ) 2 + 2 AgCl<br />

Todas las sustancias implicadas en esta reacción son solubles en agua excepto <strong>el</strong> cloruro<br />

<strong>de</strong> plata, AgCl, que forma un sólido (precipitado) en <strong>el</strong> fondo <strong>de</strong>l matraz. Supongamos<br />

que mezclamos una disolución que contiene 24.8 g <strong>de</strong> AgNO 3 y otra que contiene 18.4<br />

g <strong>de</strong> BaCl 2 . ¿Qué masa <strong>de</strong> AgCl se formará<br />

Problema 5:<br />

A altas temperaturas <strong>el</strong> carbono reacciona con agua <strong>para</strong> producir una mezcla <strong>de</strong><br />

monóxido <strong>de</strong> carbono e hidrógeno.<br />

C + H 2 O → CO + H 2<br />

El CO se se<strong>para</strong> <strong>de</strong>l H 2 y se usa <strong>para</strong> se<strong>para</strong>r <strong>el</strong> Ni <strong>de</strong>l Co formando un compuesto<br />

volátil, tetracarbonilníqu<strong>el</strong>, Ni(CO) 4<br />

Ni + 4 CO → Ni(CO) 4<br />

¿Qué masas <strong>de</strong> Ni(CO) 4 podría obtenerse <strong>de</strong>l CO producido por la reacción <strong>de</strong> 75.0 g <strong>de</strong><br />

C Suponer <strong>el</strong> 100% <strong>de</strong> reacción y <strong>el</strong> 100 % <strong>de</strong> recuperación en las dos etapas.<br />

Problema 6:<br />

El ácido fosfórico, H 3 PO 4 , es un compuesto utilizado en la fabricación <strong>de</strong> fertilizantes.<br />

El H 3 PO 4 pue<strong>de</strong> pre<strong>para</strong>rse en un proceso en dos etapas<br />

P 4 + 5 O 2 → P 4 O 10<br />

P 4 O 10 + 6 H 2 O → H 3 PO 4<br />

Se hacen reaccionar 272 g <strong>de</strong> fósforo con exceso <strong>de</strong> oxígeno con un rendimiento <strong>de</strong>l<br />

89.5 %. En la reacción <strong>de</strong> la segunda etapa se obtiene un rendimiento <strong>de</strong> H 3 PO 4 <strong>de</strong>l<br />

96.8%. ¿Qué masa <strong>de</strong> H 3 PO 4 se obtiene


SOLUCIONES<br />

RESPUESTAS<br />

Problema 1<br />

"Agua oxigenada 10 volúmenes" significa que 1 litro <strong>de</strong> la solución produce 10 litros <strong>de</strong> O 2 en CNPT.<br />

Ya que, en dichas condiciones, cada mol <strong>de</strong> gas i<strong>de</strong>al ocupa 22,4 L, y consi<strong>de</strong>rando al oxígeno como gas i<strong>de</strong>al,<br />

<strong>el</strong> número <strong>de</strong> moles <strong>de</strong> oxígeno es:<br />

10 L<br />

n O 2<br />

= = 0,446 mol<br />

22,4 L/mol<br />

La reacción <strong>de</strong> <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> H 2 O 2 es<br />

H 2 O 2 → H 2 O + ½ O 2<br />

por lo tanto cada mol <strong>de</strong> oxígeno proviene <strong>de</strong> la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> dos moles <strong>de</strong> peróxido <strong>de</strong><br />

hidrógeno, entonces en 1 litro <strong>de</strong> solución 10 volúmenes hay<br />

n = 0,446 mol × 2 = 0,892 mol <strong>de</strong> H 2 O 2<br />

y dicha solución es entonces 0,892 M.<br />

La masa <strong>de</strong> soluto en 100 cm 3 <strong>de</strong> solución será, sabiendo que Mr H2O2 = 34 g/mol,<br />

m = 0,1 L × 0,892 mol/L × 34 g/mol = 3,04 g<br />

O sea que la solución 10 volúmenes es 3,04 % p/v.<br />

Problema 2<br />

Al diluir una solución, la cantidad <strong>de</strong> soluto se conserva. Por lo tanto, si se expresa la concentración<br />

como unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> masa o moles por unidad <strong>de</strong> volumen <strong>de</strong> la solución, por ejemplo la concentración molar:<br />

C = n/V<br />

don<strong>de</strong> n es <strong>el</strong> número <strong>de</strong> moles <strong>de</strong> soluto y V <strong>el</strong> volumen <strong>de</strong> la solución (en unida<strong>de</strong>s usuales, moles por<br />

litro). Resulta que la diluir varía <strong>el</strong> volumen pero <strong>el</strong> número <strong>de</strong> moles se mantiene, entonces po<strong>de</strong>mos plantear<br />

que n i = n f (moles iniciales igual a moles finales) y como n = C × V, resulta que<br />

C i V i = C f V f<br />

En este caso,<br />

0,600 M × V i = 0,150 M × 100 mL<br />

V i = 25 mL<br />

La dilución se expresa usualmente como V i : V f en forma <strong>de</strong> fracción (V i = 1 arbitrariamente). En este caso es<br />

25 mL : 100 mL o sea 1:4.<br />

Problema 3<br />

Primeramente calculamos la concentración molar <strong>de</strong> la solución original. Si partimos <strong>de</strong> 1 L <strong>de</strong> dicha<br />

solución, la masa <strong>de</strong> soluto presente será:<br />

m HCl = V × ρ × x m<br />

don<strong>de</strong> x m = 38 % / 100 es la fracción en masa <strong>de</strong> soluto. Entonces:<br />

m HCl = 1000 mL × 1,19 g/mL × 0,38 = 452,2 g<br />

y (como Mr HCl = 36,5 g/mol) la concentración molar será:<br />

nHCl<br />

452,2 g/36,5 g/mol<br />

C = = = 12,4 M<br />

V 1 L<br />

Finalmente, sabiendo que la practicar una dilución la cantidad <strong>de</strong> soluto se conserva, resulta que<br />

C i V i = C f V f<br />

o sea que:<br />

12,4 M × V i = 0,160 M × 20 L<br />

resultando finalmente V f = 0,258 L = 258 mL.<br />

Problema 4<br />

En este caso se <strong>de</strong>be calcular <strong>el</strong> número total <strong>de</strong> moles y dividir por <strong>el</strong> volumen total:<br />

n tot = 3,60 mL × 0,100 M + 5,50 mL × 0,160 M = 1,24 mmol<br />

y la concentración resultante será:<br />

C = 1,24 mmol/(3,60 mL + 5,50 mL) = 0,136 M


SOLUCIONES<br />

Problema 1<br />

La concentración <strong>de</strong> una disolución comercial <strong>de</strong> peróxido <strong>de</strong> hidrógeno viene<br />

expresada en la forma “agua oxigenada <strong>de</strong> 10 volúmenes”, lo que significa que <strong>el</strong><br />

volumen <strong>de</strong> oxígeno, en condiciones CNPT, que se forma en la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong>l<br />

H 2 O 2 contenido en un volumen cualquiera <strong>de</strong> la solución, es 10 veces <strong>el</strong> volumen <strong>de</strong><br />

ésta. Calcular la concentración <strong>de</strong>l agua oxigenada en moles por litro y en gramos por<br />

100 cm 3 .<br />

Problema 2<br />

¿Qué volumen <strong>de</strong> una solución 0,600 M en HCl <strong>de</strong>be tomar <strong>para</strong> pre<strong>para</strong>r 100 mL <strong>de</strong><br />

una solución 0,150 M¿Qué dilución ha practicado<br />

Problema 3<br />

¿Cuántos mL <strong>de</strong> HCl (<strong>de</strong>nsidad ρ = 1,19 g/mL y 38%p/p) se requieren <strong>para</strong> hacer 20 L<br />

<strong>de</strong> una solución 0,160 M<br />

Problema 4<br />

¿Cuál será la concentración <strong>de</strong> la solución resultante <strong>de</strong> mezclar 3,60 mL <strong>de</strong> NaCl 0,100<br />

M con 5,50 mL <strong>de</strong> NaCl 0,160 M (admita que los volúmenes son aditivos)


GASES IDEALES: RESPUESTAS<br />

Problema 1:<br />

Se usa la r<strong>el</strong>ación p<br />

1<br />

V1<br />

= p2<br />

V2<br />

Condiciones iniciales<br />

p 1 = 1.0 atm<br />

V 1 = 0.55 L V 2 = <br />

V<br />

p<br />

= V1<br />

x<br />

p<br />

1<br />

2<br />

=<br />

Rta: 1.4 L<br />

2<br />

0.55 L x<br />

1.0 atm<br />

0.40 atm<br />

Condiciones finales<br />

p 2 = 0.40 atm<br />

Comentario: En una isoterma (temperatura constante) cuando la presión se reduce, <strong>el</strong> volumen<br />

aumenta.<br />

Problema 2 :<br />

Se usa la r<strong>el</strong>ación<br />

V<br />

1 =<br />

T<br />

1<br />

V<br />

T<br />

2<br />

2<br />

Condiciones iniciales<br />

V 1 = 452 mL V 2 = <br />

T 1 = (22 + 273) K = 295 K<br />

T1<br />

V = V1<br />

x<br />

T2<br />

Rta: 705 mL<br />

2<br />

=<br />

460 K<br />

452 mL x<br />

295 K<br />

Condiciones finales<br />

T 2 = (187 + 273) K = 460 K<br />

Comentario: En una isobara (presión constante) un gas se expan<strong>de</strong> cuando se calienta.<br />

Problema 3 :<br />

Reor<strong>de</strong>nando la ecuación <strong>de</strong>l gas i<strong>de</strong>al<br />

p =<br />

nRT<br />

V<br />

Rta : 9.42 atm<br />

Problema 4:<br />

Rta: 3.77 L<br />

1 .82 mol 0.082 ( L atm / K mol)<br />

(69.5 + 273) K<br />

=<br />

5.43 L<br />

Comentario: Dado que <strong>el</strong> volumen molar <strong>de</strong> un gas i<strong>de</strong>al ocupa 22.4 L a TPE <strong>el</strong> volumen <strong>de</strong> un gas en<br />

condiciones <strong>de</strong> TPE se pue<strong>de</strong> calcular sin necesidad <strong>de</strong> osar la ecuación <strong>de</strong>l gas i<strong>de</strong>al.


Problema 5:<br />

Dado que tanto <strong>el</strong> C 2 H 2 con <strong>el</strong> O 2 son gases medidos a la misma presión y temperatura sus volúmenes<br />

<strong>de</strong> reacción están r<strong>el</strong>acionados con los coeficientes estequiométricos en la ecuación balanceada (ley <strong>de</strong><br />

Abogadro). Es <strong>de</strong>cir que 2 L <strong>de</strong> acetileno reaccionan con 5 L <strong>de</strong> oxígeno.<br />

volumen O = 2.64 L C H<br />

2<br />

2<br />

2<br />

x<br />

5 L O2<br />

2 L C H<br />

2<br />

2<br />

Rta: 6.60 L O 2<br />

Problema 6:<br />

Rta: 30.8 L<br />

Problema 7:<br />

Solución:<br />

La fracción molar <strong>de</strong>l Ne es<br />

nNe<br />

xNe<br />

=<br />

=<br />

n + n + n 4.46<br />

Ne<br />

Ar<br />

Xe<br />

De acuerdo a la Ley <strong>de</strong> Dalton<br />

pNe = xNe<br />

pT<br />

= 0.607<br />

⋅ 2. 00 atm<br />

4.46 mol<br />

mol + 0.74 mol<br />

2.15 mol<br />

= 0.607<br />

Rta: p Ne = 1.21 atm; p Ar = 0.20 atm ; p Xe = 0.586 atm.<br />

Problema 8:<br />

Rta: 0.164 g <strong>de</strong> O 2


GASES IDEALES<br />

Problema 1 :<br />

Un globo inflado que tiene un volumen <strong>de</strong> 0.55 L a niv<strong>el</strong> <strong>de</strong>l mar (1 atm) se <strong>el</strong>eva a una altura <strong>de</strong> 6.5<br />

km, don<strong>de</strong> la presión es <strong>de</strong> cerca <strong>de</strong> 0.40 atm. Suponiendo que la temperatura permanece constante,<br />

¿cuál es <strong>el</strong> volumen final <strong>de</strong>l gas<br />

Problema 2:<br />

Una muestra <strong>de</strong> 452 mL <strong>de</strong> gas flúor se calienta <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 22ºC hasta 187ºC a presión constante. ¿Cuál es<br />

su volumen final<br />

Problema 3:<br />

El hexafluoruro <strong>de</strong> azufre (SF6) es un gas incoloro, inodoro y muy reactivo. Calcule la presión (en atm)<br />

ejercida por 1.82 moles <strong>de</strong>l gas en un recipiente <strong>de</strong> acero <strong>de</strong> 5.43 L <strong>de</strong> volumen a 69.6ºC.<br />

Problema 4 :<br />

Calcule <strong>el</strong> volumen (en litros) que ocupan 7.40 g <strong>de</strong> CO 2 a TPE (Temperatura y presión estándar: 0ºC y<br />

1 atm).<br />

Problema 5 :<br />

Calcule <strong>el</strong> volumen <strong>de</strong> O 2 (en litros) a TPE requerido <strong>para</strong> la combustión completa <strong>de</strong> 2 .64 L <strong>de</strong><br />

acetileno (C 2 H 2 ) a TPE.<br />

2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) → 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O(l)<br />

Problema 6:<br />

La azida <strong>de</strong> sodio (NaN 3 ) se utiliza en bolsas <strong>de</strong> aire en algunos automóviles. El impacto <strong>de</strong> un choque<br />

<strong>de</strong>senca<strong>de</strong>na la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> la NaN 3 <strong>de</strong> la siguiente manera<br />

2 NaN 3 (s) → 2 Na (s) + 3 N 2 (g)<br />

El gas nitrógeno producido infla rápidamente la bolsa que se encuentra entre <strong>el</strong> conductor y <strong>el</strong><br />

<strong>para</strong>brisas. Calcule <strong>el</strong> volumen <strong>de</strong> N 2 generado a 21ºC y 823 mmHg por la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> 60.0 g<br />

<strong>de</strong> NaN 3 .<br />

Problema 7:<br />

Una mezcla <strong>de</strong> gases contiene 4.46 moles <strong>de</strong> neón (Ne), 0.74 moles <strong>de</strong> argón (Ar) y 2.15 moles <strong>de</strong><br />

xenón (Xe). Calcule las presiones parciales <strong>de</strong> los gases si la presión total es 2.00 atm a una cierta<br />

temperatura.<br />

Problema 8 :<br />

El oxígeno gaseoso generado por la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> clorato <strong>de</strong> potasio es recolectado en un<br />

recipiente con agua a 24ºC y una presión atmosférica <strong>de</strong> 762 mmHg; <strong>el</strong> volumen recogidoo es <strong>de</strong> 128<br />

mL. Calcule la masa (en granos) <strong>de</strong>l gas oxígeno obtenido La presión <strong>de</strong> vapor <strong>de</strong>l agua a 24ºC es 22.4<br />

mmHg.<br />

Ayuda: utilice la ley <strong>de</strong> Dalton <strong>para</strong> calcular la presión parcial <strong>de</strong> O 2 .


FUERZA, TRABAJO, ENERGÍA, ELECTROESTÁTICA: RESPUESTAS<br />

1) La masa (m) <strong>de</strong> un cuerpo se refiere a su inercia, mientras que <strong>el</strong> peso (P) <strong>de</strong> un<br />

cuerpo es la fuerza que actúa sobre <strong>el</strong> mismo por acción <strong>de</strong>l campo gravitatorio <strong>de</strong> la<br />

Tierra. El peso es pues una fuerza dirigida aproximadamente hacia <strong>el</strong> centro <strong>de</strong> la Tierra y<br />

su valor es:<br />

P = m.g<br />

don<strong>de</strong> g es la ac<strong>el</strong>eración <strong>de</strong>bida a la gravedad (9,8 m.s -2 )<br />

En este caso:<br />

En unida<strong>de</strong>s mks: P = m.g = 1 kg. 9,8 m.s -2 = 9,8 N<br />

En unida<strong>de</strong>s cgs: P = m.g = 1000 g. 980 cm.s -2 = 980.000 dinas<br />

2) De acuerdo a la ley <strong>de</strong> Newton, una fuerza neta sobre un cuerpo produce una<br />

ac<strong>el</strong>eración (a) en la dirección <strong>de</strong> la fuerza que es directamente proporcional a la misma,<br />

e inversamente proporcional a su masa (m):<br />

F = m.a<br />

Las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fuerza en <strong>el</strong> sistema mks (metro-kilogramo-segundo), don<strong>de</strong> la masa se<br />

mi<strong>de</strong> en kilogramos y la ac<strong>el</strong>eración en m.s -2 es <strong>el</strong> Newton (N) que equivalente a una<br />

fuerza que produce sobre un cuerpo <strong>de</strong> 1 kg. una ac<strong>el</strong>eración <strong>de</strong> 1 m.s -2 .<br />

En <strong>el</strong> sistema cgs (centímetro-gramo-segundo) la masa se mi<strong>de</strong> en gramos, la ac<strong>el</strong>eración<br />

en cm.s -2 y la fuerza en dinas (dyn), equivalente a una fuerza que produce sobre un<br />

cuerpo <strong>de</strong> 1 g. una ac<strong>el</strong>eración <strong>de</strong> 1 cm.s -2 .<br />

En este caso:.<br />

F = m.a = m. (v t -v o )/t = 5 kg (3-7)m. s-1 /2s = -10 N<br />

El signo negativo indica que la fuerza esta aplicada en dirección opuesta al movimiento.<br />

Como 1 N = 10 5 dinas, en unida<strong>de</strong>s cgs: F = - 10 6 dinas.<br />

3) La fuerza aplicada pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>scomponerse en las direcciones <strong>para</strong>l<strong>el</strong>a y perpendicular al<br />

plano. La fuerza <strong>para</strong>l<strong>el</strong>a al plano es la que produce la ac<strong>el</strong>eración en la dirección x:<br />

F y<br />

F<br />

F x<br />

x<br />

F x = F.cos 30º = 3N. 0,865 = 2,595 N<br />

a = F/m = 2,595 N/2 kg = 1,30 m.s -2


La v<strong>el</strong>ocidad <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 10 segundos es:<br />

a= (v t -v o )/t → v t = v o + a.t = 0 + 1,30 m.s -2 .10 s = 13 m.s -1 .<br />

4) Una fuerza realiza un trabajo (W) sobre un cuerpo cuando al actuar sobre <strong>el</strong> mismo<br />

produce un <strong>de</strong>splazamiento (d). La fuerza es una cantidad escalar y su magnitud está<br />

dada por <strong>el</strong> producto <strong>de</strong>l <strong>de</strong>splazamiento (distancia recorrida) y la fuerza en la dirección<br />

<strong>de</strong>l movimiento:<br />

W = F.cosθ. d<br />

En este caso θ=0 y entonces: W = F.d = 3 N. 12m = 36 J<br />

En unida<strong>de</strong>s cgs: W = F.d = 3.10 5 dinas. 1.200 cm = 3,6.10 8 ergios.<br />

5) La energía potencial (E p ) es <strong>el</strong> producto <strong>de</strong>l peso por la altura. La diferencia <strong>de</strong><br />

energía portencial (ΔE p ) cuando <strong>el</strong> cuerpo se <strong>el</strong>eva una altura Δh es:<br />

ΔE p = P. Δh = m.g Δh = 2000 kg. 9,8 m.s -2 . 31 m = 627.200 J = 6,27.10 12 ergios<br />

6) La energía cinética <strong>de</strong> un cuerpo es igual a:<br />

E c = ½ m.v 2 = ½ .2000 kg. (90.000/3600) 2 m.s -1 = 625.000 J = 6,25.10 12 ergios<br />

7) i) Inicialmente la bola esta en reposo y toda su energía es potencial (tomamos<br />

arbitrariamente <strong>el</strong> cero <strong>de</strong> energía potencial sobre la superficie):<br />

E c = 0 ;<br />

E p = P. Δh = 1 kg. 9,8 m.s -2 . 1m = 9,8 J ; E t = E c + E p = 9,8 J<br />

ii) cuando está a 0,5 m <strong>de</strong> la superficie la energia potencial es<br />

E p = P. Δh = 1 kg. 9,8 m.s -2 . 0,5m = 4,9 J<br />

Como la energía total <strong>de</strong>be conservarse la energía cinética <strong>de</strong>be valer E c = 4,9 J.<br />

iii) en <strong>el</strong> momento <strong>de</strong> tocar la superficie: E p = 0 y E c = 4,9 J.<br />

8) La ley <strong>de</strong> coulomb establece que la fuerza con que se atraen o rep<strong>el</strong>en dos cargas en <strong>el</strong><br />

vacío es proporcional al producto <strong>de</strong> las cargas (q y q´) e inversamente proporcional al<br />

cuadrado <strong>de</strong> la distancia (r) entre las mismas:<br />

1<br />

F =<br />

4πε o<br />

qq´<br />

r<br />

2<br />

siendo ε o la permitividad <strong>el</strong>éctrica <strong>de</strong>l vacío (ε o = 8,85.10 -12 coulomb 2 .N -1 m -2 ), por lo que<br />

(4πε o ) -1 = 9.10 9 N.m 2 .coulomb -2 .<br />

En este caso:<br />

F= 9.10 9 (N.m 2 .coulomb -2 ) 2.10.(1,60.10 -19 ) 2 coulomb 2 /(3.10 -9 ) 2 m 2 = 5,12.10 -10 N


9) -8 μc<br />

F 1 F F 2<br />

+2 μc +3 μc<br />

La fuerza atractiva con que la carga negativa interactua con las sos cargas positivas esta<br />

dirigida sobre cada lado <strong>de</strong>l triangulo, <strong>de</strong> modo que la fuerza resultante esta en la<br />

direccion indicada por la flecha. El angulo entre las componentes y la resultante es <strong>de</strong><br />

60º, <strong>de</strong> modo que:<br />

F = F 1 +cos 60º + F 2 cos 60º<br />

F =cos 60º 9.10 9 (N.m 2 .coulomb -2 ) {-8.10 -6 .2.10 -6 -8.10 -6 .3.10 -6 }coulomb 2 /(0,1) 2 m 2<br />

F = 31,4 N<br />

10) Para los iones interactuando en <strong>el</strong> vacio (cristal) aplicamos la ley <strong>de</strong> Coulomb:<br />

F = 9.10 9 (N.m 2 .coulomb -2 ) 2.(1,60.10 -19 ).(-1).(1,60.10 -19 )coulomb 2 /(2.10 -9 ) 2 m 2 =<br />

-1,152.10 -10 N<br />

Si en lugar <strong>de</strong> interactuar en <strong>el</strong> vacío las cargas se encuentran en un medio <strong>de</strong> constante<br />

di<strong>el</strong>éctrica, ε, la ley <strong>de</strong> Coulomb se escribe <strong>de</strong> manera similar:<br />

En agua (ε =78):<br />

F<br />

1<br />

=<br />

4πεε o<br />

qq´<br />

r<br />

2<br />

F= (9.10 9 /78) (N.m 2 .coulomb -2 ) 2.(1,60.10 -19 ).(-1).(1,60.10 -19 )coulomb 2 /(2.10 -9 ) 2 m 2 =<br />

-1,477. 10 -12 N


FUERZA, TRABAJO, ENERGÍA, ELECTROESTÁTICA<br />

Esta parte trata sobre conceptos básicos <strong>de</strong> mecánica (fuerza, trabajo, energía, ley <strong>de</strong><br />

Newton) y <strong>de</strong> <strong>el</strong>ectrostática (cargas, ley <strong>de</strong> Coulomb).<br />

PROBLEMAS<br />

1) ¿Cuál es <strong>el</strong> peso <strong>de</strong> un cuerpo cuya masa es 1 kilogramo. Exprese <strong>el</strong> mismo en<br />

unida<strong>de</strong>s mks (N) y cgs (dinas).<br />

2) Una fuerza que actúa sobre un cuerpo <strong>de</strong> masa m= 5 kg reduce su v<strong>el</strong>ocidad <strong>de</strong> 7 m.s -1<br />

a 3 m.s -1 en 2 s. Calcule dicha fuerza en N y en dinas.<br />

3) Una fuerza constante <strong>de</strong> 3 N es aplicada a un cuerpo en reposo apoyado sobre un plano<br />

con un angulo <strong>de</strong> 30º respecto <strong>de</strong>l plano. Suponiendo que no hay rozamiento entre <strong>el</strong><br />

cuerpo (<strong>de</strong> 2 kg <strong>de</strong> masa) y <strong>el</strong> plano calcule la ac<strong>el</strong>eración <strong>de</strong>l cuerpo y su v<strong>el</strong>ocidad<br />

<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 10 s.<br />

4) Una fuerza <strong>de</strong> 3 N actúa a través <strong>de</strong> una distancia <strong>de</strong> 12 m en dirección <strong>para</strong>l<strong>el</strong>a a la<br />

fuerza. Calcule <strong>el</strong> trabajo realizado en Joules y ergios.<br />

5) Calcule <strong>el</strong> aumento <strong>de</strong> energia potencial (en J y erg) <strong>de</strong> un cuerpo <strong>de</strong> 2000 kg cuando<br />

se lo <strong>el</strong>eva verticalmente 32 m.<br />

6) ¿Cuál es la energía cinética <strong>de</strong> un auto <strong>de</strong> 2 Ton que se mueve a una v<strong>el</strong>ocidad <strong>de</strong> 90<br />

km/h.<br />

7) Una bola <strong>de</strong> acero <strong>de</strong> 1 kg, , inicialmente en reposo, se <strong>de</strong>ja caer <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 1 m <strong>de</strong> altura<br />

sobre una superficie. Calcule la energía potencial, la energia cinética y la energia total <strong>de</strong><br />

la bola en: i) <strong>el</strong> instante inicial; ii) cuando está a 0,5 m <strong>de</strong> la superficie; iii) en <strong>el</strong> momento<br />

<strong>de</strong> tocar la superficie.<br />

8) Un nucleo <strong>de</strong> He tiene una carga +2e y un nucleo <strong>de</strong> Ne tiene una carga <strong>de</strong> +10e,<br />

siendo e la carga <strong>de</strong>l <strong>el</strong>ectron e = 1,60.10 -19 coulombios. ¿Cuál es la fuerza con que se<br />

rep<strong>el</strong>en estos dos nucleos en <strong>el</strong> vacio cuando se encuentran se<strong>para</strong>dos por 3 nm.<br />

9) Tres cargas <strong>de</strong> +2, +3 y -8 microcoulombios se colocan en los vertices <strong>de</strong> un triangulo<br />

equilatero <strong>de</strong> 10 cm <strong>de</strong> lado. Calcule la magnitud, dirección y sentido <strong>de</strong> la fuerza que<br />

actua sobre la carga negativa <strong>de</strong>bido a las dos cargas positivas.<br />

10) Calcule la fuerza <strong>de</strong> interacción <strong>de</strong> un ion Ca 2+ y un ion Cl - se<strong>para</strong>dos una distancia<br />

<strong>de</strong> 2 nm en un cristal <strong>de</strong> CaCl 2 . Repita <strong>el</strong> calculo <strong>para</strong> los mismos iones se<strong>para</strong>dos 2 nm<br />

en agua a 25 o C (constante di<strong>el</strong>éctrica 78).

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