Exercicis de Química: Equilibri Químic i Valoracions Àcid-Base

Problemes de Química: Equilibri i Valoració

1. Síntesi del Metanol i Equilibri Químic

Enunciat del Problema 1

La síntesi del metanol (alcohol metílic) es basa en l’equilibri següent:

CO(g) + 2H₂(g) ⇌ CH₃OH(g)

En un reactor cilíndric d’1 litre de capacitat es disposen 2 mol de CO i 2 mol d’hidrogen, i s’escalfa el conjunt fins a 600 K. Considerant que, un cop assolit l’equilibri a aquesta temperatura, s’han format 0,8 mol de metanol:

1. Calculeu els mols de cada substància un cop assolit l’equilibri.
2. Calculeu el valor de K_p a 600 K.
3. Indiqueu l’efecte que produirà sobre l’equilibri un augment del volum del recipient (imagineu-vos que el cilindre està dotat d’un pistó que permet la variació del seu volum). Raoneu la resposta.

Resolució del Problema 1: Síntesi del Metanol

a) Mols presents en l’equilibri

Mols presents en l’equilibri:

• CO = 1,2 mol
• H₂ = 0,4 mol
• CH₃OH = 0,8 mol

b) Càlcul de la constant d'equilibri K_p

El càlcul de K_p es pot fer a través del valor de les pressions parcials en l’equilibri o bé calculant prèviament el valor de K_c. Es puntuarà correctament l’exercici tant si el càlcul es fa emprant atmosferes (atm) com pascals (Pa) com a unitats de pressió.

Procediment 1: Càlcul de les pressions parcials

• p(CH₃OH) = 3,99 · 10⁶ Pa = 39,4 atm
• p(H₂) = 2,00 · 10⁶ Pa = 19,7 atm
• p(CO) = 6,00 · 10⁶ Pa = 59,0 atm

Procediment 2: A través del càlcul previ de K_c

K_c = 4,17

Resultat final de K_p

K_p = 1,68 · 10^-13 (treballant en Pa) o bé 1,72 · 10^-3 (si es treballa en atmosferes).

Per bé que K_c i K_p siguin constants addimensionals, es considerarà correcta la resposta encara que l’estudiant hagi expressat el valor d’aquestes constants amb unitats.

c) Efecte de l'augment del volum (Principi de Le Châtelier)

L’augment del volum del reactor provocarà un desplaçament de l’equilibri inicial cap a la formació de CO i H₂. Això es deu al fet que la reacció es desplaça cap a on es forma un nombre major de mols de gas (en aquest cas, cap als reactius: 3 mols de gas vs. 1 mol de gas).

2. Dissolució d'Hidròxid de Potassi (KOH) i Valoració

Enunciat del Problema 2

Es disposa d’una solució d’hidròxid de potassi (KOH) del 2,380% en massa i densitat 1,020 g/cm³.

1. Calculeu el pH d’aquesta solució.
2. S’utilitza aquesta solució per valorar 20,0 cm³ d’una dissolució d’àcid sulfúric (H₂SO₄) i s’arriba al punt d’equivalència amb un volum de 18,2 cm³. Calculeu la molaritat de l’àcid sulfúric.
3. Expliqueu el procediment que seguiríeu al laboratori per dur a terme la valoració anterior, indicant el material i l’indicador emprats. Podríeu llençar per la pica del laboratori la dissolució un cop valorada?

Resolució del Problema 2: Dissolució de KOH

a) Càlcul del pH de la solució de KOH

Molaritat de la dissolució de KOH = 0,433 M

Resultats del pH:

• pOH = 0,363
• pH = 13,64

b) Càlcul de la molaritat de l'àcid sulfúric

Molaritat de la dissolució d’H₂SO₄ = 0,197 M

c) Procediment de valoració al laboratori

Material de laboratori necessari

• Bureta de 25 mL.
• Pipeta aforada (o de doble aforament) de 20 mL. (Nota: Si no se’n disposa, pot usar-se una pipeta graduada de 25 mL, tot i que això comporta un xic més d’error).
• Erlenmeyer de 125 o 250 mL.
• Material auxiliar: comptagotes o pipeta Pasteur, embut petit, vas de precipitats de 50 mL, flascó rentador amb aigua destil·lada.

Reactius i indicadors

Donat que estem valorant un àcid fort amb una base forta (punt d’equivalència a pH = 7,0), podrem utilitzar qualsevol dels següents indicadors:

• Roig de fenol (6,4 groc - 8,2 roig)
• Blau de bromotimol (6,0 groc - 7,6 blau)
• Fenolftaleïna (8,2 incolor - 9,6 porpra)
• Roig de metil (4,4 roig - 6,2 groc taronja)

Descripció del procediment

1. Es carrega una bureta de 25 mL (per exemple, usant un vas de precipitats de 50 mL) amb la dissolució d’hidròxid de potassi (ens podem ajudar amb un petit embut). Cal evitar deixar bombolles d’aire a dins de la bureta i anar amb compte amb els vessaments.
2. Amb una pipeta aforada (o de doble aforament) pipetegem, amb l’ajut d’una pera o un altre estri d’aspiració, 20 mL de la dissolució d’H₂SO₄ i els disposem (caiguda per gravetat) dins d’un matràs Erlenmeyer de 125 o 250 mL. (Podem rentar les parets de l’Erlenmeyer amb un xic d’aigua procedent d’un flascó rentador).
3. Dins del matràs Erlenmeyer disposem dues o tres gotes de la dissolució d’indicador.
4. Obrim la clau de la bureta i deixem caure la dissolució d’hidròxid de potassi sobre la d’H₂SO₄, agitant contínuament el contingut de l’Erlenmeyer.
5. Quan veiem que l’indicador fa intenció de canviar de color, addicionem la dissolució de KOH gota a gota fins observar el canvi de coloració de l’indicador.
6. Tanques la clau de la bureta i anotes el volum consumit de dissolució de KOH, tot evitant errors de paral·latge.

Gestió de Residus

La dissolució valorada, com és neutra (K₂SO₄ i H₂O) en el punt d’equivalència, es pot llençar per la pica sense que això suposi cap risc o problema ambiental.