Ejercicios Resueltos de Disoluciones, Equilibrio Químico y Teoría Ácido-Base

1. Cálculo de la Molaridad de una Mezcla de Ácido Nítrico

Calcula la molaridad de la disolución que resulta de añadir 10 ml de HNO₃ comercial, del 67% de riqueza y 1,4 g/ml de densidad, a 80 ml de HNO₃ 0,8 M. Se supone que los volúmenes son aditivos.

Datos:

• PA_N = 14,0067 g/mol
• PA_H = 1,0078 g/mol
• PA_O = 15,999 g/mol

Resolución paso a paso:

Calculamos los moles de soluto que hay en cada una de las dos fracciones que añadimos:

Fracción 1: 10 ml de HNO₃ comercial (67% riqueza, 1,4 g/ml densidad)

d_{ac. com.} = m_{ac. com.} / V_{ac. com.} ⇒ m_{ac. com.} = d_{ac. com.} × V_{ac. com.}
m_{ac. com.} = 1,4 g/ml × 10 ml = 14 g de ácido comercial
14 g ácido comercial × (67 g de HNO₃ / 100 g de ácido comercial) = 9,38 g de HNO₃
PM_HNO3 = (1,0078 + 14,0067 + 3 × 15,999) g/mol = 63,0115 g/mol
9,38 g de HNO₃ × (1 mol de HNO₃ / 63,0115 g de HNO₃) = 0,1489 mol de HNO₃

Fracción 2: 80 ml de HNO₃ 0,8 M

M = n_soluto / V_disolución ⇒ n_soluto = M × V_disolución
n_soluto = 0,8 mol/l × 0,080 l = 0,064 mol de HNO₃

Cálculo de la Molaridad final:

M = n_{total soluto} / V_{total disolución}
M = (0,1489 + 0,064) mol de HNO₃ / (0,010 + 0,080) l = 2,3656 mol/l ≈ 2,37 M

2. Equilibrio Químico: Disociación del Amoniaco

Se ha introducido en un recipiente vacío (4,00 l) 15,63 g de amoniaco y 9,80 g de nitrógeno. El equilibrio se alcanza a cierta temperatura cuando el recipiente contiene 0,70 moles de amoniaco.

a) Calcula el valor de K_C a la temperatura de la experiencia para el equilibrio de disociación del amoniaco:
2 NH₃ (g) ⇌ N₂ (g) + 3 H₂ (g)

b) ¿Qué valor tendrá K_P a la temperatura de la experiencia (35 °C)?

Datos: PA_N = 14,0067 g/mol; PA_H = 1,0078 g/mol

Resolución:

a) Expresamos en moles las cantidades dadas de NH₃ y N₂:
n_NH3 = 15,63 g / 17,0301 g/mol = 0,9178 mol
n_N2 = 9,80 g / 28,0134 g/mol = 0,3498 mol

0,92 − 2x = 0,70 ⇒ 2x = 0,22 ⇒ x = 0,11

Moles en el equilibrio:
n_NH3 = 0,70 mol
n_N2 = 0,35 + 0,11 = 0,46 mol
n_H2 = 3(0,11) = 0,33 mol

Concentraciones de equilibrio:
[NH₃] = 0,70 mol / 4,00 l = 0,175 M
[N₂] = 0,46 mol / 4,00 l = 0,115 M
[H₂] = 0,33 mol / 4,00 l = 0,0825 M ≈ 0,083 M

K_C = ([N₂] · [H₂]³) / [NH₃]²
K_C = (0,115 · 0,083³) / 0,175²
K_C = (0,115 · 5,72 × 10⁻⁴) / 0,0306 = 2,12 × 10⁻³ mol²/l²

b) Cálculo de K_P:
Para calcular el valor de K_P, se debe calcular el valor de Δn:
Δn = (1 + 3) − 2 = 2
K_P = K_C (RT)^Δn
K_P = 2,12 × 10⁻³ · (0,08206 atm·l/K·mol × 308 K)² = 1,354 atm²

Cuestiones Teóricas

7. Razonamiento sobre Solubilidad y Disoluciones

Razona y escribe si son ciertas o no las siguientes afirmaciones:

• a) Al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad de las sustancias.
  Falsa. Aunque en muchos casos la solubilidad de sólidos en líquidos aumenta con la temperatura, existen excepciones y, además, cuando el soluto es un gas su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.
• b) Una disolución sobresaturada es una mezcla heterogénea.
  Falsa. Una disolución sobresaturada es un sistema inestable, pero mientras el soluto permanece disuelto la mezcla es homogénea. Solo cuando precipita el exceso de soluto pasa a ser una mezcla heterogénea.
• c) La solubilidad del oxígeno en agua aumenta al aumentar la presión.
  Cierta. Según la ley de Henry, la solubilidad de los gases en agua aumenta al aumentar la presión parcial del gas sobre el líquido.
• d) Una disolución saturada puede ser una disolución diluida.
  Cierta. Una disolución saturada puede ser diluida si el soluto tiene una solubilidad muy baja (sustancias poco solubles) en el disolvente.
• e) Para eliminar el cloro del agua es bueno meterla en la nevera.
  Falsa. Al disminuir la temperatura aumenta la solubilidad de los gases en agua, por lo que enfriar el agua favorece que el cloro permanezca disuelto. Para eliminarlo conviene aumentar la temperatura o dejar el agua en reposo para que escape el gas.

8. Teoría de Brønsted-Lowry

Dadas las siguientes especies químicas en disolución acuosa: HCl, HCO₃⁻, NH₃, HNO₃ y CN⁻, justifique según la teoría de Brønsted-Lowry, cuál o cuáles pueden actuar:

• a) Sólo como ácidos:
  HCl y HNO₃. Son ácidos fuertes que donan protones al agua de forma irreversible.
  HCl (ac) + H₂O (l) → Cl⁻ (ac) + H₃O⁺ (ac)
  HNO₃ (ac) + H₂O (l) → NO₃⁻ (ac) + H₃O⁺ (ac)
• b) Sólo como bases:
  CN⁻ y NH₃. Pueden aceptar protones del agua.
  NH₃ (ac) + H₂O (l) ⇌ NH₄⁺ (ac) + OH⁻ (ac)
  CN⁻ (ac) + H₂O (l) ⇌ HCN (ac) + OH⁻ (ac)
• c) Como ácidos y como bases (Anfóteros):
  HCO₃⁻. Puede donar un protón para formar carbonato o aceptarlo para formar ácido carbónico.
  Como ácido: HCO₃⁻ (ac) + H₂O (l) ⇌ CO₃²⁻ (ac) + H₃O⁺ (ac)
  Como base: HCO₃⁻ (ac) + H₂O (l) ⇌ H₂CO₃ (ac) + OH⁻ (ac)