Problemas de fisicoquímica

235 Pages·2005·13.7 MB·Spanish

by  Levine

t
e
n
.
o
i
r
a
n
o
i
c
u
l
o
s
l
e
.
w
w
w
www.elsolucionario.net

PROBLEMAS DE
,
FISICOQUIMICA
t
e
n
Ira N.Levine .
o
Chemistry Department
i
r
Brooklyn College

a
City University of New York

n
Brooklyn, New York

o
i
U~UJAO c
1'I"CION",L 1)1\ COI.Otl\BIA
SlIDIiIollt',I)Ii,.1.l.,.ll'l u
DEVlO. DE BIBLlo.TECJ\S

Traduccion
BIBLlOTECA M.ll';jj(S
l
Fernanda Miguetez Pose o
[ria Gonzalez Liano s
Ana Lopez l
e
.
Con la colaboraci6n de
w
Ruben Jarazo Alvarez
w
Natalia San Vicente Pellicer
w
•
MADRID' BCGCTA • BUENCS AIRES' CARACAS' GUATEMALA· LlSBCA • MEXICO.
NUEVA YCRK • PANAMA· SAN JUAN' SANTIAGO. • sAc PAULO.
AUCKLAND' HAMBURGO • LONDRE8 • MILAN' MONTREAL' NUEVA DELHI· PARIS

SAN FRANCISCO· SIDNEY· SINGAPUR • 8T. LOUIS· TOKIO' TORONTO

www.elsolucionario.net
~~

....
-~
(Jl'lVERSIDAD N~IOl'ALDE COLOMBIA
:---;:';':':;;;--~m:. MI'J*,Un..
!)El'TO. DE BI13LIOTEC:AS
" 'T"l1BUOTECA MTNAS
Otros titulos de interes relacionados
!. X4-481-3786-8 -- LEVINE-FlSlCOQuiMIc\ (VOl.., I)
;:lSl<:OQWMfCA
Tratamientu muy actualizado y profunda de la Fisicoquimica.
Presentac:ibn de los textos muy claros y pedagogicos.
Claridad. exactitud y profundidad.
Nivel adecuado para un cursu de QUlmica, Farmacia e Ingenieria.
t
e
2. 84-481-3787-6 --LEVINE -FISlCOQuiMICA (VOl.. II)
---.-~- n
Teoria cindica y sistemas dcctroquimicos. .
o
Espectroscopia y totoquimica.
Mecanica estadistica. solidos y liquidus. i
r
Equilibrio qllill1i'~o en sistemas no ideales. a
Equilibrio de fases en sistemas mullicomponentes. n
o
_'. 84-4iH-40jS-X - QU INOA - CU£STlON~:S Y E.IERCICIOS HE Q~iMICA ORGANIC.·\ i
c
Nuc\os capitulos de cspectrosc<)pia y cstereoisomeria. u
~ II ibridac;lm. isameria. l
QU1;'~;(~~ A Iquenos, bcn<.:cno~ alcoholcs. aminas.
o
O::rofltll(;J
lleterocicios. s
l
e
.
4. 970-10-3358-2 SKOOG-WEST QUir.IICA ANAI.iTICA w
w
Ejercicios de simulaci6n por compulndora ap1icados a la sistematizacion del estudio de la qufmj~i anaiftil:a,

Se estudia el programa complelo de 13 asignatunL
w
51.! da la metodoiogia !luis adecuadn para su estudio y comprcilsion.

S~ adapta mnw a ias l1"ccsidadcs del protesur como a las del alumno.

5. S4-481-3::!80-7 RITTMANN -- BIOTEOOLOGiA DEL ~lmIO'~IHIE;><TE
DiS1.!i\u y t.::ompr~nsi61l de los procesos microhioh)glcos

Principios fundamcntaks de proceSOS microhiologicos.

Gran nll1n~rQ de diagramas 0 ilustracioncs.

Libro de gran interes para ~studiantes> IlH~dicos c investigadores.

Para obtener mas int{)rnluciown.w cownsu.eltal snuocslzurac piaoginnaa \vreibo: .wnwewt.mcgraw-hiJl.es
L/
t
e
n
.
o
i
r
a
n~
o
i
c
u
,OBLEMAS DE FISICOQlltMICA l
o
No esta permitida la reproduccioll total 0 pa,..:ial de estc libro, ni su trutamicnlO lnlormilticu, ni!a transmlsion ck ninguna

° s
larma por cualquier medio, ya sea elcctronico, meoontc:o, porfbtocOl,tU, par registro!l otros metodos, sin el permiso previo

y por escrito de los titulares del Copyright.
el
.
RECHOS RESERVADOS © 2005, respecto ala primera edicion en espanol, por w
McGRAW-H1LLlINTERAMERICANA DE ESPANA, S. A. U.
Edificio Valrealty, La planla w
Basauri,17
w
,28023 Aravaca (Madrid)
Traducido de la quinta edicion en ingles de Student Solutions MaLlual

to accompany Physical Chenustry :;

ISBN: 0-07-239360-2

ISBN: 84-481-9833-6

Deposito Legal: M. 11.504-2005

Editora: Concepcion Fernandez Madrid

Composici6n: Gesbiblo, S. L.

Impreso en: Fareso, S. A,

lMPRESO EN ESPANA -PRINTED IN SPAIN
www.elsolucionario.net
CONTENIDO
PARA EL ESTUDIANTE ............................................................................................................ XV

CAPiTULO t. TERMODINAMICA.......................................................................................... 1

Secci6n 1.2 TERMODINAMICA.,........................................ ,"', ........ ,'"." ............ , .............................. " .. ,...

Seccion 1.4 EL MOL", ....... , ........... ,', ....................................... , ............................................................ ,.,.... 2
t
e
Secci6n 1.5 GASES
2

n
Secci6n 1.6 CALCULO DlFERENCIAL.......................,'" ,.. , ...... ,' .. ' ... " ... , .................. ,., .......................... . 8

Secci6n 1.7 ECUAcrONES DE ESTADO ................................................................................................... 10
.
o
Secci6n 1.8 CALCULO INTEGRAL........................................................................................................... ' 13

i
PROBLEMAS GENERALES................................................................................................... 15
r
a
CAPiTULO 2. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA ......................................................... 17

n
Seccion 2.1 MECANICA CLAsICA ..................... " ............ , ........ ,. .............. , .......... ,. ...... " .... ,...................... 17

o
Seccion 2.2 TRABAJO p.V............................................................ ", .............. ,', .....,..... ' .............. ,. ........... ,' 18

Seccion 2.3 CALOR.......... ,' ,,',', ........... ,....................................................................................................... 19
ci
Seccitln 2.4 PRIMERA.I,EY DE LA TERMODINAMICA........................................................................ 19

u
. ".J -~
Seccion 2,5 ENTALPIA ........ " .... ,"', ....... " ............................ ,', ......................................................... , .. ,',...... 21

l
Seccion 2.6 CAPAClDADES CALORIFICAS ................................................................. ,.,........................ 22
o
i2

Scccion 2.7 LOS EXPERIMENTOS DE JOULE Y JOULE·THOMSON .... , .... ,........................................ s
2,8
Seccion GASES PERFECTOS Y PRIMERA LEy,......................................... , ........... , .., ............... ,..... 23
l
e
Seccion 2.9 CALCULO DE MAGNITUDES INCWIDAS EN LA PRIMERA LEy.............................. , 25

Secci6n 2.11 LA NATURALEZA MOLECULAR DE LA ENERGiA INTERNA ..................................... 29
.
w
PROBLEMAS GENERALES......................... " .. ,..................................................................... 30

w
CAPiTULO 3. SEGVNDA LEY DE LA TERMOVINAMICA........................................................ 35

Secci6n 3.2 M AQUI NAS TERM lCAS ..................................................................................... ,.................. 35
w
Secci6n 3.4 CALCULO DE VARIACIONES DE ENTROPIA ....................................................... " ..... "... 37

Seccion 3.5 ENTROpiA. REVERSIBILIDAD E IRREVERSIBILlDAD".............................................. 40

St:cci6n 3,6 LA ESCALA TERMODlNAMICA DE TEMPERATURA::>"" ..... " .................................... .. 41

42

CAl'iTULO 4. EQUILIBRIO J\iIATERIAL ............................................................................... 47

Secci6n 4.4 LAS FUNCIONES DE GrBBS Y HELMHOLTZ." ..................""""............................... "...... 47

Seccion 4.5 REL\CIONES TERMODlNA.MICAS PARA UN SISTEMA EN EQUILIBRIO................. 47

Secci6n 4.6 CA.LCULO DE CAiVlJ:l.IOS EN LAS FUNC"lONES DE ESTADO ............... " ............... ".... 53

Secci6n 4,7 POTENCIALES QUIl\1ICOS Y EQUILIBRIO MATERIAL".......................... . 55

Secdon :1.8 EQUILIBRIO DE FASES 56

Secci6n 4.9 EQUILIBRIO QUiMICO 57

www.elsolucionario.net
i'
I
I
\'iii CONTENJDO
CAPiTULO 5. FUNClONES TERi\lODINAMICAS NORMAlES DE REACCI(m ............................. 61

Seccion 5.1 ESTADOS NORMALES DE LAS SUSTANCIAS PURAS ................................................... 61

Seccion 5.2 ENTALP/AS NORMALES DE REACCrON .......................................... ...................... 61

Seccion 5.3 ENTALPiA NORMAL DE FORMl\CION ................................................................ . 62

Scccion5.4 DETERMINACION DE LAS ENTAlPjAS NORMALES DE FORMACION Y REACClON .... 62

Seccion 5.5 DEPENDENCIA DE LOS CALORES DE REACCI()N CON LA TEMPERATURA 66

Seccion 5.6 UTILIZACION DE HOJAS DE CALCULO PARA OBTENER UN AJUSTE POLlN(j!vHCO 67

Seccion 5.7 ENTROP/AS CONVENCIONALES Y LA TERCER A LEy..... ............................ 68

Seccion 5.8 ENERGiA DE GIBBS NORMAL DE REACCION ................................................ 72

t
Seccion 5.9 TAHIAS TERMOD!NAMICAS.................... ......................................................................... 73e

Seccion 5.10 CALCULO DE LAS PROPIEDADES TERMODINAMICAS................................................ 74n

PROBLEMAS GENERAU:S.................................................................................................. 76

.
o
CAl'jTUlO 6. EQUILIBRIO QUiMICO EN MEZCLA DE GASES IDEA.LES................................ 79

i
Seccion 6.1 POTENClALES EN UNA MEZCLA DE GASES IDEAtES ........................... . 79r

Seccion 6.2 EQUILIORIO ENTRE GASES IDEALES ............................................ , ............. . 79a

Sec cion 6.3 DEPENDENCIA DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO CON LA TEMPERATURA .... ~In

Seccion6.4 CALCULOS DEL EQUILIBRIO ENTRE GASES IDEALES ............................. ................. 84o

Seccion 6.5 EQUILIBRIOS SIMULTANEOS ..... . 90

i
Sccci6n 6.6 DESPLAZAMIENTOS EN LOS EQUILIBRIOS ENTRE {lASES IDEALES ... 'llc

PROBLEMAS GENERALES ................................................................................................. . 93u

CAPiTULO 7. EQUIUBRIO D~: FMiES EN SISTEMAS DE UN COMI'ONENTE........................... 99ol

Seccion 7.1 LA REOLA DE LAS FASES ........................................................................................ 99

s
Secci6n 7.2 EOUILIBRIO DE EASES PAl{i\S'iSTEMAS DE UJ;;!FOMPONENTE............. 102

l
Seccion 7.3 LA ECUACrON DE CLAPEYRON .:.. :. ..................... :::.................................... 104e

Secci6n 7.4 TRANSICIONES DE FASE S(~L1DO-SOLlDO ........... ....................................... ................. 110.

w
Secci6n 7.5 TRANSICIONES DE FASE DE ORDEN SUPERIOR .... ~...................................................... 110

PROBLEMAS GENERALES ................................................................ , .................... " ......... . 113w

CAPiTULO 8. GASFS REALES •••••••••••••••••••:......................................................................... 117w

Seccion 8.2 ECUACIONES DE ESTADO DE UN CAS IDEAL..., ................................... , ... ,.................. Il7

Secci0n 8.4 DATOS CRiTlCOS Y ECUACIONES DE·ESTADO ............................................................. , 118

Seccion 8.5 CALCULOS EN EL EQUILlBRIO LlOUIDO-Vt\POR ............................................... ,........ 120

Sccci6n 8.7 LEY DE LOS ESTADOS CORRESPOND[El'h~s;.~;:....................................................... . 124

-Seccion 8.8
DEL GAS REA 1. Y DEL GAS 125

Secci6n 8.9 SERIES DE '128

129

CAPiTULO 9. DISOLUCIONES .................................................~............................................ 133

Seccion 9.1 COMPOSICION DE LA DISOLUCION ................. , ... ,. ......................................................... 133

Secci6n 9.2 MAGNITUDES MOLARES 134

Seccion 9.3 1;IAGNITUDES DE MEZCLA.......................................................... 137

www.elsolucionario.net
CONTENlDO Ix
Secci6n 9.4 DETERMINACION DE MAGNlTUDES MOLARES PARCIALES ............................... . 137

Seccibn 9.5 DISOLUCIONES 142

Seccion 9.6 PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE LAS DlSOLUCIONES iDEALES ................... . 142

Secci6n 9.7 DISOLlJCIONES DILUiDAS 144

Seccion 9.8 PROPIEDADES TERMODlNAMICAS DE LAS DlSOLUCIONES DILUiDAS iDEALES .. 145

PROBLEMAS GENERALES ........... . 148

CAPiTULO 10. DISOLUCIONES No IDEALES .......................................................................... 153

Secci(}n lIli ACTIVIDADES Y COEFICIENTES DE ACTIViDAD ......................................................... 153
t
Secclon 10.2 FUNCIONES DE EXCESO...................................................................................................... 153
e
Secci6n 10.3 DETERMINACI()N DE ACTlVIDADES Y COEFICIENTES DE ACTIVlDAD................. 154
n
Secci6n 10.4 COEFICIENTES DE ACTIVlDAD EN LAS ESCALAS DE MOLARIDAD
.
Y CONCENTRACI()N MOLAR ...................... :....................................................................... 156
o
Seccibn 10.5 MODELOS PARA COEFIClENTES DE ACTlVIDAD DE NO ELECTROUTOS ............1. 157
i
r
Seccion 10.6 DISOLUCIONES DE ELECTROUTOS.................................................................................. 160

a
Seccibn 10.8 TEORiA DE DEBYE-HOCKEL EN DlSOLUCIONES DE ELECTROUTOS..................... 162

n
Seccion 10.9 ASOCIACI()N IONICA......................................... .......................................................... 165

o
Scccion 10.10 PROPIEDADES TERMODINAMICAS DEL ESTAfJO NORMAL DE LOS COMPONENTES

DE UNA DISOLUCJ()N .......... ............................................. ..................................... 160
i
c
S~ccion to.! MEZCL\S DE GASES NO
168
u
PROBLEMAS GENERALES .................................................................................................. 171

l
CU'ITULO 11. EQUILIBRIO QUill-lICO EN SISTEMAS No IDEALES ......................................... 175
o
Secci6n ILl LA CONSTANTE DE EQUIU·BRIO:........................................................ ............................. 175
s
S~cci6n I U EQUILIBRIO QUiMICO EN DISOLUClONES DE ELECTROUTOS ................................ 175
l
e
Secci6n 11.4 EQUIUBRIOS DE SOLIDOS 0 LlQUlDOS PUROS....................................... 182

.
SecciOfl 11.5 EQU!UBRIO QUiMICO EN MEZCLAS DE GASES NO IDEALES................................... 185
w
Secci6n 11.6 PROGRAMAS COMPUTACIONALES PARA CALCULOS DE EQUlUBR!O OUIMICO... 186

Seccibn INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA PRESION EN LA CONSTANTE DE
w
EQUILlBR10 186

w
Secci6n 11.9 CAMBIO DE ENERGiA DE GIBBS DE UNA REACCION 189

PROBLEMAS GENERALES ................................................................................................. . 189

CAPITULO 12. EQlilLlBRIO DE FASES EN SISTEMAS MULTICOMPONENTES ........................... 191

Sccci6n 12.1 PROP!EDADES COUGATlVAS.... ............................. 191

Secc101]·12.2 DISMINUCION DE LA PRESION DE VAPOR.................... .................... 191

Sccci6n 12.3 DES(,ENSO DEL PUNTO DE (,ONGELACION Y AUMENTO DEL

PUNTO DE EBULLICION........................................................... 191

SCCC;(ll1 I~A PRESION OSM()T!CA ........................................................ ,.................................. 195

S~,;ci6n 12.5 DIAGRAMAS DE FASES DE SISTEMAS DE DOS COMPONENTES.............. 197

Sc<:cll}(1 12.6 EQUILIBRIO LlQUIDO-VAPOR PARA SISTEMAS DE DOS COMPONENTES 198

S~cc;6n 12.7 EQUILIBRIO LiQUIDO-UQUIDO EN SISTEMAS DE DOS COMPONENTES............... 199

SeCCi('m 12.8 EQU!UBRIO SOLI DO-LiQu IDO EN SISTEMAS DE DOS COMPONENTES................. 201

Sccci6n 12.10 SOLUBILIDAD 205
www.elsolucionario.net
x CONTE.AlIDO
Seccion 12.11 CALCULO DE UN DIAGRAMA DE FASE POR ORDENADOR........................................ 206
Seccicm 12.12 SISTEMAS CON TRES COMPONENTES.. ................................................................ 207
PROBLEMAS GENERALES....... ................................................................... 210

CAPiTULO 13. QUl,"IICA DE SUPERFlCIF.S............................................................................ 213

Secci6n 13.1 LA INTERFASE ....................................................................................................................... 213

Secci6n 13.2 INTERFASES CURVAS........................................................................................................... 214

Secci6n 13.3 TERMODINAMICA DE SUPERFICIES ................................................................................ 215

Seccion 13A PELICULAS SUPERFICIALES EN LiQulDos.................................................................. 217

Seccion 13.5 ADSORCION DE GASES SOBRE SOLlDOS ........................................................................ 218

t
Seccion 13.6 COLOIDES......... ............................................................................................................... 222
e
PROBLEMAS GENERALES................................................................................................... 223
n
CAPiTULO 14. SISTEMAS ELECTROQuiMICOS....................................................................... 225
.
o
Seccion 14.1 ELECTROSTATICA................................................................................................................. 225

Seccion 14.2 SISTEMAS ELECTROQuiMICOS .. 225
ri
Secci6n 14.3 TERMODINAMICA DE LOS SISTEMAS ELECTROQuiMICOS 226
a
Secci6n 14.4 PI LAS GALVANICAS ........................................................................................................... . 226
n
Seccion 14.6 TERMODINAMICA DE LAS PILAS GALVANICAS 226

o
Secci,)n 14.7 POTENCIAS NORMALES DE ELECTRODO .......................................... 229

i
Seccion 14.8 PI LAS DE CONCENTR/\C[()N........ ..................................................................................... 232
c
Sccci6n 14.10 APLICACIONES DE LAS M EDIDAS DE FEM ..................................................................... 233
u
Seccion 14.13 EQUILIBRIO DE MEMBR.'.NA ............ 237
l
o
Seccion 14.15 MOMENTOS DlPOLARES Y POLARIZACION .......................... . 237

Seccion 14.16 240
s
PROBLEMAS 240
l
e
CAPITlJLO IS. T.:ORiA CINETICA DE Los GASICS ................................................................ 243
.
Seccion 15.2 PRESION DE UN GAS lD~~....................................i ...................................................... . 243
w
Seccion 15.3 TEMPERATURA 243

w
Seccion 15.4 244

Seccion 15.5 ~47 w
Secdon 15.6 149

Secci6n J5.7 COLISIONES 250

Seccion 15.8 LA FORMULA 252

Secci6n 15.10 CAPAClDADES CALORlnCAS DE GASES IOEALES POLIATOMICOS ........... ,.:...... .. 252

PROBLEMAS 253

C.-\piTULO 16. FENOMENOS DE TRANSPORTE ...•: ....:t...........4.,J. ........................................... .. 257

Seccion 16.2 ~~S~·~~~~~~I~~~.~.~~~I.ICA :::.<:-.::::::::::'!/::::..::.:::::::::::::::::::::::::::: 157

SCCciOIl 16.3 ......... 258

Seccion 16.4 DIFUSION Y SEDlMfNTACll)N 262

Secci()n 165 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA 166

Scccioll 16.6 ELECTRoUnCAS ... 167

PROBLEMAS 174

www.elsolucionario.net
~
CONTENIDO xi
CAPiTULO 17. CINETICA QUiMICA ...................................................................................... 275

Seccion 17.1 CINETICA DE LAS REACCIONES ..................................... " .............. ".".............. "............. 275

Seccion 17.3 INTEGRACION DE LAS ECVAC[ONES CINETICAS......................................................... 277

Secci6n 17.4 DETERMINACION DE LAS ECVACIONES CINETlCAS ........................................... "".... 280

Secci6n 17.5 ECUACIONES CINETICAS Y CONSTANTES DE EQUILlBRIO

DE REACCIONES ELEMENTALES .......... " ...................................................... . 288

Seccion 17.6 MECANISMOS DE REACGON ........ " .......... " ................................................................... . 289

Scccion 11.7 INTEGRACION DE LAS ECVACIONES CINETICAS CONORDENADOR..................... 293

Seccion 17.8 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LAS CONSTANTES ClNETICAS .............. 293

t
Scccion 17.9 RELACION ENTRE CONSTANTES CINETICAS Y DE EQUILIBRIO EN LAS
e
REACCIONES COMPLEJAS .................................................................................................. 298

n
Seccion·17.11 REACCIONES UN1MOLECULARES.................................................................................... 299

.
Seccion 17.13 REACCIONES EN CADENA Y POUMERIZACIONES DE RADICALES LlBRES ......... 300
o
Secci6n 17.14 REACCIONES RAptDAS ........................ " ..... " ......................................................................~ 303

i
Seccionl7.15 REACCIONES EN DISOLUCIONES LIQUIDAS.................................................................. 303
r
a
Secci6n 17.16 CATALISIS .......................... " ..... " .... """..""..... "."..,,................................................. " .. "....... 303

n
Secci6n 17.17 CATAuSIS ENZIMATICA ...... " ............................. "".."".".................................................. 304

Sccci6n 17.18 CATALISIS HETEROGENEA ....... " .. " ............ "".. "."""".""........,,........................... "........... 304
o
Seccion 17.19 DESCOMPOS[C[6N NUCLEAR ..... " .... """.......................... " .... ,,......................................... 307
i
c
PROBLEMAS GENERALES .......... " ........................... ".......................................................... 308

5-~" u
CAPiTULO 18. JVIECANICA CUANTICA .................................................................................. 311
l
o
Seccion IS.! RADlACl6N DEL CUERPO NEGRO Y CUANTIZACION DE LA 311

s
Secci6n 18.2 EL EFECTO FOTOELECTRICO Y FOTONES...................................................................... 312

Seccion 18.4 LA HIPOTESlS DE BROGLIE ................................................................................................ 313
el
Seccion 18.5 EL PRINC'IP[O DE INCERTIDUMBRE ................................................................................. 313

.
Seccion 18.6 MECANICA CUANTICA ........................................................................................................ 314
w
Sl!ccion 18.7 LA EeUACION SCHRODINGER INDEPENDlENTE DEL T1EMPO ............................... .. 315

w
SI!cci6n [8.8 LA PARTicULA EN UNA CAJA UNIDIMENSIONAL....................................................... 317

Sl!ccion 18.9 LA PARTicULA EN UNA CAJA TRIDIMENSIONAL........................................................ 318
w
Sl!ccion 18.10 DEGENERACI0N .................................................................................................................... 319

Secci6n IS.11 OPERADORES ................................... 319

Seccion 18.12 EL OSCILADOR ARMONICO UNIDIMENSiONAL ........................................................ .. 321

Seccion 18.13 PROBLEMAS DE DOS PARTiClJLAS .................................................................................. 323

Secci6n 18.14 EL ROTOR RiGIDO DE DOS PARTicULAS ...................................................................... . 324

Secci6n 18.15 METODOS APROXIMADOS 324

Secci6n 18.16 OPERADORES HERMiTICOS ..................................... .. 3~5

PROBLEMAS GENERALES ............................. . 328

CAPiTULO 19. ESTRlICTURA AT()MICA ................................................................................ 329

Secci6n 19.1 329

Secci6n 19.2 ANTECEDENTES HISTORICOS 330

www.elsolucionario.net