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B2Q U04.2 Velocidad de reacción - 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 4 dedicada al estudio de la cinética química. En la videoclase de hoy estudiaremos la
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velocidad de reacción. En esta videoclase vamos a definir y caracterizar la velocidad de reacción.
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Puesto que la definición es algebraica vamos a asentar la notación que vamos a utilizar,
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Vamos a considerar, a lo largo de toda esta videoclase, una reacción química genérica dada por una ecuación como esta, en la que tenemos dos reactivos A y B mayúscula, que van a reaccionar entre sí para formar dos productos C y D mayúscula.
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A, B, C, D, estos coeficientes en minúscula que tenemos antes de A, B, C, D mayúscula, van a representar los coeficientes estequimétricos de la ecuación química ajustada.
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Bueno, pues la velocidad media de reacción en un intervalo de tiempo delta de t se define a partir de la tasa de variación media de la concentración o de reactivos y de productos en el tiempo de la siguiente manera.
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Fijaos que tenemos una única velocidad media de reacción definida de cuatro formas distintas.
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nosotros podemos definir la velocidad media de reacción como menos 1 partido por el coeficiente estequiométrico de la especie química A
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por la tasa de variación media de la concentración de A en función del tiempo
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o bien podríamos haber definido la velocidad media como menos 1 partido por el coeficiente estequiométrico de la especie química B
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por la tasa de variación media de la concentración del reactivo B en función del tiempo
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o bien la velocidad media como 1 partido por el coeficiente estequiométrico de uno cualquiera de los productos
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por la tasa de variación media, en este caso, aparición de los productos C o D en función del tiempo.
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La razón de ser de estos signos menos en el caso de los reactivos que no están en el caso de los productos
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es que la velocidad media de reacción es una magnitud definida negativa,
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Puesto que los productos están apareciendo, se están formando, la tasa de variación de la concentración en función del tiempo es positiva y no hay ningún problema.
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Pero dado que los reactivos están desapareciendo, la concentración de los reactivos está disminuyendo con el tiempo y esta tasa de variación media de los reactivos es negativa.
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Por eso tenemos que introducir en el caso de los reactivos este signo menos para que lo que tengamos sea una magnitud positiva.
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Por otro lado, nosotros queremos definir una velocidad media que sea la misma con independencia de cuál sea la especie química, ya sea reactivo o sea producto, que nosotros estemos monitorizando, con independencia de cuál sea la concentración que nosotros estemos estudiando en función del tiempo.
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Por eso tenemos que dividir entre los correspondientes coeficientes estegométricos, puesto que si por ejemplo aquí tuviéramos dos moles de A que reaccionan con un mole de B para producir C y D, nosotros tendríamos aquí una tasa de desaparición de A doble que la tasa de desaparición de B, puesto que por cada dos moles de A que desaparecen, desaparece solo un mole de B.
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para que esta velocidad media así definida sea la misma
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con independencia de que siga a que desaparece el doble de lo que
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desaparece b lo que vamos a hacer es dividir entre los coeficientes estequiométricos
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así que desaparece el doble de cantidad de a
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cuando desaparece una cierta cantidad de b bueno pues voy a dividir entre este
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coeficiente estequiométrico que es el doble del que yo tengo aquí así pues
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al dividir esa tasa de variación doble entre dos yo lo que voy a
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tener aquí son magnitudes que vayan a ser comparables. Con carácter general, la velocidad
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de reacción, la velocidad media de reacción, no es constante, sino que, como vemos en esta figura,
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tiende a disminuir con el tiempo. Aquí lo que tenemos representado en este gráfico es una
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reacción simple de A convirtiéndose en B en función del tiempo. Como estado inicial, tenemos
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dentro del reactor 50 moléculas de A y ninguna molécula de B. Conforme va pasando el tiempo lo
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que observamos es que la cantidad de moléculas de A, que es el reactivo, va decreciendo. Conforme va
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pasando el tiempo la cantidad de moléculas de B, que es el producto, va aumentando y lo que vemos
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es que la tasa de variación media, que sería la variación en la cantidad de A o bien la variación
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en la cantidad de B en función del tiempo va disminuyendo. La cantidad de moléculas
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de A decrece rápidamente en los primeros 10 segundos, algo menos rápidamente en los
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siguientes 10 segundos, menos rápidamente, menos rápidamente, menos rápidamente, cada
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vez más despacio. En cuanto a la aparición de B, de igual manera. El número de moléculas
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de B que aparece en los primeros 10 segundos es grande, luego aparecen menos y menos y
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menos y menos. Así que tiene sentido definir una tasa de variación media en un intervalo de tiempo,
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pero también es útil y es mucho más preciso definir una velocidad instantánea de reacción.
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De forma análoga a como ocurría en la cinemática que estudiamos en la física y química de primero
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de bachillerato, lo que vamos a hacer es, en lugar de considerar incrementos finitos, considerar el
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límite en el que este intervalo de tiempo tienda a cero. O sea que en lugar de considerar tasas de
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variación media, consideraremos tasas de variación instantánea y en lugar de considerar incrementos
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finitos, en el fondo lo que tendremos es la derivada de la función concentración en función
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del tiempo. Si en un momento dado en un ejercicio se nos pide por la velocidad de reacción, que
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escribamos la expresión de la velocidad de reacción en función de las concentraciones de reactivos y
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productos, podremos indistintamente escribir una u otra porque ambas representan en esencia la
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misma magnitud, la velocidad de reacción. Únicamente en el caso en el que nos hagan
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explícito la velocidad media o la velocidad instantánea, habremos de tener cuidado de
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elegir o bien el incremento finito o bien los incrementos diferenciales, lo que serían
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las derivadas. Lo que hemos visto anteriormente es la forma de determinar la velocidad de
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reacción, monitorizando, siguiendo cómo cambia la concentración de uno o cualquiera
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de los reactivos o bien uno o cualquiera de los productos en función del tiempo. La ecuación
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de velocidad es una expresión matemática que lo que hace es relacionar la velocidad
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de reacción que hemos definido anteriormente con la concentración de los reactivos en
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cualquier instante de tiempo, sólo de los reactivos, no de los productos. La ecuación
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de velocidad toma esta forma en la cual la velocidad de reacción va a ser igual a una
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cierta constante que se denomina constante de velocidad, constante cinética o como podéis
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del coeficiente cinético de reacción que depende de cualquier parámetro que afecta la velocidad de
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reacción excepto las concentraciones y fundamentalmente esta constante va a depender de la
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temperatura y a continuación lo que vamos a tener multiplicando son las concentraciones de todos los
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reactivos elevados a unos ciertos exponentes que aquí representamos a prima b prima etcétera que
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se denominan órdenes parciales de reacción. A' es el orden parcial de reacción respecto al reactivo
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A, B' es el orden parcial de reacción respecto del reactivo B, etc. Estos órdenes parciales de
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reacción A' B' etc. se deben determinar experimentalmente y hay un resultado importante
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que debemos conocer y es que si una reacción química es elemental entonces estos coeficientes
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a' b' etcétera, los órdenes parciales de reacción, van a coincidir con los correspondientes
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coeficientes estequiométricos a y b. Insisto, si sabemos que la reacción es elemental, en ese caso
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podemos afirmar que estos órdenes parciales de reacción coinciden con los coeficientes
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estequiométricos. De cualquiera de las maneras, a la suma de los órdenes parciales de reacción se
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le denomina orden total de reacción. Esta forma de la ecuación de la velocidad junto con la
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expresión para la velocidad de reacción que hemos visto anteriormente nos permitiría determinar en
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cualquier instante de tiempo cuál es la concentración de reactivos y productos conocida la concentración
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en el instante inicial. Para ver cómo funciona esto de la determinación empírica de los órdenes
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parciales de reacción y de la constante cinética, vamos a considerar este ejemplo cuantitativo,
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donde tenemos la reacción de dos reactivos A y B para formar un producto C. Experimentalmente
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se obtienen los siguientes resultados. En un primer ensayo, con una concentración de A 0,1 molar y de
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B 0,1 molar, se mide una velocidad de reacción igual a 0,45 mol partido por litro y por segundo.
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En un segundo ensayo, con una concentración de A02 molar y de B01 molar, medimos una velocidad de reacción 0,90 mol partido por litro por segundo.
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Y en un tercer ensayo, con una concentración de A01 molar y de B02 molar, medimos una velocidad de reacción 1,80 mol partido por litro y partido por segundo.
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Nosotros sabemos que la ecuación de velocidad toma la forma velocidad igual a constante cinética multiplicado por las concentraciones de todos los reactivos, A y B, elevado a unos ciertos valores que son los órdenes parciales de reacción.
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Y lo que vamos a hacer es lo siguiente. Vamos a comparar el primer y segundo ensayo.
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Y comprobamos que, manteniendo constante la concentración de B y únicamente variando la concentración de A, resulta que al doblar la concentración de A, de 0,1 a 0,2, también se dobla la velocidad de reacción y pasa de 0,45 a 0,90.
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Eso quiere decir que la velocidad de reacción y la concentración de A son directamente proporcionales.
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Así que el orden parcial de reacción de la ecuación con respecto del reactivo A tiene que ser 1.
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Y en la velocidad de reacción, en la ecuación de velocidad, debo tener velocidad igual a K por la concentración de A elevado a 1.
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De tal forma que si yo esta concentración la multiplicara por 2, observaría la velocidad multiplicada por 2, que es lo que realmente ocurre.
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Esto por oposición a lo que yo observo cuando comparo los ensayos 1 y 3.
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En este caso, la concentración de A permanece constante, 0,1 molar, 0,1 molar, no varía.
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Y lo que observamos es que al doblar la concentración de B, porque aquí teníamos 0,1 molar y aquí tenemos 0,2 molar, la velocidad de reacción se cuadruplica, porque 0,45, que es la velocidad en el primer ensayo multiplicada por 4, es igual a 1,80 mol partido por litro y partido por segundo.
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El que al duplicar la concentración de B haga que la velocidad se multiplique por 4, no por 2, sino por 4,
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nos da la idea de que el orden parcial de reacción con respecto al reactivo B tiene que ser igual a 2.
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Y que en la ecuación de velocidad lo que debo tener es velocidad igual a constante, etc., etc.,
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por la concentración de B elevada al cuadrado.
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De tal forma que al duplicar la concentración de B, 2 al cuadrado es igual a 4,
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yo lo que mida sea una velocidad que sea el cuádruple, que es lo que realmente ocurre.
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Así que comparando los ensayos 1 y 2 donde la concentración de B es constante
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y los ensayos 1 y 3 donde ahora es la concentración de A la que es constante
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hemos podido determinar que el orden parcial de reacción con respecto a A es 1
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y el orden parcial con respecto a B es 2 y que la ecuación de velocidad toma esta forma
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constante por concentración de A por concentración de B al cuadrado.
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Así que, al duplicar la concentración de A, la velocidad se duplica, al duplicar la concentración de B, 2 al cuadrado es 4, la velocidad de reacción se cuadruplica.
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Para poder determinar la constante cinética, lo que tenemos que hacer es tomar uno o cualquiera de estos ensayos, yo personalmente he tomado el primero de ellos,
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y sustituir todos los valores conocidos de concentración de A, concentración de B y velocidad de reacción
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para poder despejar el valor de la constante cinética.
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Y eso es lo que he hecho aquí.
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He despejado la constante cinética, que será velocidad dividido entre concentración de A por concentración de B al cuadrado.
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He sustituido los valores numéricos 0,45 para la velocidad, 0,1 y 0,1 para las concentraciones
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y operando obtengo el valor numérico 450.
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cuenta. Es muy importante en un momento dado ser capaz de determinar las unidades de la
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constante cinética con corrección y es que las unidades de la constante dependen de cuáles
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sean los órdenes parciales. En concreto ya veremos, dependen de cuál sea el orden total
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de reacción. Y una forma de determinar las unidades de la constante es sencillamente
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operar algebraicamente con las unidades de las magnitudes aquí involucradas. Aquí lo
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hecho en paralelo la parte numérica y las unidades, pero si solamente tuviéramos que
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determinar las unidades de K podríamos, a partir de esta expresión, decir que las unidades
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de K son, veamos, las de V, mol partido por litro y por segundo, aquí lo teníamos, dividido
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entre unidades de concentración de A, sería mol partido por litro, por unidades de concentración
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de B, que es mol partido por litro, elevado al cuadrado, puesto que aquí tengo la concentración
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de B elevado al cuadrado. Mol partido por litro y partido por segundo me quedaría en
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el numerador. Aquí en total, mol por mol al cuadrado es mol al cubo. Litro por litro
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al cuadrado es litro al cubo. No es casualidad los cubos, este 3 es el orden total de la
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reacción. Y operando, mol partido por mol al cubo me va a quedar mol al cuadrado en
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el denominador. Litro en el denominador entre litro al cubo en el denominador del denominador
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me va a quedar litro al cuadrado en el numerador y en cuanto a este segundo me va a quedar aquí en
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el denominador. Y las unidades de K en este caso son litro cuadrado partido de mol al cuadrado y
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partido de segundo. Si nosotros tenemos la concentración en mol partido por litro es habitual
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que en K nos encontremos con las unidades intercambiadas litro en el numerador y mol en el
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denominador. Si el tiempo, la unidad de tiempo con la que hemos determinado la velocidad es segundo,
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es normal tener segundo a la menos 1 en las unidades de v y es normal tener segundo a la menos 1 en las unidades de k.
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Y en cuanto a este 2 y este 2, no nos debería llamar la atención, es una unidad menos del orden total de reacción,
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lo cual viene a su vez de tener aquí este cubo y este cubo el orden total de reacción.
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Con esto que hemos visto acerca de la ecuación de velocidad, ya podéis resolver los ejercicios propuestos 2, 3 y 4.
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En el aula virtual de la asignatura tenéis disponibles otros recursos, ejercicios y cuestionarios.
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Asimismo, tenéis más información en las fuentes bibliográficas y en la web.
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No dudéis en traer vuestras dudas e inquietudes a clase o al foro de dudas de la unidad en el aula virtual.
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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:
- 94
- Fecha:
- 29 de julio de 2021 - 18:08
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES ARQUITECTO PEDRO GUMIEL
- Duración:
- 16′ 46″
- Relación de aspecto:
- 1.78:1
- Resolución:
- 1024x576 píxeles
- Tamaño:
- 29.70 MBytes