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Pruebas de Acceso a enseñanzas universitarias oficiales de grado

Castilla y León QUÍMICA

EJERCICIO

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Química- Examen - Propuesta nº 1 / 2012.

CRITERIOS GENERALES DE EVALUACIÓN El alumno deberá contestar a uno de los dos bloques A o B con sus problemas y cuestiones. Cada bloque consta de cinco preguntas. Cada una de las preguntas puntuará como máximo dos puntos. La calificación máxima (entre paréntesis al final de cada pregunta) la alcanzarán aquellos ejercicios que, además de bien resueltos, estén bien explicados y argumentados, cuidando la sintaxis y la ortografía y utilizando correctamente el lenguaje científico, las relaciones entre las cantidades físicas, símbolos, unidades, etc. DATOS GENERALES Los valores de las constantes de equilibrio que aparecen en los problemas deben entenderse que hacen referencia a presiones expresadas en atmósferas y concentraciones expresadas en mol·L-1. El alumno deberá utilizar los valores de los números atómicos, masas atómicas y constantes universales que se le suministran con el examen. BLOQUE A 1.- La entalpía de combustión del benceno es -3267,4 kJ/mol. Calcule:

a) El valor de la entalpía de formación del benceno líquido. (hasta 1,5 puntos) b) La energía implicada en la combustión de 100 g de benceno líquido. (hasta 0,5 puntos) Datos: Ho

f CO2(g) = -393,5 kJ/mol; Hof H2O(l) = -285,8 kJ/mol

2.- Defina los siguientes conceptos:

a) Enlace covalente, enlace iónico y enlace metálico. (hasta 1,0 puntos) b) Principio de máxima multiplicidad de Hund y Principio de exclusión de Pauli.

(hasta 1,0 puntos) 3.- Una disolución 0,064 M de un ácido monoprótido, de masa molecular 60,06 g/mol, tiene un

pH de 3,86. Responda razonadamente las siguientes cuestiones: a) ¿Cuántos gramos de ácido hay en 150 mL de dicha disolución? (hasta 0,5 puntos) b) ¿Cuál es el valor de la constante de acidez? (hasta 1,0 puntos) c) ¿Se trata de un ácido fuerte o débil? (hasta 0,5 puntos)

4.- El yodo (I2) reacciona en medio básico (NaOH) con el sulfito sódico (Na2SO3), para dar yoduro sódico (NaI) y sulfato sódico (Na2SO4).

a) Ajuste la reacción molecular por el método del ión electrón. (hasta 1,0 puntos) b) Si reaccionan 4 g de yodo con 3 g de sulfito sódico, ¿qué volumen de disolución de

hidróxido sódico 1 M se requiere? (hasta 1,0 puntos) 5.- Responda razonadamente las siguientes cuestiones:

a) Calcule la molalidad de una disolución que contiene 2,5 g de ácido acético en 400 mL de disolución y cuya densidad es 1,01 g/mL. (hasta 0,7 puntos)

b) Calcule los gramos de cloruro de bario que se necesitan para preparar 250 mL de una disolución 0,15 M. (hasta 0,7 puntos)

c) Calcule los gramos de una disolución de nitrato de plata al 9% en masa que contienen 5,3 gramos de nitrato de plata. (hasta 0,6 puntos)

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BLOQUE B 1.- Conteste razonadamente las siguientes cuestiones:

a) Ordene los siguientes átomos en orden decreciente de su radio atómico: sodio, aluminio, fósforo, flúor, calcio y magnesio. (hasta 0,7 puntos)

b) Ordene los siguientes iones en orden creciente de su radio iónico; N3-, Na+, F-, Mg2+, O2-. (hasta 0,6 puntos)

c) Ordene los siguientes átomos en orden creciente respecto a su primera energía de ionización; sodio, aluminio, azufre, flúor y cesio. (hasta 0,7 puntos)

2.- Para una disolución saturada de hidróxido de cinc, calcule:

a) El pH de dicha disolución saturada. (hasta 1,0 puntos) b) La solubilidad en g/L de dicho hidróxido. (hasta 1,0 puntos) Datos: Ks [Zn(OH)2]=1,8·10-14

3.- La constante de equilibrio Kp para la reacción PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) es de 1,05 a la

temperatura de 250 oC. La reacción se inicia con una mezcla de PCl5, PCl3 y Cl2 cuyas presiones parciales son 0,177 atm, 0,223 atm y 0,111 atm respectivamente. Determine: a) El valor de Kc a dicha temperatura. (hasta 0,5 puntos) b) Las concentraciones de todas las especies presentes una vez alcanzado el equilibrio.

(hasta 1,5 puntos) 4.- Se pasa durante 7,44 horas una corriente de 1,26 A a través de una celda electrolítica que

contiene ácido sulfúrico diluido obteniéndose oxígeno e hidrógeno. a) ¿Qué proceso tendrá lugar en cada semicelda? (hasta 1,0 puntos) b) ¿Qué volumen de gases se generará medidos en condiciones normales?

(hasta 1,0 puntos) 5.- El tricloruro de fósforo reacciona con cloro para dar pentacloruro de fósforo según la

siguiente reacción: PCl3(g) + Cl2 (g) PCl5(g) Ho= - 88 kJ/mol.

Una vez alcanzado el equilibrio químico, explique cómo se modificará el mismo si: a) Se aumenta la temperatura. (hasta 0,5 puntos) b) Se disminuye la presión total. (hasta 0,5 puntos) c) Se añade gas cloro. (hasta 0,5 puntos) d) Se introduce un catalizador adecuado. (hasta 0,5 puntos)

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1.- La entalpía de combustión del benceno es -3267,4 kJ/mol. Calcule: a) El valor de la entalpía de formación del benceno líquido. (hasta 1,5 puntos) b) La energía implicada en la combustión de 100 g de benceno líquido. (hasta 0,5 puntos) Datos: Ho

f CO2(g) = -393,5 kJ/mol; Hof H2O(l) = -285,8 kJ/mol

Solución: a) La ecuación ajustada correspondiente a la combustión del benceno es:

C6H6 (l) + 2

15O2 (g) → 6 CO2 (g) + 3 H2O (l).

La variación de entalpía de la reacción de combustión se determina por la expresión: ∆Ho

c = Σa · ∆Hof productos − Σb · ∆Ho

f reactivos = 6 · ∆Hof [CO2 (g)] + 3 · ∆Ho

f [H2O (l)] – ∆Hof [C6C6 (l)] ⇒

⇒ ∆Hof [C6C6 (l)] = 6 · ∆Ho

f [CO2 (g)] + 3 · ∆Hof [H2O (l)] – ∆Ho

c ⇒ ⇒ ∆Ho

f [C6C6 (l)] = [6 · (– 393,5) + 3 · (– 285,8) – (– 3.267,4)] kJ · mol–1 = 49 kJ · mol–1.

b) Los moles de benceno que se queman son 100 g · =g

mol

78

11,28 moles, que si se multiplican

por la entalpía de combustión de un mol, se obtiene el calor que se desprende:

1,28 moles · =−

mol

kJ

1

4,267,3– 4.182,27 kJ.

Resultado: a) ∆∆∆∆Ho

f = 49 kJ · mol–1; b) Q = – 4.182,27 kJ.

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2.- Defina los siguientes conceptos: a) Enlace covalente, enlace iónico y enlace metálico. (hasta 1,0 puntos) b) Principio de máxima multiplicidad de Hund y Principio de exclusión de Pauli.

(hasta 1,0 puntos)

Solución: a) ENLACE QUÍMICO Establecimiento de uniones entre átomos para dar lugar a agrupaciones más estables que los átomos originales. Los responsables de la unión entre los átomos son los electrones de la última capa de la corteza de los átomos, llamados también electrones de valencia.

COVALENTE Se establece entre átomos de similar apetencia por los electrones, compartiendo pares de e- de tal forma que cada átomo se rodee por 8 e- en su última capa.

Partículas: MOLÉCULAS

HOMONUCLEAR Molécula formada por átomos iguales. HETERONUCLEAR Molécula formada por átomos diferentes.

Moléculas de agua

CRISTALES COVALENTES CONTINUOS: Compuestos covalentes formados por redes gigantes, no por moléculas aisladas. Estructura del diamante

IÓNICO

Se establece entre átomos que tiendan a ceder fácilmente electrones, con otros que tiendan a cogerlos fácilmente. Entre átomos con elevada diferencia de EN

Partículas: IONES

No se forman moléculas, sino redes cristalinas. Para separar los iones de la red se requiere bastante energía.

METÁLICO Los electrones de valencia de cada átomo pasan a un “ fondo común”, formando una nube electrónica que rodea a los iones positivos que integran la red metálica.

Partículas: ÁTOMOS

b) Principio de máxima multiplicidad de Hund En un átomo, la configuración de mínima energía debe de cumplir el principio de máxima multiplicidad: “Cuando un subnivel electrónico tenga varios orbitales con la misma energía, los electrones se van colocando desapareados en ese subnivel electrónico”. No se coloca un segundo electrón en uno de dichos orbitales hasta que todos los orbitales de dicho subnivel isoenergético están semiocupados. Ejemplo en el átomo de oxigeno:

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O8 … 1s2//2s22p4

1s2 2s2 2px 2py 2pz NO cumple el principio de Hund ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1s2 2s2 2px 2py 2pz SI cumple el principio de Hund ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ Principio de exclusión de Pauli Una vez colocados los electrones en un átomo se debe cumplir el principio de exclusión de Pauli: “No puede haber dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales” .

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3.- Una disolución 0,064 M de un ácido monoprótido, de masa molecular 60,06 g/mol, tiene un

pH de 3,86. Responda razonadamente las siguientes cuestiones: a) ¿Cuántos gramos de ácido hay en 150 mL de dicha disolución? (hasta 0,5 puntos) b) ¿Cuál es el valor de la constante de acidez? (hasta 1,0 puntos) c) ¿Se trata de un ácido fuerte o débil? (hasta 0,5 puntos)

Solución: a) Despejando de la definición de molaridad los moles, sustituyendo las demás variables por sus valores y operando se tiene el valor: n = M · V = 0,064 moles · L–1 · 0,150 L = 0,0096 moles, a los que

corresponden la masa 0,0096 moles · =mol

g

1

06,600,58 g.

b) Siendo HA la fórmula molecular del ácido monoprótido, su ionización es:

HA + H2O ⇆ A– + H3O+, y por ser el pH de la disolución 3,86, la concentración de iones A–,

igual a la de H3O+, tienen el valor: [A–] = [H3O

+] = 10–pH = 10–3,86 = 100,14 · 10–4 = 1,38 · 10–4 M. Conocida la concentración de los iones oxonios en el equilibrio, restándosela a la inicial del compuesto orgánico, se obtiene su concentración en el equilibrio: [HA] = 0,064 M – 0,00014 M = 0,06386 M. Llevando las concentraciones de cada especie a la constante de acidez del ácido, se tiene su

valor: Ka =[ ] [ ]

[ ] =⋅

=⋅ −+−

M

M

HA

OHA

06386,0

1038,1 2823 2,98 · 10–9 M.

c) Por ser muy pequeña su ionización y, por ello, el valor de su constante de acidez, el ácido es muy débil. Resultado: a) 0,58 g; b) K a = 2,98 · 10–9; c) Muy débil.

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4.- El yodo (I2) reacciona en medio básico (NaOH) con el sulfito sódico (Na2SO3), para dar yoduro sódico (NaI) y sulfato sódico (Na2SO4).

a) Ajuste la reacción molecular por el método del ión electrón. (hasta 1,0 puntos) b) Si reaccionan 4 g de yodo con 3 g de sulfito sódico, ¿qué volumen de disolución de

hidróxido sódico 1 M se requiere? (hasta 1,0 puntos)

Reducción: I2 + 2e- → 2 I- Oxidación SO3

2- + 2OH- → SO42- + H2O + 2e-

I2 + SO3

2- + 2 OH- → 2 I- + SO4-2 + H2O

Y en forma molecular:

I2 + Na2SO3 + 2 NaOH → 2 NaI + Na2SO4 + H2O b) Las cantidades de sustancia de reactivos son:

323222 024,0126

13;016,0

8,253

14

322SOmolNa

g

molSONagnImol

g

molIgn SONaI ====

Como la estequiométrica de la reacción es 1: 1, entonces el sulfito de sodio está en exceso, el yodo se gasta todo y es el reactivo limitante.

disoluciónmldisoluciónLNaOHmol

disoluciónL

Imol

NaOHmolImolVNaOH 32032,0

1

1

1

2016,0

22 ===

I2 + Na2SO3 + --------- � NaI + Na2SO4 + ---------0 -1+4 +6

SeOxida

SeReduce

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5.- Responda razonadamente las siguientes cuestiones:

a) Calcule la molalidad de una disolución que contiene 2,5 g de ácido acético en 400 mL de disolución y cuya densidad es 1,01 g/mL. (hasta 0,7 puntos)

b) Calcule los gramos de cloruro de bario que se necesitan para preparar 250 mL de una disolución 0,15 M. (hasta 0,7 puntos)

c) Calcule los gramos de una disolución de nitrato de plata al 9% en masa que contienen 5,3 gramos de nitrato de plata. (hasta 0,6 puntos)

a) La masa de la disolución es: m = d · V = 1,01 g/mL · 400 mL = 404 g La masa de disolvente es: mdisolvente = 404 g disolución – 2,5 g soluto = 401,5 g disolvente La masa molar del ácido acético es: M (CH3-COOH) = 60 g/mol Aplicando la definición de molalidad:

disolventekg

mol

kgmolg

g

kgendisolventeV

M

m

molalidad acético

acético

104,04015,0

/60

5,2

===

b) La masa molar del cloruro de bario es: M (BaCl2) = 207,33 g/mol

Aplicando la definición de molaridad: LdisoluciónV

M

m

M bariocloruro

bariocloruro

=

22 77,7

1

33,207250,015,0 BaClg

mol

BaClgL

L

molmsoluto ==

c) disolucióngplatanitratog

disolucióngplatanitratogm

m

mmasa disolución

disolución

soluto 9,589100

3,5;100·% ===

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1.- Conteste razonadamente las siguientes cuestiones: a) Ordene los siguientes átomos en orden decreciente de su radio atómico: sodio, aluminio,

fósforo, flúor, calcio y magnesio. (hasta 0,7 puntos) b) Ordene los siguientes iones en orden creciente de su radio iónico; N3-, Na+, F-, Mg2+, O2-.

(hasta 0,6 puntos) c) Ordene los siguientes átomos en orden creciente respecto a su primera energía de

ionización; sodio, aluminio, azufre, flúor y cesio. (hasta 0,7 puntos)

a) 1 H He 2 F 3 Na Mg Al P 4 Ca El radio atómico crece al pasar de un período al siguiente ya que se incrementa el número de niveles con electrones. Dentro de un mismo período disminuye a lo largo del mismo ya que aumenta la carga del núcleo sin que se produzca un aumento de los niveles ocupados. Por tanto: Ca > Na > Mg > Al > P > F b) Todos los iones son isoelectrónicos, por lo que cuanto mayor sea la carga nuclear menor es su radio. N3- Na+ F- Mg2+ O2-

Z 7 11 9 12 8 Número de e- 10 10 10 10 10 Última capa 2s2 2p6 2s2 2p6 2s2 2p6 2s2 2p6 2s2 2p6 Orden creciente: Mg2+ > Na+ > F- > O2- > N3- La energía de ionización disminuye en un grupo al aumentar el valor de Z ya que los electrones periféricos están más alejados del núcleo. Dentro de un período aumenta la energía de ionización a lo largo del mismo ya que aumenta la carga nuclear. Orden creciente: Cs < Na < Al < S < F

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2.- Para una disolución saturada de hidróxido de cinc, calcule:

a) El pH de dicha disolución saturada. (hasta 1,0 puntos) b) La solubilidad en g/L de dicho hidróxido. (hasta 1,0 puntos) Datos: Ks [Zn(OH)2]=1,8·10-14

Zn (OH)2 ↔ Zn2+ + 2 OH- equilibrio s 2 s

Ks = [Zn2+] · [OH-]2 = s · (2 · s)2 = 4 · s3 → ===−

314

3

4

10·8,1

4sK

s 1,65· 10-5 mol/L

[OH- ] = 2 · s = 2 · 1,65· 10-5 mol/L = 3,30 · 10-5 mol/L pOH = - log [OH-] = - log 3,30 · 10-5 = 4,48 → pH = 14 – pOH = 14 – 4,48 = 9,52 b) La masa molar del hidróxido de zinc es 99,4 g/mol

L

g

mol

OHZng

L

mols 325 10·64,1

1

)(4,99·10·65,1 −− ==

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3.- La constante de equilibrio Kp para la reacción PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) es de 1,05 a la

temperatura de 250 oC. La reacción se inicia con una mezcla de PCl5, PCl3 y Cl2 cuyas presiones parciales son 0,177 atm, 0,223 atm y 0,111 atm respectivamente. Determine: a) El valor de Kc a dicha temperatura. (hasta 0,5 puntos) b) Las concentraciones de todas las especies presentes una vez alcanzado el equilibrio.

(hasta 1,5 puntos)

Solución:

a) De la relación entre las constantes de equilibrio, se despeja Kc, se sustituyen valores y se opera en las condiciones del problema, obteniéndose el valor:

Kc = Kp · (R · T)-incremento n, donde incremento n = suma de moles de productos menos suma de moles de reactivos = 2 – 1 = 1.

Kc = 1,05 atm (0,082 atm · L · mol-1 · K-1 · 523 K)-1 = 0,0245 M.

b) Llevando las presiones parciales dadas a la constante de equilibrio Kp se obtiene el valor de

Qp, y si es igual que el valor de Kp indica que la mezcla se encuentra en equilibrio, si es mayor indica que han de reaccionar PCl3 y Cl2 para formar PCl5 hasta alcanzar el equilibrio, y si es menor indica que ha de descomponerse PCl5 para formar más cantidad de PC3 y Cl2 hasta llegar al equilibrio.

Qp = [Pp (PCl3) · Pp (Cl2)]/Pp (PCl5) = (0,223 atm · 0,111 atm)/0,177 atm = 0,14 atm, lo que pone de manifiesto que, por ser menor que Kp, la mezcla ha de desplazarse hacia la derecha hasta alcanzar el equilibrio. Suponiendo que la presión parcial del PCl5 disminuye en x atm, las de PCl3 y Cl2 se incrementan en x atm, luego, llevando estos valores a la constante de equilibrio y resolviendo la ecuación de segundo grado que aparece, sale el valor. Kp = [Pp (PCl3) · Pp (Cl2)]/Pp (PCl5); 1,05 = (0,223 + x) · (0,111 + x)/(0,177 – x); 0,186 – 1,05x = 0,025 + 0,111x + 0,223x + x2; x2 + 1,38x – 0,161 = 0. x = 0,1075 atm, siendo las nuevas presiones parciales en el equilibrio: Pp (PCl5) = 0,177 – 0,1075 = 0,0695 atm; Pp (PCl3) = 0,223 + 0,1075 = 0,3305 atm; Pp (Cl2) = 0,111 + 0,1075 = 0,2185 atm. Despejando de la ecuación de los gases ideales el cociente moles/V, sustituyendo valores y operando, se obtiene la concentración de cada gas en el equilibrio: n/V = Pp (PCl5)/(R · T) = 0,0695 atm/0,082 atm ·L · mol-1 · K-1 · 523) = 0,0016 M. n/V = Pp (PCl3)/(R · T) = 0,3305 atm/0,082 atm ·L · mol-1 · K-1 · 523) = 0,0077 M n/V = Pp (Cl2)/(R · T) = 0,2185 atm/0,082 atm ·L · mol-1 · K-1 · 523) = 0,0051 M. Resultado: KC = 0,0245; [PCl5] = 0,0016 M; [PCl3] = 0,0077 M; [Cl2] = 0,0051 M.

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4.- Se pasa durante 7,44 horas una corriente de 1,26 A a través de una celda electrolítica que

contiene ácido sulfúrico diluido obteniéndose oxígeno e hidrógeno. a) ¿Qué proceso tendrá lugar en cada semicelda? (hasta 1,0 puntos) b) ¿Qué volumen de gases se generará medidos en condiciones normales?

(hasta 1,0 puntos)

Solución:

a) En la semicelda anódica se produce la semirreacción de oxidación: Ánodo: oxidación: 2 H2O (l) – 4 e– → O2 (g) + 4 H+

Cátodo: reducción: 4 H+ + 4 e– → 2 H2 (g)

b) De las leyes de Faraday se deduce la expresión m = (M ·I · t)/(n · F), donde sustituyendo valores y operando, sale para la masa de oxígeno en el ánodo el valor:

m = (32 g · mol-1· 1,26 A · 26.784 s)/(4 · 96.500 A · s · mol-1) = 2,8 g, a los que corresponden un número de moles: n = (masa)/M = 2,8 g/(32 g · mol-1) = 0,0875 moles.

La masa y moles de hidrógeno desprendido del cátodo son, procediendo como en el caso anterior:

m = (4 g · mol-1· 1,26 A · 26.784 s)/(4 · 96.500 A · s · mol-1) = 0,35 g, a los que corresponden un número de moles: n = (masa)/M = 0,35 g/(2 g · mol-1) = 0,175 moles. Llevando los moles de cada gas a la ecuación de estado de los gases ideales, despejando el volumen y operando en las condiciones del problema, se obtiene para los gases el mismo volumen (son los mismos moles):

V = n · R · T/P = 0,0875 moles · 0,082 atm · L · mol-1 · K-1 · 273 K/1 atm = 1,96 L. V = n · R · T/P = 0,175 moles · 0,082 atm · L · mol-1 · K-1 · 273 K/1 atm = 3,92 L.

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5.- El tricloruro de fósforo reacciona con cloro para dar pentacloruro de fósforo según la

siguiente reacción: PCl3(g) + Cl2 (g) PCl5(g) Ho= - 88 kJ/mol.

Una vez alcanzado el equilibrio químico, explique cómo se modificará el mismo si: a) Se aumenta la temperatura. (hasta 0,5 puntos) b) Se disminuye la presión total. (hasta 0,5 puntos) c) Se añade gas cloro. (hasta 0,5 puntos) d) Se introduce un catalizador adecuado. (hasta 0,5 puntos) Solución:

a) Al elevar la temperatura el equilibrio evoluciona en el sentido en el que se produce absorción de calor, es decir, en el sentido endotérmico de la reacción. Por tratarse de una reacción exotérmica, un aumento de la temperatura provoca un desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda. b) Una disminución de la presión provoca un aumento del volumen del reactor, por lo que, debido al aumento de capacidad producido, disminuye la concentración de los gases y, por ello, decrece el número de moléculas por unidad de volumen. Ante esta perturbación, el sistema evoluciona haciendo que se descomponga PCl5 para producir PCl3 y Cl2 y hacer crecer así el número de moléculas por unidad de volumen, es decir, el equilibrio se desplaza en el sentido en el que se aparece un aumento de materia, del número de moles, hacia la izquierda.

c) La introducción del reactivo Cl2 aumenta su concentración, y la reacción recupera el equilibrio haciendo reaccionar Cl2 y PCl3 para formar PCl5, es decir, el equilibrio se desplaza hacia la derecha. d) La introducción de un catalizador no provoca desplazamiento alguno en el equilibrio de la reacción pues, al actuar sólo sobre la energía de activación de las reacciones directa e inversa, lo que provoca es un aumento de sus velocidades y, por ello, un menor tiempo en alcanzar el equilibrio.

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