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B2Q U05.2.3 Caracterización con concentraciones (Ejercicio 2 del C05-1) - Contenido educativo
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Hola a todos, soy Raúl Corraliza, profesor de química de segundo de bachillerato en el IES
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Arquitecto Pedro Gumiel de Alcalá de Henares y os doy la bienvenida a esta serie de videoclases
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de la unidad 5 dedicada al estudio del equilibrio químico. En la videoclase de hoy discutiremos el
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ejercicio 2 del cuestionario del equilibrio en términos de concentraciones. En esta videoclase
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enmarcada dentro de la caracterización del equilibrio en términos de concentraciones,
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vamos a echarle un vistazo al ejercicio 2 del cuestionario que corresponde a esta sección.
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En este ejercicio se nos dice que el tetróxido de dinitrógeno, que va a ser el protagonista del ejercicio,
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se descompone a 45ºC según la ecuación de equilibrio que tenemos aquí.
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Un mol de tetróxido de dinitrógeno en estado gaseoso se disocia para producir dos moles de dióxido de nitrógeno en estado gaseoso.
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Esta reacción es una reacción de descomposición, puesto que una molécula se divide en varias,
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en este caso se divide en dos, y más concretamente se denomina reacción de disociación, puesto
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que una única molécula se descompone en dos moléculas iguales. En este caso, el tetróxido
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de nitrógeno se disocia para formar dióxido de nitrógeno. La reacción inversa se denomina
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reacción de dimerización. Dos moléculas iguales se unen para formar una única molécula.
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En el ejercicio, aparte de plantearnos la reacción de disociación del tetróxido de
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dinitrógeno, se nos dice que en un reactor con un volumen de un litro vamos a introducir
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0,1 moles del tetróxido de dinitrógeno. Y esperando a que se alcance el equilibrio,
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resulta que una vez que éste se alcanza la presión total en el sistema es de 3,18 atmósferas. Con
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estos datos lo que tenemos que hacer es calcular el grado de disociación del tetróxido de nitrógeno
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y en el apartado b las presiones parciales tanto del tetróxido de nitrógeno como del dióxido de
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nitrógeno en el equilibrio. Este ejercicio es llamativo por dos razones. La primera es que se
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nos piden las presiones parciales de las especies que tenemos en el reactor, no
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las concentraciones. De tal manera que parece que este ejercicio no está bien
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puesto dentro de esta sección y que estaría mucho mejor en la siguiente
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donde tendremos que caracterizar el equilibrio en términos de presiones
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parciales, que es precisamente lo que se nos pide en el apartado B de este
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ejercicio. Pues bien, vamos a comprobar que en realidad no, que en realidad está
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muy bien puesto, puesto que para poder resolverlo lo único que vamos a necesitar es hablar de
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concentraciones y dado que vamos a utilizar las concentraciones para describir reactivo y producto
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que tenemos dentro del reactor, está en el sitio correcto. Vamos a utilizar concentraciones para
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caracterizar el equilibrio. De hecho, podremos comprobar más adelante, cuando realmente estudiemos
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la caracterización del equilibrio en términos de presiones parciales, que en realidad hay muchas
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de las cosas que se pueden hacer utilizando para la descripción concentraciones y no presiones
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parciales, puesto que va a ser muy sencillo determinar presiones parciales a partir de
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concentraciones y viceversa. Y en un momento dado va a ser muy cómodo utilizar la ley de acción de
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masas con concentraciones y no el equivalente que estudiaremos en la sección siguiente con
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presiones parciales. Por otro lado, la segunda razón por la cual este ejercicio es muy llamativo
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es porque se nos pregunta el grado de disociación del tetróxido de nitrógeno. Y el grado de
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disociación es una magnitud que nos va a aparecer muchísimo en las siguientes unidades, pero que
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todavía no habíamos hablado de él. Como veis aquí, el grado de disociación de esta sustancia,
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que se representa por la letra alfa y va a ser estándar utilizar esta letra para el grado de
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disociación es la razón entre la cantidad de sustancia que reacciona y la cantidad de sustancia
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total en una reacción de disociación, evidentemente, puesto que es grado de disociación. Eso quiere
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decir que supongamos que tuviéramos inicialmente cuatro moles de tetróxido de dinitrógeno y que
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sabemos que una vez que se alcanza el equilibrio lo que ha pasado es que de los cuatro moles uno
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se ha disociado, uno ha reaccionado y nos van a quedar en el equilibrio, pues en ese caso hipotético,
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tres moles del tetróxido de dinitrógeno y si un mol de tetróxido de dinitrógeno se ha disociado
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tendremos dos moles de dióxido de nitrógeno. Aquí la clave es que de los cuatro moles iniciales de
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tetróxido de dinitrógeno un mol ha reaccionado, un mol se ha disociado. Pues bien, el grado de
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disociación es el cociente entre ese 1 mol que ha reaccionado y los 4 moles que teníamos
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inicialmente. En este caso, 1 partido por 4 es 0,25. Y el grado de disociación, en ese caso
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hipotético, tengo 4 moles de los cuales 1 se ha disociado, sería 0,25. Ese 0,25 es el grado de
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disociación en este ejemplo hipotético expresado en tanto por 1. Si lo multiplicáramos por 100,
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obtendríamos 0,25% igual a 25%, lo que tendríamos es el grado de disociación expresado en forma de
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porcentaje. El grado de disociación en porcentaje tiene una interpretación mucho más fácil de
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entender. Quiere decir que de cada 100 moléculas o de cada 100 moles de moléculas, 25 se han
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disociado. El grado de disociación en tanto por 1, 0,25 también tiene una interpretación. Es la
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probabilidad de que una molécula elegida al azar se disocie, pero es mucho más directo en tanto
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por ciento. Tengo 100 moléculas, si el grado de disociación es 25%, sé que 25 se van a disociar.
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Si con el ejemplo que yo tenía antes, en lugar de con 4 moles de tetróxido de dinitrógeno que
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tuviera inicialmente, por la razón que quiera que sea, he comprobado que se han disociado 2 moles,
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El grado de disociación sería 2 partido por 4 igual a 0,5. Expresado en porcentaje sería 0,5 por 100 el 50%. Sé que el 50% de las moléculas que yo tenía inicialmente se han disociado cuando he alcanzado el equilibrio.
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Pues bien, sabiendo que esto es el grado de disociación, la razón entre la cantidad que ha reaccionado y la cantidad que tenía inicialmente,
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vamos a ver cómo podemos calcular, con los datos que tenemos aquí, el grado de disociación del tetróxido de dinitrógeno.
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Lo primero que vamos a hacer es determinar las concentraciones iniciales de todas las especies en el equilibrio, en la ecuación del equilibrio,
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puesto que estamos acostumbrados a utilizar la tabla del equilibrio con concentraciones mejor que con cantidades.
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No sea que tengamos que utilizar la dirección de masas y en ese caso mejor que andar poniendo cantidad partido por volumen continuamente
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es más fácil poner directamente las cantidades en el equilibrio, que podemos determinar de una forma muy cómoda con la tabla del equilibrio.
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Pues bien, si en un volumen de un litro introducimos inicialmente 0,1 moles de tetróxido de dinhidrógeno,
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la concentración inicial del tetróxido de nitrógeno será 0,1 partido por 1, 0,1 molar.
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Puesto que no se nos dice que introduzcamos nada más que el tetróxido de nitrógeno,
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hemos de suponer que inicialmente no hay dióxido de nitrógeno en el reactor
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y, consecuentemente, la concentración inicial de dióxido de nitrógeno va a ser 0.
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Y con eso ya tenemos la primera fila, aparte de la propia ecuación química ajustada,
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en la tabla del equilibrio.
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Las concentraciones iniciales de tetróxido de nitrógeno es 0,1 molar
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y del dióxido de nitrógeno es cero. Nosotros habitualmente hasta este momento lo que haríamos
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sería escribir una línea diciendo que llamamos c minúscula a la cantidad de tetróxido de
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nitrógeno que ha reaccionado en cada litro de disolución para alcanzar el equilibrio.
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Y nosotros en la siguiente fila, que es la de reacciona, pondríamos aquí c y a la vista
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de los coeficientes estequiométricos, puesto que un mol de tetróxido de nitrógeno produce
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el doble, 2 moles de dióxido de nitrógeno, cuando se disocia, pues bien, con una cantidad
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C de tetróxido de nitrógeno que ha reaccionado, tendremos una cantidad 2C de dióxido de nitrógeno
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que se haya producido. En este caso no vamos a hacer eso, no vamos a poner C y 2C, no por
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nada, no porque esté mal, es perfectamente correcto, sino porque dado que se nos pregunta
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por el grado de disociación es mucho más útil utilizar 0,1 por alfa el grado de disociación
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como la cantidad de tetróxido de nitrógeno por litro de solución que reacciona y consecuentemente
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aquí el doble 2 por 0,1 alfa o lo que es lo mismo 0,2 por alfa para el dióxido de nitrógeno que se
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ha producido. ¿Por qué 0,1 por alfa? Bueno, alfa es la razón entre la cantidad que ha reaccionado y la
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cantidad que había inicialmente. Si nosotros multiplicamos esta razón, la de la cantidad que
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ha reaccionado, dividido entre la cantidad que había inicialmente por la cantidad que había
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inicialmente, lo que obtenemos es la cantidad que ha reaccionado, que es lo que realmente queremos
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poner aquí. Nosotros lo que estamos haciendo es poner continuamente en esta tabla del equilibrio
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cantidades referidas a un litro de disolución. Así que lo que tenemos que hacer es multiplicar
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el grado de disociación, insisto, cantidad que reacciona dividido entre la cantidad que
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había inicialmente por la cantidad que había inicialmente en un litro de disolución. Por
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eso lo que hacemos es multiplicar alfa por esta misma concentración inicial que teníamos
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aquí. Esto es algo que haremos con carácter general siempre que tengamos una reacción
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de disociación y necesitemos utilizar, o bien nos venga mejor, el grado de disociación. Aquí
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tendremos la concentración inicial de este reactivo y la cantidad que reacciona va a ser
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la concentración inicial multiplicado por alfa, que la cantidad inicial es 0,1, 0,1 por alfa. Y en
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cuanto a la cantidad que reacciona para el producto, lo único que tenemos que hacer es utilizar este
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Ahí mismo 0,1 por alfa es el equivalente a C, a la que estamos acostumbrados, y utilizar los coeficientes estecométricos.
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Un molde reactivo produce dos moldes de producto, bueno, pues 0,1 alfa va a producir 2 por 0,1 alfa.
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A partir de aquí, todo es exactamente igual a lo que estamos acostumbrados a ver.
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Si inicialmente tenemos 0,1 molar como cantidad de tetróxido de nitrógeno por litro de solución y reacciona, o sea, se consume 0,1 por alfa, lo que habrá en el equilibrio será 0,1 menos 0,1 por alfa.
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Si inicialmente no había dióxido de nitrógeno y se va a formar 2 por 0,1 alfa, pues lo que habrá en el equilibrio será 2 por 0,1 alfa, o bien si queréis 0,2 alfa, para que sea más sencillo.
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Si conociéramos la constante de equilibrio, podríamos utilizar la ley de acción de masas con estas concentraciones en el equilibrio para determinar alfa, que sería la única incógnita que tenemos.
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No conocemos la constante de equilibrio.
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Consecuentemente, no podemos utilizar la ley de acción de masas para determinar alfa.
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Fijaos que podríamos escribirla perfectamente, pero Kc igual a 0,2 alfa elevado al cuadrado dividido entre 0,1 menos 0,1 alfa, tendríamos una ecuación con dos incógnitas.
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Estaría subdeterminada, necesitaríamos una ecuación más que nos determinara o bien alfa, pero entonces estaríamos utilizando un método completamente distinto, o bien la constante de equilibrio.
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y nosotros de momento el único dato que no hemos utilizado aparte de la temperatura
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es que en el equilibrio la presión total es de 3,18 atmósferas.
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Así que de alguna manera necesitamos relacionar estas concentraciones en el equilibrio
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que es lo único que podemos determinar de momento con esta tabla
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con esta presión total de 3,18 atmósferas.
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Cuando nos encontremos con esto el mecanismo que tenemos que utilizar va a ser siempre el mismo.
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Nosotros conocemos estas concentraciones en el equilibrio que no son más que las cantidades de cada una de estas dos especies que va a haber contenidos en un litro de disolución.
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Si nosotros sumamos esta y esta cantidad, lo que tendremos es la cantidad total de entre todas las especies gaseosas que hay en el equilibrio en cada litro de disolución.
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Así que si sumo 0,1 menos 0,1 alfa, que es esta cantidad, más 2 por 0,1 alfa, que es esta otra, lo que tengo es la cantidad total de sustancia en el equilibrio en cada litro de disolución.
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Eso es equivalente a la concentración total en el equilibrio, cantidad total de sustancia en cada litro de disolución.
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Se calcula dividiendo la cantidad total entre el volumen.
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esta cantidad total y este volumen junto con esta presión total y esta temperatura aparecen
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relacionadas en la ley de los gases ideales y es que no olvidemos que aquí lo que tenemos son gases
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y por eso tenemos el valor de la presión total así pues teniendo en cuenta que conocemos el
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cociente de n total entre v conocemos la concentración total en el equilibrio conocemos
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la presión en el equilibrio, que es esa presión total que nos han dado. Conocemos la temperatura,
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puesto que nos dicen que este proceso ocurre a una temperatura determinada. Y conocemos
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R, que en condiciones normales, en un ejercicio normal de examen, nos darían, y que si no
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podemos consultar dentro de nuestros apuntes, el valor 0,082 atmósfera por litro partido
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por Kelvin y por mol. Pues bien, como decía, con esta ecuación en donde todo está determinado,
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todo esto son valores numéricos excepto nt partido por v que depende de alfa, con esa ecuación
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podremos calcular alfa. Y eso es algo que dejo para vosotros junto con las explicaciones que
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consideréis necesarias para que se pueda entender lo que estáis haciendo en este ejercicio. En cuanto
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a cómo calcular las presiones parciales ejercidas por cada uno de los componentes en la mezcla,
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una vez que hemos calculado alfa al grado de su excepción del tetróxido de nitrógeno, lo que
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podemos hacer es ir realizando una serie de cálculos en cadena. En primer lugar, como ya había
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mencionado anteriormente, alfa es lo que nos va a permitir determinar las concentraciones en el
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equilibrio tanto del tetróxido de nitrógeno como del dióxido de nitrógeno. Conocidas las
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concentraciones y conocido el volumen del reactor, lo que podemos hacer a continuación es determinar
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las cantidades de cada sustancia en el equilibrio y sumando la cantidad de sustancia total. Estas
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cantidades son las que necesitamos para poder calcular las fracciones molares de cada sustancia
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en el equilibrio. Os recuerdo que las fracciones molares las estudiamos al hablar de concentraciones
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el año pasado en la física química de primer bachillerato y con las fracciones molares y la
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presión total en el equilibrio podemos determinar la presión parcial de cada de cada una de las
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sustancias en el equilibrio y asimismo os recuerdo que las presiones parciales también las estudiamos
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tanto al hablar de disoluciones como en la misma unidad al hablar de gases en la física química de
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primero de bachillerato. Así pues, como podéis comprobar, la profecía se ha cumplido. En realidad
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no he necesitado hablar siquiera del equilibrio, nada más que he necesitado escribir la tabla del
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equilibrio en términos de concentraciones. Así que, como decía anteriormente, esto va a ser
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bastante habitual. No voy a necesitar utilizar la ecuación del equilibrio en términos de presiones
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parciales. Me va a bastar en muchas ocasiones con la caracterización del equilibrio en términos de
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concentraciones para resolver un ejercicio incluso aunque me hablen de presiones, incluso aunque sean
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gases. Y de hecho, como habéis podido comprobar, no he tenido ni siquiera que utilizar la ley de
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acción de masas para poder resolver este ejercicio, puesto que se daba la circunstancia concreta de
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que me daban condiciones iniciales y condiciones en el equilibrio. Este mismo ejercicio podría
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haberse completado preguntando por cuál es la constante Kc y si quisiéramos realmente
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relacionarlo con la caracterización del equilibrio en términos de presiones parciales, también
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se nos podría haber pedido que calculáramos la constante Kp. Aunque de eso hablaremos
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más adelante, la semana que viene, cuando estudiemos la sección correspondiente a la
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caracterización del equilibrio en términos de presiones parciales. En el aula virtual de la
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asignatura tenéis disponibles otros recursos, ejercicios y cuestionarios. Asimismo, tenéis
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más información en las fuentes bibliográficas y en la web. No dudéis en traer vuestras dudas
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e inquietudes a clase o al foro de dudas de la unidad en el aula virtual. Un saludo y hasta pronto.
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- Idioma/s:
- Autor/es:
- Raúl Corraliza Nieto
- Subido por:
- Raúl C.
- Licencia:
- Reconocimiento - No comercial - Sin obra derivada
- Visualizaciones:
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- Fecha:
- 12 de agosto de 2021 - 18:51
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES ARQUITECTO PEDRO GUMIEL
- Duración:
- 18′ 15″
- Relación de aspecto:
- 1.78:1
- Resolución:
- 1024x576 píxeles
- Tamaño:
- 29.26 MBytes
