Exercicis de reaccions químiques — Física i Química 4t ESO

Els mols són la massa dividida per la massa molar: n = $\tfrac{m}{M}$.
n = 44 $\tfrac{g}{44}$ g/mol = 1 mol.
És exactament 1 mol de diòxid de carboni.

En diluir, els mols de solut no canvien; només augmenta el volum. Per això val la relació $M_{1}$·$V_{1}$ = $M_{2}$·$V_{2}$.

1. Dades: $M_{1}$ = 3 mol/L, $V_{1}$ = 100 mL i $V_{2}$ = 300 mL. Com que el volum apareix a totes dues bandes, es poden deixar els mil·lilitres.
2. Aïllo la concentració final: $M_{2}$ = $M_{1}$·$\tfrac{V_{1}}{V_{2}}$. El producte $M_{1}$·$V_{1}$ val 300, i $\tfrac{300}{300} = 1$ mol/L.

El resultat té sentit: he triplicat el volum, així que la concentració s'ha de dividir per 3.

L'escala de pH va de 0 a 14. Per sota de 7 és àcid; 7 és neutre; per sobre de 7 és bàsic.
Un pH de 3 és menor que 7.
Per tant la dissolució és àcida.

El carboni ja està ajustat: 1 C a cada banda.
Hidrogen: a l'esquerra hi ha 4 H (en CH₄), per tant a la dreta calen 2 molècules d'aigua: 2H₂O.
Oxigen: a la dreta hi ha 2 (en CO₂) + 2 (en 2H₂O) = 4 àtoms d'O, per tant a l'esquerra calen 2 molècules d'O₂.
Equació ajustada: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
Comprovació: esquerra 1 C, 4 H, 4 O; dreta 1 C, 4 H, 2 + 2 = 4 O.
Error típic: ajustar canviant els subíndexs de les fórmules. Només es poden canviar els coeficients.

Apliquem la llei de conservació de la massa: en una reacció química la massa total dels reactius és igual a la massa total dels productes.
m(Mg) + m($O_{2}$) = m(MgO) → 24 + m($O_{2}$) = 40.
m($O_{2}$) = 40 - 24 = 16 g.
Comprovació amb l'equació 2Mg + $O_{2}$ → 2MgO (Mg 24; O 16): reactius 2·24 + 32 = 80 g i producte 2·40 = 80 g, i la proporció 24 : 16 : 40 es manté.

En molècules: 1 molècula de N₂ reacciona amb 3 molècules de H₂ i es formen 2 molècules de NH₃.
En mols: 1 mol de N₂ + 3 mol de H₂ → 2 mol de NH₃.
En grams: M(N₂) = 28 g/mol, M(H₂) = 2 g/mol i M(NH₃) = 17 g/mol, per tant 28 g de N₂ + 3·2 = 6 g de H₂ → 2·17 = 34 g de NH₃.
Comprovació: reactius 28 + 6 = 34 g i productes 34 g, així que la massa es conserva.
Recorda que els coeficients donen la proporció en molècules o en mols, no en grams.

Calci: 1 Ca a cada banda, ja està.
Clor: a la dreta n'hi ha 2 (en CaCl₂), per tant cal 2HCl.
Hidrogen: a l'esquerra hi ha 2 (de 2HCl) + 2 (dels dos grups OH de Ca(OH)₂) = 4 H, per tant a la dreta calen 2H₂O.
Oxigen: 2 O a l'esquerra (dos grups OH) i 2 O a la dreta (2H₂O), ja quadra.
Equació ajustada: 2HCl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2H₂O.
Comprovació: esquerra 1 Ca, 2 Cl, 4 H, 2 O; dreta 1 Ca, 2 Cl, 4 H, 2 O.

a) Exotèrmica: la combustió allibera calor i llum.
b) Endotèrmica: la planta absorbeix energia de la llum del Sol per fabricar glucosa.
c) Exotèrmica: la glucosa es combina amb l'oxigen i s'allibera l'energia que aprofiten les cèl·lules.
d) Endotèrmica: cal subministrar energia elèctrica contínuament per trencar l'aigua.
Les reaccions exotèrmiques, un cop iniciades, continuen soles; les endotèrmiques necessiten un aport continu d'energia.

a) Síntesi: dues substàncies simples (Na i Cl₂) s'uneixen per formar un sol compost (NaCl).
b) Descomposició: una sola substància (H₂O₂) es trenca en dues de més simples (H₂O i O₂).
c) Combustió: un hidrocarbur (el propà) reacciona amb l'oxigen i dona CO₂ i aigua, amb despreniment d'energia.
d) Neutralització: un àcid (HNO₃) i una base (KOH) reaccionen i formen una sal (KNO₃) i aigua.

pH = -log[$H^{+}$] = -log($10^{-5}$) = 5.
Com que el pH és inferior a 7, la dissolució és àcida (a pH 7 és neutra i per sobre de 7 és bàsica).
Comprovació: cada unitat de pH correspon a un factor 10 en la concentració d'$H^{+}$; aquesta dissolució té 100 vegades menys $H^{+}$ que una de pH 3.

Cal un 2 a la dreta: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Així hi ha 2 àtoms d'H i 2 de Cl a cada banda.

De síntesi: dues substàncies s'uneixen per formar-ne una de sola.

Per exemple: pujar la temperatura i augmentar la concentració (també valen més superfície de contacte o un catalitzador).

En una neutralització l'àcid i la base reaccionen en la proporció que diu l'equació ajustada (aquí 1 a 1).

1. Mols de base: n = M · V = 2 · 0,05 = 0,1 mol de NaOH (he passat 50 mL a 0,05 L).
2. Relació molar: 1 mol de HCl neutralitza 1 mol de NaOH, així que calen 0,1 mol de HCl.
3. Volum d'àcid: V = n / M = 0,1 / 1 = 0,1 L, és a dir 100 mL de HCl.

Parany: encara que l'àcid sigui menys concentrat que la base, el que iguala la reacció són els mols; per això cal passar sempre pels mols abans de comparar els volums.

Masses molars: M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3·16 = 100 g/mol; M(CaO) = 56 g/mol; M(CO₂) = 44 g/mol.
Mols de reactiu: n = 200/100 = 2 mol de CaCO₃.
L'equació és 1 : 1 : 1, així que es formen 2 mol de CaO i 2 mol de CO₂.
m(CaO) = 2·56 = 112 g; m(CO₂) = 2·44 = 88 g.
Comprovació: 112 + 88 = 200 g, igual que la massa de reactiu.

Mols de zinc: n(Zn) = 13,08/65,4 = 0,2 mol.
L'equació indica 1 mol de Zn per cada mol de H₂, per tant es formen 0,2 mol de H₂.
Volum en c.n.: V = 0,2·22,4 = 4,48 L d'hidrogen.
Com que l'HCl és en excés, el zinc és el reactiu limitant i és el que determina la quantitat de gas.

Equació ajustada: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O.
M(C₄H₁₀) = 4·12 + 10 = 58 g/mol → n = 5800/58 = 100 mol de butà.
Proporció 2 : 8 (és a dir, 1 : 4): n(CO₂) = 100·8/2 = 400 mol.
M(CO₂) = 44 g/mol → m = 400·44 = 17600 g = 17,6 kg de CO₂.
Comprovació: calen 100·13/2 = 650 mol d'O₂ (20,8 kg) i es formen 500 mol d'aigua (9,0 kg); reactius 5,8 + 20,8 = 26,6 kg i productes 17,6 + 9,0 = 26,6 kg.

Mols d'àcid: n(H₂SO₄) = 0,2 mol/L · 0,025 L = 0,005 mol.
L'equació mostra que cada mol d'àcid necessita 2 mol de base: n(NaOH) = 2·0,005 = 0,010 mol.
Volum de base: V = n/c = 0,010/0,5 = 0,020 L = 20 mL.
Error típic: oblidar el coeficient 2 i obtenir 10 mL, com si la reacció fos 1 : 1.

Error: els coeficients d'una equació indiquen proporcions en mols (o en molècules), no en grams.
1 mol de C (12 g) reacciona amb 1 mol d'O₂ (32 g).
Mols de carboni: n = 10/12 = 0,833 mol, que necessiten 0,833 mol d'O₂.
m(O₂) = 0,833·32 = 26,7 g.
Els 10 g d'oxigen no bastarien: només cremarien 10/32 = 0,3125 mol de C, és a dir, 3,75 g de carboni.

a) Cert: el catalitzador intervé en la reacció, però es recupera intacte al final.
b) Fals: només fa que s'arribi més de pressa al mateix resultat; la quantitat de producte depèn de la quantitat de reactius.
c) Cert: ofereix un camí alternatiu amb menys energia d'activació, de manera que hi ha més xocs eficaços per segon.
d) Fals: no és ni reactiu ni producte i no apareix a l'equació global (se sol escriure sobre la fletxa).

M(CH₄) = 12 + 4 = 16 g/mol.
64 g de metà: n = 64/16 = 4 mol → E = 4·890 = 3560 kJ.
Per obtenir 4450 kJ calen n = 4450/890 = 5 mol de metà.
Massa: m = 5·16 = 80 g de metà.
Comprovació: 3560/64 = 55,6 kJ/g i 4450/80 = 55,6 kJ/g, el mateix valor per gram en tots dos casos.

Segons els coeficients ajustats, 2 mol de $H_{2}$ donen 2 mol de $H_{2}O$: la proporció és 1 a 1.
Amb 4 mol de $H_{2}$ s'obtenen 4 mol de $H_{2}O$.
L'oxigen es dona per suficient, així que l'hidrogen mana el càlcul.

De descomposició: una sola substància (KClO₃) es trenca en dues (KCl i O₂).

Escalfar-la (més temperatura), fer servir reactius més concentrats o més trossejats (més superfície), o afegir un catalitzador.

Mols de cada reactiu: n(Fe) = 14/56 = 0,25 mol; n(S) = 10/32 = 0,3125 mol.
L'equació és 1 : 1, així que reaccionen mols iguals. Com que hi ha menys mols de Fe (0,25 < 0,3125), el reactiu limitant és el ferro.
Es formen 0,25 mol de FeS: M(FeS) = 56 + 32 = 88 g/mol → m = 0,25·88 = 22 g.
Sofre que reacciona: 0,25 mol (8 g); sobren 10 - 8 = 2 g de sofre (0,0625 mol).
Comprovació: 14 + 10 = 24 g de reactius = 22 g de FeS + 2 g de S sobrant.

Mols de CO₂: n = 8,96/22,4 = 0,4 mol.
L'equació és 1 : 1 entre CaCO₃ i CO₂, així que han reaccionat 0,4 mol de CaCO₃.
M(CaCO₃) = 100 g/mol → m = 0,4·100 = 40 g de CaCO₃ pur.
Riquesa = (40/50)·100 = 80 %.
Els 10 g restants són impureses que no produeixen CO₂.

M(Fe₂O₃) = 2·56 + 3·16 = 160 g/mol → n = 80000/160 = 500 mol.
Rendiment teòric: l'equació dona 2 mol de Fe per cada mol d'òxid → n(Fe) = 2·500 = 1000 mol.
m teòrica = 1000·56 = 56000 g = 56 kg de Fe.
Rendiment = (massa real/massa teòrica)·100 = (50,4/56)·100 = 90 %.
És inferior al 100 % perquè en la pràctica hi ha pèrdues i reaccions incompletes.

a) [H⁺] = 0,01 = 10^-2 mol/L → pH = 2.
b) Mols d'H⁺ en els 10 mL: n = 0,01·0,010 = 1·10^-4 mol.
Concentració en 1 L: 1·10^-4/1 = 10^-4 mol/L → pH = 4. Diluir 100 vegades fa pujar el pH en 2 unitats.
c) HCl + NaOH → NaCl + H₂O (1 : 1): calen 1·10^-4 mol de NaOH.
V = n/c = 1·10^-4/0,1 = 1·10^-3 L = 1 mL.

a) Velocitat mitjana = volum de gas format/temps.
De 0 a 30 s: v = $\tfrac{(24 - 0)}{30} = 0{,}80$ mL/s.
De 90 a 120 s: v = $\tfrac{(54 - 50)}{30} = 0{,}13$ mL/s.
b) La reacció va cada cop més lenta perquè, a mesura que es consumeixen els reactius, la seva concentració disminueix, hi ha menys xocs eficaços entre partícules per segon i es forma menys gas.
A una temperatura més alta les partícules es mouen més de pressa i xoquen amb més energia i més sovint: la velocitat seria més gran des del començament i la mateixa quantitat de gas es recolliria en menys temps.

n(CH₄) = 32/16 = 2 mol.
Pel coeficient 2 de l'O₂: n(O₂) = 2·2 = 4 mol → V(O₂) = 4·22,4 = 89,6 L.
Aire: només el 21 % és oxigen, per tant V(aire) = 89,6/0,21 = 426,7 L (uns 427 L).
CO₂: 1 mol per cada mol de metà → n = 2 mol → V = 2·22,4 = 44,8 L.
Error típic: oblidar que l'aire no és oxigen pur i donar 89,6 L com a volum d'aire.