Ejercicios: Factores, catalizadores y diseño experimental

Considerá la reacción heterogénea entre el carbonato de calcio sólido y una disolución acuosa de ácido clorhídrico: $\mathrm{CaCO_3(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow CaCl_2(aq) + CO_2(g) + H_2O(l)}$. Para estudiar su cinética a $25\,^\circ\mathrm{C}$, se realizan dos ensayos independientes empleando en ambos exactamente $5.0\,\mathrm{g}$ de $\mathrm{CaCO_3}$ y $100\,\mathrm{mL}$ de disolución acuosa de $\mathrm{HCl}\ 1.0\,\mathrm{mol}\times\mathrm{L}^{-1}$. En el primer ensayo se utiliza un único fragmento compacto de mármol y en el segundo, mármol finamente pulverizado.

1. a) Justificá, según la teoría de colisiones, en cuál de los dos ensayos la velocidad inicial de desprendimiento de gas será mayor.
2. b) Explicá razonadamente si el volumen total de $\mathrm{CO_2(g)}$ desprendido al finalizar completamente la reacción será diferente en ambos casos.

En la síntesis industrial de trióxido de azufre según el proceso de contacto, se oxida dióxido de azufre a $450\,^\circ\mathrm{C}$ mediante un equilibrio exotérmico: $\mathrm{2\,SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2\,SO_3(g)}$, con $\Delta H^\circ = -198\,\mathrm{kJ}\times\mathrm{mol}^{-1}$. Para aumentar la rapidez del proceso se utiliza pentóxido de divanadio sólido, $\mathrm{V_2O_5(s)}$, como catalizador.

1. a) Explicá cómo modifica el $\mathrm{V_2O_5(s)}$ la energía de activación de la reacción directa y de la reacción inversa.
2. b) Razoná si la introducción del catalizador incrementa la entalpía estándar de la reacción $\Delta H^\circ$ o la concentración de $\mathrm{SO_3(g)}$ alcanzada en el equilibrio químico a dicha temperatura.

La descomposición del peróxido de hidrógeno, $\mathrm{2\,H_2O_2(aq) \rightarrow 2\,H_2O(l) + O_2(g)}$, puede ser acelerada por la enzima catalasa (biocatalizador) o por dióxido de manganeso sólido, $\mathrm{MnO_2(s)}$ (catalizador inorgánico). En una serie de ensayos realizados entre $10\,^\circ\mathrm{C}$ y $70\,^\circ\mathrm{C}$ se observa que, con $\mathrm{MnO_2}$, la velocidad de reacción aumenta de forma continua al incrementar la temperatura. Sin embargo, con la catalasa, la velocidad alcanza un valor máximo en torno a los $37\,^\circ\mathrm{C}$ y desciende bruscamente hasta anularse por completo a $65\,^\circ\mathrm{C}$.

1. a) Explicá a nivel molecular por qué la enzima pierde su actividad a temperaturas elevadas, en contraste con el catalizador inorgánico.
2. b) Definí el concepto de especificidad enzimática y citá una ventaja fundamental del uso de enzimas en la síntesis química e industrial.

Un informe técnico escolar sobre el proceso Haber-Bosch para la síntesis de amoníaco, $\mathrm{N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g)}$ (con $\Delta H^\circ = -92.2\,\mathrm{kJ}\times\mathrm{mol}^{-1}$ a $298\,\mathrm{K}$), afirma: «Para maximizar la cantidad de amoníaco producido en el reactor conviene operar a temperaturas muy elevadas (superiores a $900\,^\circ\mathrm{C}$), puesto que al elevar la temperatura la reacción es más rápida y por tanto el porcentaje de amoníaco obtenido en el equilibrio será mayor. Asimismo, la adición de un catalizador de hierro con promotores permite desplazar el equilibrio hacia los productos, aumentando el rendimiento final de amoníaco».

1. a) Identificá y rebatí con rigor físico-químico los errores conceptuales que contiene el informe sobre el efecto de la temperatura en el equilibrio.
2. b) Corregí la afirmación sobre el papel del catalizador, explicando el compromiso entre cinética y termodinámica necesario en la industria química.

Se desea diseñar un experimento de laboratorio seguro para determinar cuantitativamente cómo influye la concentración de reactivo en la velocidad inicial de la reacción: $\mathrm{CaCO_3(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow CaCl_2(aq) + H_2O(l) + CO_2(g)}$. Se dispone de mármol en granallas homogéneas, disolución acuosa de $\mathrm{HCl}\ 1.0\,\mathrm{mol}\times\mathrm{L}^{-1}$, agua destilada, matraces erlenmeyer de $100\,\mathrm{mL}$, jeringa para gases de $50\,\mathrm{mL}$ con conexión estanca, cronómetro, probetas, balanza de precisión y baño termostático a $25\,^\circ\mathrm{C}$.

1. a) Describí razonadamente el diseño experimental, identificando con precisión la variable independiente, la variable dependiente y al menos tres variables de control fundamentales que deben mantenerse rigurosamente constantes.
2. b) Explicá el procedimiento analítico para calcular la velocidad inicial y señalá las precauciones de seguridad pertinentes en este experimento. El diseño será una propuesta para laboratorio docente supervisado: dimensioná las cantidades para no superar la capacidad de la jeringa y evitá bloquear su movimiento.