Ejercicio resuelto de Varios · Química · Islas Baleares · 2023

Indique de manera razonada si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.

a) Para cualquier reacción química, el número inicial de moles de reactivos coincide con el número total de moles de productos que se forman una vez acabada la reacción.

b) Para cualquier reacción química, el número total de moléculas presentes en la mezcla reaccionante aumenta a medida que tiene lugar la reacción.

c) La velocidad de cualquier reacción química aumenta a medida que disminuye la temperatura de reacción.

d) En las mismas condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de dos sustancias en estado gaseoso contienen el mismo número de moléculas.

$\textbf{a) Para cualquier reacción química, el número inicial de moles de reactivos coincide con el número total de moles de productos que se forman una vez acabada la reacción.}$

$\textbf{Falsa.}$ Lo que se conserva en una reacción química es la $\textbf{masa}$ y el número de átomos de cada elemento, no el número de moles de sustancia.

Basta un contraejemplo:

$\mathrm{N_2(g)} + 3\,\mathrm{H_2(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{NH_3(g)}$

De 4 mol de reactivos se pasa a 2 mol de producto. Los átomos son los mismos —dos de nitrógeno y seis de hidrógeno— pero se han reagrupado en menos moléculas.

Solo coincidirían ambas cantidades en las reacciones en que la suma de los coeficientes es la misma a los dos lados, como $\mathrm{H_2} + \mathrm{I_2} \rightarrow 2\,\mathrm{HI}$, y eso es un caso particular, no una regla.

$\textbf{b) Para cualquier reacción química, el número total de moléculas presentes en la mezcla reaccionante aumenta a medida que tiene lugar la reacción.}$

$\textbf{Falsa}$, por la misma razón. El número de moléculas puede aumentar, disminuir o mantenerse, según la estequiometría.

$\mathrm{N_2} + 3\,\mathrm{H_2} \rightarrow 2\,\mathrm{NH_3}$ — disminuye, de 4 a 2.

$\mathrm{HCONH_2} \rightarrow \mathrm{NH_3} + \mathrm{CO}$ — aumenta, de 1 a 2.

$\mathrm{H_2} + \mathrm{Cl_2} \rightarrow 2\,\mathrm{HCl}$ — no cambia, 2 y 2.

La palabra $\textbf{cualquier}$ es lo que hace falsa la afirmación: lo que se conserva son los átomos.

$\textbf{c) La velocidad de cualquier reacción química aumenta a medida que disminuye la temperatura de reacción.}$

$\textbf{Falsa}$: ocurre exactamente lo contrario.

La dependencia con la temperatura la recoge la ecuación de Arrhenius:

$k = A\,e^{-E_a/RT}$

Al disminuir $T$, el exponente se hace más negativo, la constante $k$ se reduce y con ella la velocidad.

La explicación microscópica es que al enfriar las partículas se mueven más despacio, chocan con menos frecuencia y, sobre todo, una fracción mucho menor de esos choques tiene energía suficiente para superar la energía de activación. Es justamente el fundamento de conservar los alimentos en el frigorífico.

$\textbf{d) En las mismas condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de dos sustancias en estado gaseoso contienen el mismo número de moléculas.}$

$\textbf{Verdadera.}$ Es el enunciado de la hipótesis de Avogadro, que se deduce de la ecuación de los gases ideales:

$P\,V = n\,R\,T \quad \Rightarrow \quad n = \dfrac{P\,V}{R\,T}$

Si la presión, el volumen y la temperatura son los mismos, el número de moles resulta el mismo, y por tanto también el número de moléculas, sea cual sea el gas de que se trate.

En el fondo lo que dice es que el comportamiento de un gas ideal no depende de la naturaleza de sus partículas, porque se supone que su volumen propio es despreciable y que no hay interacciones entre ellas. De aquí sale también que un mol de cualquier gas ocupe 22,4 L en condiciones normales.