Preguntas y problemas - Capítulo V

5.1 Conceptos básicos de energía

1. Una cerilla encendida y una hoguera pueden tener la misma temperatura, pero no te sentarías alrededor de una cerilla encendida en una tarde de otoño para mantenerte caliente. Por qué no?

2. Prepare una tabla que identifique varias transiciones de energía que tienen lugar durante la operación típica de un automóvil.

3. Explique la diferencia entre la capacidad calorífica y el calor específico de una sustancia.

4. Calcule la capacidad calorífica, en julios y en calorías por grado, de lo siguiente: (a) $28.4\;g$ de agua (b) $1.00\;oz$ de plomo

5. Calcule la capacidad calorífica, en julios y en calorías por grado, de lo siguiente: (a) $45.8\;g$ de nitrógeno gaseoso (b) $1.00\;libras$ de aluminio metálico

6. ¿Cuánto calor, en julios y en calorías, debe agregarse a un bloque de hierro de $75.0\;g$ con un calor específico de $0.449\; \frac{J}{g\;°C}$ para aumentar su temperatura de $25\;°C$ a su temperatura de fusión de $1535\;°C$?

7. ¿Cuánto calor, en julios y en calorías, se requiere para calentar un cubito de hielo de $28.4\;g$ ($1\;oz$) de $−23.0\;°C$ a $−1.0\;°C$?

8. ¿Cuánto aumentaría la temperatura de $275\;g$ de agua si se agregaran $36.5\;kJ$ de calor?

9. Si se agregaran $14.5\;kJ$ de calor a $485\;g$ de agua líquida, ¿cuánto aumentaría su temperatura?

10. Una pieza de sustancia desconocida pesa $44.7\;g$ y requiere $2110\;J$ para aumentar su temperatura de $23.2\;°C$ a $89.6\;°C$. (a) ¿Cuál es el calor específico de la sustancia? (b) Si es una de las sustancias que se encuentran en la Tabla 5.1, ¿cuál es su identidad probable?

11. Una pieza de sustancia sólida desconocida pesa $437.2\;g$, y requiere $8460\;J$ para aumentar su temperatura de $19.3\;°C$ a $68.9\;°C$. (a) ¿Cuál es el calor específico de la sustancia? (b) Si es una de las sustancias que se encuentran en la Tabla 5.1, ¿cuál es su identidad probable?

12. Una tetera de aluminio pesa $1.05\;kg$. (a) ¿Cuál es la capacidad calorífica de la tetera? (b) ¿Cuánto calor se requiere para aumentar la temperatura de este hervidor de agua de $23.0\;°C$ a $99.0\;°C$? (c) ¿Cuánto calor se requiere para calentar este hervidor de agua de $23.0\;°C$ a $99.0\;°C$ si contiene $1.25\;L$ de agua (densidad de $0.997\; \frac{g}{mL}$ y un calor específico de $4.184\; \frac{J}{g\;°C}$)?

13. La mayoría de las personas encuentran incómodas las camas de agua a menos que la temperatura del agua se mantenga a aproximadamente $85\;°F$. A menos que se caliente, una cama de agua que contiene $892\;L$ de agua se enfría de $85\;°F$ a $72\;°F$ en 24 horas. Estime la cantidad de energía eléctrica requerida durante 24 horas, en kWh, para evitar que la cama se enfríe. Tenga en cuenta que $1\;\text{kilovatio-hora }(kWh) = 3.6 \times 10^6\;J$, y suponga que la densidad del agua es $1.0\; \frac{g}{mL}$ (independiente de la temperatura). ¿Qué otras suposiciones hiciste? ¿Cómo afectaron su resultado calculado (es decir, si podrían producir errores "positivos" o "negativos")?

5.2 Calorimetría

14. Se colocó una botella de agua de $500\;mL$ a temperatura ambiente y una botella de agua de $2\;litros$ a la misma temperatura en un refrigerador. Después de $30\;minutos$, la botella de agua de $500\;mL$ se había enfriado a la temperatura del refrigerador. Una hora después, los $2\;litros$ de agua se habían enfriado a la misma temperatura. Cuando se le preguntó qué muestra de agua perdió más calor, un estudiante respondió que ambas botellas perdieron la misma cantidad de calor porque comenzaron a la misma temperatura y terminaron a la misma temperatura. Un segundo estudiante pensó que la botella de agua de $2\;litros$ perdió más calor porque había más agua. Un tercer estudiante creía que la botella de agua de $500\;mL$ perdió más calor porque se enfrió más rápidamente. Un cuarto estudiante pensó que no era posible saberlo porque no conocemos la temperatura inicial y la temperatura final del agua. Indique cuál de estas respuestas es correcta y describa el error en cada una de las otras respuestas.

15. ¿La cantidad de calor medida para la reacción en el Ejemplo 5.5 sería mayor, menor o permanecería igual si utilizáramos un calorímetro que fuera un aislante más pobre que un calorímetro de taza de café? Explica tu respuesta.

16. ¿La cantidad de calor absorbido por la disolución en el ejemplo 5.6 parecería mayor, menor o permanecería igual si el experimentador usara un calorímetro que fuera un aislante más pobre que un calorímetro de taza de café? Explica tu respuesta.

17. ¿La cantidad de calor absorbido por la disolución en el ejemplo 5.6 parecería mayor, menor o permanecería igual si se tuviera en cuenta la capacidad calorífica del calorímetro? Explica tu respuesta.

18. ¿Cuántos mililitros de agua a $23\;°C$ con una densidad de $1.00\;\frac{g}{mL}$ se deben mezclar con $180\;mL$ (aproximadamente $6\;oz$) de café a $95\;°C$ para que la combinación resultante tenga una temperatura de $60\;°C$? Suponga que el café y el agua tienen la misma densidad y el mismo calor específico.

19. ¿Cuánto se reducirá la temperatura de una taza ($180\;g$) de café a $95\;°C$ cuando se coloca una cuchara de plata de $45\;g$ (calor específico $0.24\; \frac{J}{g\;°C}$) a $25\;°C$ en el café y los dos se les permite alcanzar la misma temperatura? Suponga que el café tiene la misma densidad y calor específico que el agua.

20. Se coloca una cuchara de aluminio de $45\;g$ (calor específico $0,88\; \frac{J}{g\;°C}$) a $24\;°C$ en $180\;mL$ ($180\;g$) de café a $85\;°C$ y la temperatura de los dos se iguala. (a) ¿Cuál es la temperatura final cuando los dos se vuelven iguales? Suponga que el café tiene el mismo calor específico que el agua. (b) La primera vez que un estudiante resolvió este problema obtuvo una respuesta de $88\;°C$. Explica por qué esta es claramente una respuesta incorrecta.

21. La temperatura del agua de enfriamiento cuando sale del motor caliente de un automóvil es de $240\;°F$. Después de pasar por el radiador, tiene una temperatura de $175\;°F$. Calcule la cantidad de calor transferido del motor a los alrededores por un galón de agua con un calor específico de $4.184\; \frac{J}{g\;°C}$.

22. Se coloca una pieza de metal de $70.0\;g$ a $80.0\;°C$ en $100\;g$ de agua a $22.0\;°C$ contenida en un calorímetro como el que se muestra en la Figura 5.12. El metal y el agua alcanzan la misma temperatura a $24,6\;°C$. ¿Cuánto calor le dio el metal al agua? Cual es el calor específico del metal?

23. Si una reacción produce $1.506\;kJ$ de calor, que queda atrapado en $30.0\;g$ de agua inicialmente a $26.5\;°C$ en un calorímetro como el de la Figura 5.12, ¿cuál es la temperatura resultante del agua?

24. Se agrega una muestra de $0.500\;g$ de $\ce{KCl}$ a $50.0\;g$ de agua en un calorímetro (Figura 5.12). Si la temperatura disminuye en $1.05\;°C$, ¿cuál es la cantidad aproximada de calor involucrado en la disolución del $\ce{KCl}$, suponiendo que el calor específico de la solución resultante sea $4.18\; \frac{J}{g\;°C}$? ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?

25. La disolución de $3.0\;g$ de $\ce{CaCl2 _{(s)}}$ en $150.0\;g$ de agua en un calorímetro (Figura 5.12) a $22.4\;°C$ hace que la temperatura aumente a $25.8\;°C$. ¿Cuál es la cantidad aproximada de calor involucrado en la disolución, suponiendo que el calor específico de la solución resultante es $4.18\; \frac{J}{g\;°C}$? ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?

26. Cuando se agregan $50.0\;g$ de $\ce{NaCl\;0.200\;M_{(aq)}}$ a $24.1\;°C$ a $100.0\;g$ de $\ce{AgNO3\;0.100\;M_{(aq)}}$ a $24.1\;°C$ en un calorímetro, la temperatura aumenta a $25.2\;°C$ a medida que se forma $\ce{AgCl_{(s)}}$. Suponiendo que el calor específico de la solución y los productos es $4.20\;\frac{J}{g\;°C}$, calcule la cantidad aproximada de calor en julios producidos.

27. La adición de $3.15\;g$ de $\ce{Ba(OH)2·8H2O}$ a una solución de $1.52\;g$ de $\ce{NH4SCN}$ en $100\;g$ de agua en un calorímetro hizo que la temperatura cayera $3.1\;°C$. Suponiendo que el calor específico de la solución y los productos es $4.20\; \frac{J}{g\;°C}$, calcule la cantidad aproximada de calor absorbido por la reacción, que puede representarse mediante la siguiente ecuación:
$\ce{Ba(OH)2·8H2O _{(s)} + 2NH4SCN _{(aq)} -> Ba(SCN)2 _{(aq)} + 2NH3 _{(aq)} + 10H2O _{(l)}}$

28. La reacción de $50\;mL$ de ácido y $50\;mL$ de base descrita en el Ejemplo 5.5 aumentó la temperatura de la solución en $6,9\;°C$. ¿Cuánto habría aumentado la temperatura si se hubieran utilizado $100\;mL$ de ácido y $100\;mL$ de base en ¿El mismo calorímetro a partir de la misma temperatura de $22.0\;°C$? Explica tu respuesta.

29. Si los $3.21\;g$ de $\ce{NH4NO3}$ en el Ejemplo 5.6 se disolvieran en $100.0\;g$ de agua en las mismas condiciones, ¿cuánto cambiaría la temperatura? Explica tu respuesta.

30. Cuando $1.0\;g$ de fructosa, $\ce{C6H12O6 _{(s)}}$, un azúcar que se encuentra comúnmente en las frutas, se quema en oxígeno en un calorímetro de bomba, la temperatura del calorímetro aumenta en $1.58\;°C$. Si la capacidad calorífica del calorímetro y su contenido es de $9.90\frac{kJ}{°C}$, ¿cuál es q para esta combustión?

31. Cuando se quema una muestra de $0.740\;g$ de trinitrotolueno (TNT), $\ce{C7H5N2O6}$, en un calorímetro de bomba, la temperatura aumenta de $23.4\;°C$ a $26.9\;°C$. La capacidad calorífica del calorímetro es de $534\;\frac{J}{°C}$ y contiene $675\;mL$ de agua. ¿Cuánto calor produjo la combustión de la muestra TNT?

32. Un método para generar electricidad es quemando carbón para calentar agua, que produce vapor que impulsa un generador eléctrico. Para determinar la velocidad a la que se debe alimentar el carbón al quemador en este tipo de planta, el calor de combustión por tonelada de carbón debe determinarse utilizando un calorímetro de bomba. Cuando se queman $1.00\;g$ de carbón en un calorímetro de bomba (Figura 5.17), la temperatura aumenta en $1.48\;°C$. Si la capacidad calorífica del calorímetro es de $21.6\; \frac{kJ}{°C}$, determine el calor producido por la combustión de una tonelada de carbón ($2.000 \times 10^3\;libras$).

33. La cantidad de grasa recomendada para alguien con una dieta diaria de $2000\;calorías$ es de $65\;g$. ¿Qué porcentaje de las calorías en esta dieta sería suministrado por esta cantidad de grasa si el número promedio de calorías por grasa es $9.1\; \frac{Calorías}{g}$?

34. Una cucharadita de carbohidratos sacarosa (azúcar común) contiene $16\;calorías\;(16\;kcal)$. ¿Cuál es la masa de una cucharadita de sacarosa si el número promedio de calorías para carbohidratos es $4.1\; \frac{calorías}{g}$?

35. ¿Cuál es la masa máxima de carbohidratos en una porción de $6\;onzas$ de refresco de dieta que contiene menos de $1\;caloría$ por lata si el número promedio de calorías de carbohidratos es $4.1\; \frac{calorías}{g}$?

36. Una pinta de helado premium puede contener 1100 calorías. ¿Qué masa de grasa, en gramos y libras, se debe producir en el cuerpo para almacenar $1.1 \times 10^3\;calorías$ adicionales si el número promedio de calorías por grasa es $9.1\; \frac{Calorías}{g}$?

37. Una porción de un cereal para el desayuno contiene $3\;g$ de proteína, $18\;g$ de carbohidratos y $6\;g$ de grasa. ¿Cuál es el contenido calórico de una porción de este cereal si el número promedio de Calorías para la grasa es $9.1\; \frac{Calorías}{g}$, para los carbohidratos es $4.1\; \frac{Calorías}{g}$ y la proteína es $4.1; \frac{Calorías}{g}$?

38. ¿Cuál es la fuente de energía menos costosa en kilojulios por dólar: una caja de cereal para el desayuno que pesa $32\;onzas$ y cuesta $us4.23$ o un litro de isooctano (densidad, $0.6919\;\frac{g}{mL}$) que cuesta $us0.45$? Compare el valor nutricional del cereal con el calor producido por la combustión del isooctano en condiciones estándar. Una porción de $1.0\;onza$ de cereal proporciona $130\;calorías$.

5.3 Entalpía

39. Explique cómo el calor medido en el Ejemplo 5.5 difiere del cambio de entalpía para la reacción exotérmica descrita por la siguiente ecuación:
$\ce{HCl _{(aq)} + NaOH _{(aq)} -> NaCl _{(aq)} + H2O _{(l)}}$

40. Utilizando los datos en la sección de verificación de aprendizaje del Ejemplo 5.5, calcule $ΔH$ en $frac{kJ}{mol}$ de $\ce{AgNO3 _{(aq)}}$ para la reacción:
$\ce{NaCl _{(aq)} + AgNO3 _{(aq)} -> AgCl _{(s)} + NaNO3 _{(aq)}}$

41. Calcule la entalpía de la solución ($ΔH$ para la disolución) por mol de $\ce{NH4NO3}$ en las condiciones descritas en el Ejemplo 5.6.

42. Calcule $ΔH$ para la reacción descrita por la ecuación. (Sugerencia: use el valor de la cantidad aproximada de calor absorbido por la reacción que calculó en un ejercicio anterior).
$\ce{Ba(OH)2*8H2O _{(s)} + 2NH4SCN _{(aq)} -> Ba(SCN)2 _{(aq)} + 2NH3 _{(aq)} + 10H2O _{(l)}}$

43. Calcule la entalpía de la solución ($ΔH$ para la disolución) por mol de $\ce{CaCl2}$ (consulte el ejercicio 5.25).

44. Aunque el gas utilizado en una antorcha de oxiacetileno (Figura 5.7) es esencialmente acetileno puro, el calor producido por la combustión de un mol de acetileno en una antorcha de este tipo probablemente no sea igual a la entalpía de combustión de acetileno que figura en la Tabla 5.2. Considerando las condiciones para las cuales se reportan los datos tabulados, sugiera una explicación.

45. ¿Cuánto calor se produce al quemar $4.00\;moles$ de acetileno en condiciones estándar?

46. ​​¿Cuánto calor se produce por la combustión de $125\;g$ de metanol en condiciones estándar?

47. ¿Cuántos moles de isooctano deben quemarse para producir $100\;kJ$ de calor en condiciones estándar?

48. ¿Qué masa de monóxido de carbono debe quemarse para producir $175\;kJ$ de calor en condiciones de estado estándar?

49. Cuando $2.50\;g$ de metano se queman en oxígeno, se producen $125\;kJ$ de calor. ¿Cuál es la entalpía de la combustión por mol de metano en estas condiciones?

50. ¿Cuánto calor se produce cuando se mezclan $100\;mL$ de $\ce{HCl}$ $0.250\;M$ (densidad, $1.00\; \frac{g}{mL}$) y $200\;mL$ de $\ce{NaOH}\;0.150\;M$ (densidad, $1.00\; \frac{g}{mL}$)?
$\ce{HCl _{(aq)} + NaOH _{(aq)} -> NaCl _{(aq)} + H2O _{(l)}}\; ΔH° = −58kJ$ Si ambas soluciones están a la misma temperatura y la capacidad calorífica de los productos es $4.19\; \frac{J}{g;°C}$, ¿cuánto el aumento de la temperatura? ¿Qué suposición hiciste en tu cálculo?

51. Una muestra de $0.562\;g$ de carbono se quema en oxígeno en un calorímetro de bomba, produciendo dióxido de carbono. Suponga que tanto los reactivos como los productos están en condiciones de estado estándar, y que el calor liberado es directamente proporcional a la entalpía de la combustión del grafito. La temperatura del calorímetro aumenta de $26.74\;°C$ a $27.93\;°C$. ¿Cuál es la capacidad calorífica del calorímetro y su contenido?

52. Antes de la introducción de los clorofluorocarbonos, se usaba dióxido de azufre (entalpía de vaporización, $6.00\; \frac{kcal}{mol}$) en refrigeradores domésticos. ¿Qué masa de $\ce{SO2}$ debe evaporarse para eliminar tanto calor como la evaporación de $1.00\;kg$ de $\ce{CCl2F2}$ (la entalpía de vaporización es $17.4\; \frac{kJ}{mol}$)? Las reacciones de vaporización para $\ce{SO2}$ y $\ce{CCl2F2}$ son $\ce{SO2 _{(l)} -> SO2 _{(g)}}$ y $\ce{CCl2F _{(l)} -> CCl2F2 _{(g)}}$, respectivamente.

53. Las casas pueden calentarse bombeando agua caliente a través de radiadores. ¿Qué masa de agua proporcionará la misma cantidad de calor cuando se enfría de $95.0$ a $35.0\;°C$, que el calor proporcionado cuando se enfrían $100\;g$ de vapor de $110\;°C$ a $100\;°C$?

54. ¿Cuáles de las entalpías de combustión en la Tabla 5.2 de la tabla también son entalpías estándar de formación?

55. ¿La entalpía estándar de formación de $\ce{H2O _{(g)}}$ difiere de $δH°$ para la reacción $\ce{2H2 _{(g)} + O2 _{(g)} -> 2H2O _{(g)}}$?

56. Joseph Priestly preparó oxígeno en 1774 calentando óxido de mercurio rojo (II) con luz solar enfocada a través de una lente. ¿Cuánto calor se requiere para descomponer exactamente $1\;mol$ de $\ce{HgO _{(s)}}$ rojo en $\ce{Hg _{(l)}}$ y $\ce{O2 _{(g)}}$ en condiciones estándar?

57. ¿Cuántos kilojulios de calor se liberarán cuando exactamente $1\;mol$ de manganeso, Mn, se queme para formar $\ce{Mn3O4_{(s)}}$ en condiciones de estado estándar?

58. ¿Cuántos kilojulios de calor se liberarán cuando exactamente $1\;mol$ de hierro, Fe, se queme para formar $\ce{Fe2O3_{(s)}}$ en condiciones de estado estándar?

59. La siguiente secuencia de reacciones ocurre en la producción comercial de ácido nítrico acuoso:
$\ce{4NH3_{(g)} + 5O2_{(g)} -> 4NO_{(g)} + 6H2O_{(l)}\; ΔH = −907\;kJ}$ $\ce{2NO_{(g)} + O2_{(g)} -> NO2NO2_{(g)}\; ΔH = −113\;kJ}$ $\ce{3NO2_{(g)} + H2O_{(l)} -> H2HNO3_{(aq)} + NO_{(g)}\; ΔH = −139\;kJ}$ Determine el cambio de energía total para la producción de un mol de ácido nítrico acuoso mediante este proceso.

60. Tanto el grafito como el diamante se queman.
$\ce{C_{(s, diamante)} + O2_{(g)} -> CO2_{(g)}}$ Para la conversión de grafito en diamante:
$\ce{C_{(s, grafito)} -> C_{(s, diamante)}\; ΔH°=1.90\;kJ}$ ¿Cuál produce más calor, la combustión de grafito o la combustión de diamante?

61. De los calores molares de formación en el Apéndice G, determine cuánto calor se requiere para evaporar un mol de agua: $\ce{H2O_{(l)} -> H2O_{(g)}}$

62. ¿Qué produce más calor? $\ce{Os_{(s)} -> 2O2_{(g)} -> OsO4_{(s)}}$ o $\ce{Os_{(s)} -> 2O2_{(g)} -> OsO4_{(g)}}$ para el cambio de fase $\ce{OsO4_{(s)} -> OsO4_{(g)}\; ΔH = 56.4\;kJ}$

63. Calcule $ΔH°$ para el proceso $\ce{Sb_{(s)} +5/2Cl2_{(g)} -> SbCl3 _{(s)}}}$ de la siguiente información:}

64. Calcule $ΔH°$ para el proceso $\ce{Zn_{(s)} + S_{(s)} + 2O2_{(g)} -> ZnSO4_{(s)}}$ a partir de la siguiente información:

65. Calcule $ΔH$ para el proceso $\ce{Hg2Cl2_{(s)} -> 2Hg_{(l)} + Cl2_{(g)}}$ a partir de la siguiente información:

66. Calcule $δH°$ para el proceso $\ce{Co3O4_{(s)} -> 3Co_{(s)} + 2O2_{(g)}}$ a partir de la siguiente información:
$\ce{Co_{(s)} + 12O2_{(g)} -> CoO_{(s)}\; ΔH° = −237.9\;kJ}$ $$\cd{3CoO_{(s)} + 12O2_{(g)} -> Co3O4_{(s)}\; ΔH° = −177.5\;kJ}$$

67. Calcule la entalpía molar estándar de formación de $\ce{NO_{(g)}}$ a partir de los siguientes datos:

68. Utilizando los datos del Apéndice G, calcule el cambio de entalpía estándar para cada una de las siguientes reacciones:
(a) $\ce{N2_{(g)} + O2_{(g)} -> 2NO_{(g)}}$
(b) $\ce{Si_{(s)} + 2Cl2_{(g)} ->SiCl4_{(g)}}$
(c) $\ce{Fe2O3_{(s)} + 3H2_{(g)} -> 2Fe_{(s)} + 3H2O_{(l)}}$
(d) $\ce{2LiOH_{(s)} + CO2_{(g)} -> Li2CO3_{(s)} + H2O_{(g)}}$

69. Utilizando los datos del Apéndice G, calcule el cambio de entalpía estándar para cada una de las siguientes reacciones:
(a) $\ce{Si_{(s)} + 2F2_{(g)} -> SiF4_{(g)}}$
(b) $\ce{2C_{(s)} + 2H2_{(g)} + O2_{(g)} -> CH3CO2H_{(l)}}$
(c) $\ce{CH4_{(g)} + N2_{(g)} -> HCN_{(g)} + NH3_{(g)}}$
(d) $\ce{CS2_{(g)} + 3Cl2_{(g)} -> CCl4_{(g)} + S2Cl2_{(g)}}$

70. Las siguientes reacciones pueden usarse para preparar muestras de metales. Determine el cambio de entalpía en condiciones de estado estándar para cada uno.
(a) $\ce{2Ag2O_{(s)} -> 4Ag_{(s)} + O2_{(g)}}$
(b) $\ce{SnO _{(s)} + CO_{(g)} -> Sn_{(s)} + CO2_{(g)}}$
(c) $\ce{Cr2O3_{(s)} + 3H2_{(g)} -> 2Cr_{(s)} + 3H2O_{(l)}}$
(d) $\ce{2Al_{(s)} + Fe2O3_{(s)} -> Al2O3_{(s)} + 2Fe_{(s)}}$

71. La descomposición del peróxido de hidrógeno, $\ce{H2O2}$, se ha utilizado para proporcionar empuje en los chorros de control de varios vehículos espaciales. Usando los datos en el Apéndice G, determine cuánto calor produce la descomposición de exactamente $1\;mol$ de $\ce{H2O2}$ en condiciones estándar.

72. Calcule la entalpía de la combustión de propano, $\ce{C3H8_{(g)}}$, para la formación de $\ce{H2O_{(g)}}$ y $\ce{CO2_{(g)}}$. La entalpía de formación de propano es $−104\; \frac{kJ}{mol}$.

73. Calcule la entalpía de la combustión de butano, $\ce{C4H10_{(g)}}$ para la formación de $\ce{H2O_{(g)}}$ y $\ce{CO2_{(g)}}$. La entalpía de formación de butano es $−126\; \frac{kJ}{mol}$.

74. Tanto el propano como el butano se usan como combustibles gaseosos. ¿Qué compuesto produce más calor por gramo cuando se quema?

75. El pigmento blanco $\ce{TiO2}$ se prepara por reacción de tetracloruro de titanio, $\ce{TiCl4}$, con vapor de agua en la fase gaseosa: $\ce{TiCl4_{(g)} + 2H2O_{(g)} -> TiO2_{(s)} + 4HCl_{(g)}}$. ¿Cuánto calor se desarrolla en la producción de exactamente $1\;mol$ de $\ce{TiO2_{(s)}}$ en condiciones de estado estándar?

76. El gas de agua, una mezcla de $\ce{H2}$ y $\ce{CO}$, es un combustible industrial importante producido por la reacción del vapor con coque al rojo vivo, esencialmente carbono puro: $\ce{C_{(s)} + H2O_{(g)} -> CO_{(g)} + H2_{(g )}}$
(a) Suponiendo que el coque tiene la misma entalpía de formación que el grafito, calcule $ΔH°$ para esta reacción.
(b) El metanol, un combustible líquido que posiblemente podría reemplazar a la gasolina, puede prepararse a partir de agua, gas e hidrógeno adicional a alta temperatura y presión en presencia de un catalizador adecuado: $\ce{2H2_{(g)} + CO_{(g)} -> CH3OH_{(g)}}$ . Bajo las condiciones de la reacción, el metanol se forma como un gas. Calcule $ΔH°$ para esta reacción y para la condensación de metanol gaseoso en metanol líquido.
(c) Calcule el calor de combustión de $1\;mol$ de metanol líquido a $\ce{H2O_{(g)}}$ y $\ce{CO2_{(g)}}$.

77. En los primeros días de los automóviles, la iluminación por la noche se realizaba quemando acetileno, $\ce{C2H2}$. Aunque ya no se usa como faros automáticos, algunos exploradores de cuevas todavía usan acetileno como fuente de luz. El acetileno se prepara en la lámpara mediante la reacción de agua con carburo de calcio, $\ce{CaC2}$: $\ce{CaC2_{(s)} + 2H2O_{(l)} -> Ca(OH)2_{(s)} + C2H2_{(g)}}$. Calcule la entalpía estándar de la reacción. El $ΔH°_f$ de $\ce{CaC2}$ es $−15.14\; \frac{kcal}{mol}$.

78. A partir de los datos de la Tabla 5.2, determine cuál de los siguientes combustibles produce la mayor cantidad de calor por gramo cuando se quema en condiciones estándar: $\ce{CO_{(g)}, CH4_{(g)} o C2H2_{(g)}}$.

79. La entalpía de la combustión de carbón duro promedia $−35\; \frac{kJ}{g}$, la de la gasolina, $1.28 \times 10^5\;\frac{kJ}{gal}$. ¿Cuántos kilogramos de carbón duro proporcionan la misma cantidad de calor disponible de $1.0\;galón$ de gasolina? Suponga que la densidad de la gasolina es $0.692\; \frac{g}{mL}$ (lo mismo que la densidad del isooctano).

80. El etanol, $\ce{C2H5OH}$, se usa como combustible para vehículos automotores, particularmente en Brasil.
(a) Escriba la ecuación balanceada para la combustión de etanol a $\ce{CO2_{(g)}}$ y $\ce{H2O_{(g)}}$ y, utilizando los datos del Apéndice G, calcule la entalpía de combustión de 1 mol de etanol.
(b) La densidad del etanol es $0.7893\; \frac{g}{mL}$. Calcule la entalpía de combustión de exactamente $1\;L$ de etanol.
(c) Suponiendo que el millaje de un automóvil es directamente proporcional al calor de la combustión del combustible, calcule cuánto más se puede esperar que un automóvil viaje con $1\;L$ de gasolina que con $1\;L$ de etanol. Suponga que la gasolina tiene el calor de la combustión y la densidad de n-octano, $\ce{C8H18 (ΔH°_f = −208.4\; \frac{kJ}{mol}}$; densidad = $0.7025\; \frac{g}{mL}$).

81. Entre las sustancias que reaccionan con el oxígeno y que se han considerado como posibles combustibles para cohetes se encuentran el diborano [$\ce{B2H6}$, produce $\ce{B2O3_{(s)}}$ y $\ce{H2O_{(g)}}$], metano [$\ce{CH4}$, produce $\ce{CO2_{(g)}}$ y $\ce{H2O_{(g)}}$] e hidrazina [$\ce{N2H4}$, produce $\ce{N2_{(g)}}$ y $\ce{H2O_{(g)}}$]. Sobre la base del calor liberado por $1.00\;g$ de cada sustancia en su reacción con el oxígeno, ¿cuál de estos compuestos ofrece la mejor posibilidad como combustible para cohetes? El $ΔH°_f$ de $\ce{B2H6_{(g)}, CH4_{(g)}}$ y $\ce{N2H4_{(l)}}$ se puede encontrar en el Apéndice G.

83. El etileno, $\ce{C2H2}$, un subproducto de la destilación fraccionada del petróleo, es el cuarto entre los 50 compuestos químicos producidos comercialmente en las mayores cantidades. Aproximadamente el $80\%$ del etanol sintético se fabrica a partir de etileno mediante su reacción con agua en presencia de un catalizador adecuado. $\ce{C2H4_{(g)} + H2O_{(g)} -> C2H5OH_{(l)}}$ Usando los datos de la tabla en el Apéndice G, calcule $ΔH°$ para la reacción.

84. La oxidación del azúcar glucosa, $\ce{C6H12O6}$, se describe mediante la siguiente ecuación:$\ce{C6H12O6_{(s)} + 6O2_{(g)} -> 6CO2_{(g)} + 6H2O_{(l)}\; ΔH= −2816\;kJ}$ El metabolismo de la glucosa da los mismos productos, aunque la glucosa reacciona con el oxígeno en una serie de pasos en el cuerpo.
(a) ¿Cuánto calor en kilojulios puede producir el metabolismo de $1.0\;g$ de glucosa?
(b) ¿Cuántas calorías puede producir el metabolismo de $1.0\;g$ de glucosa?

85. El propano, $\ce{C3H8}$, es un hidrocarburo que se usa comúnmente como combustible.
(a) Escriba una ecuación balanceada para la combustión completa de gas propano.
(b) Calcule el volumen de aire a $25\;°C$ y $1.00\;atmósfera$ que se necesita para quemar por completo $25.0\;gramos$ de propano. Suponga que el aire tiene un $21.0$ por ciento de $\ce{O2}$ en volumen. (Sugerencia: veremos cómo hacer este cálculo en un capítulo posterior sobre gases; por ahora use la información de que $1.00\;L$ de aire a $25\;°C$ y $1.00\;atm$ contienen $0.275\;g$ de $\ce{O2}$ por litro).
(C) El calor de la combustión de propano es $−2,219.2\; \frac{kJ}{mol}$. Calcule el calor de formación, $ΔH°_f$ de propano dado que $ΔH°_f$ de $\ce{H2O_{(l)} = −285.8 \frac{kJ}{mol}}$ y $ΔH°_f$ de $\ce{CO2_{(g)} = −393.5\; \frac{kJ}{mol}}$.
(d) Suponiendo que todo el calor liberado al quemar $25.0$ gramos de propano se transfiere a $4.00$ kilogramos de agua, calcule el aumento de la temperatura del agua.

86. Durante un reciente mes de invierno en Sheboygan, Wisconsin, fue necesario obtener $3500\;kWh$ de calor proporcionado por un horno de gas natural con un $89\%$ de eficiencia para mantener caliente una casa pequeña (la eficiencia de un horno de gas es el porcentaje del calor producido por combustión que se transfiere a la casa).
(a) Suponga que el gas natural es metano puro y determine el volumen de gas natural en pies cúbicos requerido para calentar la casa. La temperatura promedio del gas natural fue de $56\;°F$; A esta temperatura y una presión de $1\;atm$, el gas natural tiene una densidad de $0.681\; \frac{g}{L}$.
(b) ¿Cuántos galones de GLP (gas de petróleo licuado) se necesitarían para reemplazar el gas natural utilizado? Suponga que el GLP es propano líquido [$\ce{C3H8}$: densidad, $0.5318\; \frac{g}{mL}$; entalpía de combustión, $2219 \; \frac{kJ}{mol}$ para la formación de $\ce{CO2_{(g)}}$ y $\ce{H2O_{(l)}}$] y el horno utilizado para quemar el GLP tiene la misma eficiencia que el horno de gas.
(c) ¿Qué masa de dióxido de carbono se produce por la combustión del metano utilizado para calentar la casa?
(d) ¿Qué masa de agua se produce por la combustión del metano utilizado para calentar la casa?
(e) ¿Qué volumen de aire se requiere para proporcionar el oxígeno para la combustión del metano utilizado para calentar la casa? El aire contiene $23\%$ de oxígeno en masa. La densidad promedio del aire durante el mes fue de $1.22\; \frac{g}{L}$.
(f) ¿Cuántos kilovatios-hora ($1\;kWh = 3.6 \times 10^6\;J$) de electricidad serían necesarios para proporcionar el calor necesario para calentar la casa? Tenga en cuenta que la electricidad es $100\%$ eficiente en la producción de calor dentro de una casa.
(g) Aunque la electricidad es $100\%$ eficiente en la producción de calor dentro de una casa, la producción y distribución de electricidad no es $100\%$ eficiente. La eficiencia de la producción y distribución de electricidad producida en una central eléctrica de carbón es de aproximadamente el $40\%$. Un cierto tipo de carbón proporciona $2,26\;kWh$ por libra en la combustión. ¿Qué masa de este carbón en kilogramos se necesitará para producir la energía eléctrica necesaria para calentar la casa si la eficiencia de generación y distribución es del $40\%$?