examen parcial 13-14

Escuela Tcnica Superior de Ingeniera Dpto. de Ingeniera Qumica y Ambiental Grado en Ingeniera de Tecnologas Industriales Qumica General. Abril 2014 Apellidos_______________________________________________________ Nombre_______________________________________ Apellidos_______________________________________________________ Nombre_______________________________________

3 N Identificacin: De los elementos que se citan escriba los iones que forman cuando adoptan una configuracin estable, el nombre de esta y las configuraciones electrnicas de todas las especies (referidas al gas noble anterior)

Elemento Especies Tipo de configuracin estable Configuracin electrnica

K K Elemento neutro [Ar]4s1

K+ Gas noble [Ar]

Br

Br Elemento neutro [Ar] 4s2 3d10 4p5 Br - Gas noble [Ar] 4s2 3d10 4p6 = [Kr] Br5+ Par inerte [Ar] 4s2 3d10 Br7+ Pseudo gas noble [Ar] 3d10

N N Elemento neutro [He] 2s2 2p3

N3- Gas noble [He] 2s2 2p6 = [Ne] N5+ Helio [He]

W W Elemento neutro [Xe] 6s2 4f 14 5d 4

W6+ Gas noble [Xe] 4f 14

Sn Sn Elemento neutro [Kr] 5s2 4d10 5p2

Sn4+ Pseudo gas noble [Kr] 4d10 Sn2+ Par inerte [Kr] 5s2 4d10

Ordene las sustancias indicadas de mayor a menor temperatura de ebullicin indicando, para cada una, las fuerzas responsables de ello: E: Enlace qumico H: Puente de Hidrgeno P: Dipolo permanente-D. permanente I: Dipolo inducido-D. inducido

C2H6, C3H8, C4H10 ____ C4H10 (I)_ __ C3H8____(I)_ ___ C2H6__(I)__ HBr, HCl, HF, HI ___ HF __(H)___ ___HI_(P, I)___ ___HBr_(P, I)___ ___HCl_(P, I)___ C2H6, CH3OH, CH2OH-CH2OH, HCHO _ CH2OH-CH2OH _(H,I)_ _ CH3OH_(H,I)_ _ HCHO _(P,I)_ __ C2H6__(I)___

Se forma una solucin acuosa aadiendo permanganato potsico, cido clorhdrico y cloruro de antimonio (III). En la solucin tiene lugar un proceso redox y se produce la transformacin del permanganato en in manganoso [Mn(II)] y del antimonio (III) en antimonio (V) Escriba las semirreacciones ajustadas en las que se produce

a) La reduccin de una de las especies _______MnO4- + 8 H+ + 5 e - Mn2+ + 4 H2O_____

b) La oxidacin de una de las especies________Sb3+ Sb5+ + 2 e -__________________ Escriba la reaccin global ajustada En forma inica (sin iones espectadores) ___________ 2 MnO4- + 16 H+ + 5 Sb3+ 2 Mn2+ + 5 Sb5+ + 8H2O _____________ En forma molecular: __2_KMnO4 + _5__SbCl3 + _16__ HCl _2_MnCl2 + _5_SbCl5 +_2_ KCl + _8_H2O

Determine la temperatura a la cual las molculas de O2 tienen la misma velocidad media que las molculas de H2 a 300 K.

VMedia = VCM = (3RT/M)1/2 = (3RT/M)1/2 3RT/MO2 = 3R300/2 T = 300(32/2) = 4800 K En una instalacin se quema un combustible gaseoso con un 80% en volumen de butano, siendo el resto propano.

Escriba las reacciones de combustin completa ajustadas del propano y del butano n-C4H10 + 13/2 O2 4 CO2 + 5 H2O C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O Calcule el calor normal de combustin del butano (n-C4H10) -2876,5 kJ/mol, y del propano -2219,2 kJ/mol Calcule el poder calorfico superior (PCS) del combustible en kJ/Nm3

PCS = 0,82876,5 + 0,22219,2 = 2745,0 kJ/mol de combustible

2745,0 kJ/mol(1000/22,4) moles/Nm3 = 122.544,6 kJ/Nm3

Calcule el calor de vaporizacin (evaporacin) del agua a 25C____44____kJ/mol, y el calor necesario para transformar 1 kg de agua lquida a 15C en vapor de agua a 110C 1 kg agua = 55,56 moles H2O(l,15C) H2O(l,25C) H2O(g,25C) H2O(g,110C) 55,5675,310-3(25-15) 55,5644 55,5633,610-3(110-25)

2645,2 kJ


2 N Identificacin: I. Se tienen los siguientes datos de una sustancia A: T0eb = 130C; T0fus = -25C; Punto triple: (-25C, 120 mm Hg);

a) Represente el diagrama de equilibrio de fases (en el reverso de esta hoja). b) Calcule la temperatura de ebullicin de A a 2 atm !! = !"# 1! 1! 760120 = !"#8,314 [ 1403 1248] Hvap = 9895 J/mol Tb(2 atm) = 527 K

c) Se prepara una disolucin lquida de un soluto no voltil molecular en dicha sustancia A, con una fraccin molar de 0,1. Calcule la presin de vapor de dicha disolucin a 25C. R = 8,314 J/molK 760!! = 98958,314 [ 1403 1298] P0 (A, 25C) = 268,5 mm Hg xA = 0,9 P(dis) = P0 (A) xA = 241,7 mm Hg II. Se tienen dos lquidos (A y B) con las siguientes especificaciones:

Liquido Densidad (g/mL) Peso molecular (g/mol) Presin vapor (mmHg) a 300 K A 0,7 70 2660 B 0,8 90 1900

Determine la presin y los moles de gas y de lquido, a 300 K, cuando se introducen en un recipiente vaco de 100 L a) 200 g de A(g) n(A) = 2,86 mol Si hubiese equilibrio L/V (considerando que el volumen del gas es prcticamente el volumen del recipiente): PA = P0 = 2660 mmHg (3,5 atm) nA(g) = PA V/RT = 14,23 mol no hay tantos moles, por lo que no hay lquido Tambin se puede suponer de entrada que todo va a estar en forma de gas y calcular la presin: nA(g) = 2,86 mol PA = nRT/V = 0,703 atm = 534 mm Hg y como PA < P0 = 2660 mmHg (3,5 atm) no hay condensacin y por tanto esta ser la respuesta b) 40 kg de B(l) n(B) = 444,44 mol Considerando que se evapora muy poco, el volumen de lquido V(i) = V(B) = 50 L y el V(g) = 50 L Si hubiese equilibrio L/V PB = P0 nB(g) = P0 V(g)/RT = 5,08 mol por lo que s habr equilibrio Tambin se puede razonar suponiendo primero que todo est en forma de gas, calcular la presin (109,3 atm) y, al comprobar que es mucho mayor que la P0 a esa temperatura (2,5 atm), justificar que tiene que haber condensacin del gas y equilibrio L/V

P = P0 (B) = 1900 mm Hg nB(l) = 439,3 mol nB(g) = 5,08 mol c) 20 kg de A(l) y 20 kg de B(l), teniendo en cuenta que A y B forman una solucin ideal. Suponga que el volumen de la mezcla lquida es la suma de los volmenes de los dos lquidos. n(A) = 285,7 mol n(B) = 222,2 mol Considerando que se evapora muy poco, el volumen de lquido V total = V(A) + V(B) = 28,57 L + 25 L = 53,57 L V(g) = 46,43 L XA = 0,563 XB = 0,437 PA = P0 A XA = 1497,2 mm Hg nA(g) = 3,72 mol nA(l) = 282,0 mol PB = P0 B XB = 828,4 mm Hg nB(g) = 2,06 mol nB(l) = 220,16 mol P total = 2325,6 mm Hg


III. Se tiene un recipiente de 4 litros abierto a la atmsfera en el que se introduce 1 litro de agua (1 kg). A continuacin se cierra, se agita y se espera a que se alcance el equilibrio a 25C. Calcule la composicin (% v/v) de la fase gaseosa y los moles de N2 y O2 disueltos. P0(H2O, 25C) = 23,8 mmHg H(O2/H2O, 25C) = 11.000 mol H2Oatm O2 / mol O2 disuelto H(N2/H2O, 25C) = 8.000 mol H2Oatm N2 / mol N2 disuelto Inicialmente el oxgeno y el nitrgeno no se disuelven naire = PV/RT= 1 atm 3 L /R . 298 K = 0,122 mol = nO2 + nN2 nN2 = 0,097 mol nO2 = 0,026 mol Al agitar, ambos gases se disuelven, de forma que se cumple la siguiente ecuacin para los dos = + = + ! PO2 = 0,203 atm 20,7 %(v/v) O2 O2 disuelto = 1,010-3 mol PN2 = 0,749 atm 76,2 %( v/v) N2 N2 disuelto = 5,010-3 mol PH2O = 0,031 atm 3,1 %( v/v) H2O


1 N Identificacin: Se quiere tratar 2298,4 kg/h de un mineral con una riqueza del 49 %(p/p) en FeS y el resto inertes. En un primer equipo (reactor 1) se produce la tostacin del mineral para dar SO2, el porcentaje de inertes en la corriente de slidos a la salida del reactor es del 55,7%(p/p). En un segundo equipo se produce la oxidacin del SO2 a SO3, alcanzndose un grado de conversin del 82,2 %. En el tercer y ltimo reactor (reactor 3) se mezcla el SO3 con H2O, reaccionando para dar una disolucin acuosa de H2SO4. El rendimiento de este ltimo equipo es del 100%. En el reactor 1 se introduce aire con un 19 % de exceso sobre el tericamente necesario. Se pide:

NOTA. Los clculos se van a referir a la operacin de la planta en 1 h, por lo que las masas obtenidas en kg coinciden con los caudales msicos en kg/h a) Calcular el rendimiento en el reactor 1 FeS(s) + 3/2 O2(g) FeO(s) + SO2(g) Inicial (kmoles) (2298,4x0,49)/87,9 = 12,812 kmol FeS Final (kmoles) 12,812(1-x) kmol FeS 12,812x kmol FeS x = Grado de conversin Corriente de slidos Inertes (55,7%)+ FeS(s) +FeO(s) FeS(s) +FeO(s) (44,3%) Inertes en corriente de slidos = Inertes en mineral = 2298,4x0,51 kg Slidos (FeS +FeO) = 2298,4x0,51x(44,3/55,7) = 932,3 kg Slidos (FeS +FeO) = 932,3 kg = 12,812(1-x) kmol FeS 87,9 kg/kmol + 12,812x kmol FeS 71,9 kg/kmol x = 0,946 (1= 94,6%) b) Kg/h de aire introducidos en el reactor 1 12,812 kmol FeS x(3/2) kmol O2/kmol FeS x (10/21) kmol aire esteq/kmol O2 x 1,19 kmol aire total/ kmol aire esteq x 28,84 kg aire/kmol = 3140,8 kg 3140,8 kg/h c) T/h de solucin de cido sulfrico producido, si la composicin de dicha corriente es de un 89,3%(p/p) de cido sulfrico 1= 94,6% FeS(s) + 3/2 O2(g) FeO(s) + SO2(g) 12,812 kmol 12,812 x 0,946 kmol 1= 82,2% SO2(g) + 1/2 O2(g) SO3(g) 12,812 x 0,946 kmol 12,812 x 0,946 x 0,822 kmol 1= 100% SO3(g) + H2O(l) H2SO4(ac) 12,812 x 0,946 x 0,822 kmol 12,812 x 0,946 x 0,822 kmol H2SO4 = 9,963 kmol 9,963 kmol H2SO4 x 98 kg/kmol = 976,4 kg H2SO4 puro 976,4 x (10/89,3) = 1093,4 kg solucin H2SO4 (89,3%) 1,093 T/h d) Masa de agua (kg/h) que se aporta al reactor 3 Pesos atmicos: H 1, O 16, S 32, Fe 55,9 Agua aportada (H2O) = Agua en reaccin 3 + Agua en solucin H2SO4 H2O = 9,963 kmol x 18 kg/kmol + 1093,4 kg x (1- 0,893) = 296,3 kg 296,3 kg/h

Mineral N2, O2, SO2

Aire 1 Solucin de cido sulfrico

Aire 2H2O

Inertes + FeO+ FeS sin reaccionar

FeS(s)+3/2O2 (g) SO2 (g) + FeO(s)

SO2 (g) +1/2O2 (g) SO3 (g)

SO3 (g) +H2O (l) H2SO4 (ac)

examen parcial 13-14

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