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Supuesto 25

Baleares 2026 ·

Enunciado

En un experimento de laboratorio se cultiva una levadura en un sistema cerrado de 4,0 L a 305 K. La levadura metaboliza un compuesto orgánico soluble, según la reacción global simplificada:

CX4HX10OX4(aq)+OX2(g)→COX2(g)+HX2O(l)\ce{C4H10O4(aq) + O2(g) -> CO2(g) + H2O(l)}

Inicialmente, el sistema contiene 0,080 moles de CX4HX10OX4\ce{C4H10O4}, 0,30 moles de OX2\ce{O2} y 0,70 moles de NX2\ce{N2}.

a) Determina cuál es el reactivo limitante. (4 puntos) b) Determina la composición final en moles de la mezcla gaseosa. (4 puntos) c) Calcula la presión total final del sistema y las presiones parciales de cada gas. (4 puntos) d) Posteriormente, el COX2\ce{CO2} producido se pone en contacto con una disolución acuosa en la que se disuelve completamente. Determina la nueva presión total del sistema gaseoso después de la desaparición del COX2\ce{CO2}. (3 puntos) e) Explica cualitativamente: 1. ¿Cómo afecta la presencia de NX2\ce{N2} a la presión total? 2. ¿Por qué el hecho de que los moles de COX2\ce{CO2} producidos y de OX2\ce{O2} consumidos sean diferentes afecta a la evolución de la presión del sistema? (2 y 3 puntos)

(Datos: R=0,082R = 0{,}082 atm·L·mol⁻¹·K⁻¹)

Solución

Paso cero, que el enunciado no pide pero es imprescindible: ajustar. La ecuación tal como viene escrita no está ajustada. Con CX4HX10OX4\ce{C4H10O4}:

CX4HX10OX4(aq)+92 OX2(g)→4 COX2(g)+5 HX2O(l)\ce{C4H10O4(aq) + 9/2 O2(g) -> 4 CO2(g) + 5 H2O(l)}

o bien 2 CX4HX10OX4+9 OX2→8 COX2+10 HX2O\ce{2 C4H10O4 + 9 O2 -> 8 CO2 + 10 H2O}. Comprobación de oxígenos: 4+9=134 + 9 = 13 a la izquierda, 8+5=138 + 5 = 13 a la derecha. ✔

a) Reactivo limitante. Los 0,080 mol de sustrato necesitarían 0,080⋅92=0,3600{,}080 \cdot \tfrac{9}{2} = 0{,}360 mol de OX2\ce{O2}, y solo hay 0,30. Por tanto el oxígeno es el reactivo limitante (y el sustrato, el exceso). Es lo que pasa de verdad en un cultivo cerrado: la levadura se queda sin oxígeno mucho antes que sin azúcar, y por eso pasa a fermentar.

b) Composición final. El avance de reacción lo fija el oxígeno: ξ=0,30/4,5=6,67⋅10−2\xi = 0{,}30/4{,}5 = 6{,}67\cdot 10^{-2} mol.

| Especie | Inicial (mol) | Final (mol) | Fase | | -------------- | ------------- | ----------- | ------------ | | CX4HX10OX4\ce{C4H10O4} | 0,080 | 0,0133 | acuosa | | OX2\ce{O2} | 0,30 | 0 | gas | | COX2\ce{CO2} | 0 | 0,267 | gas | | HX2O\ce{H2O} | — | 0,333 | líquida | | NX2\ce{N2} | 0,70 | 0,70 | gas (inerte) |

En la mezcla gaseosa solo quedan 0,267+0,70=0,9670{,}267 + 0{,}70 = 0{,}967 mol: ni el sustrato (acuoso) ni el agua (líquida) cuentan.

c) Presiones. Con RT/V=0,082⋅305/4,0=6,253RT/V = 0{,}082\cdot 305/4{,}0 = 6{,}253 atm·mol⁻¹:

ptotal=ngasRTV=0,9667⋅6,253=6,04 atmp_{\text{total}} = \frac{n_{\text{gas}}RT}{V} = 0{,}9667 \cdot 6{,}253 = \boxed{6{,}04\ \mathrm{atm}} p(COX2)=0,2667⋅6,253=1,67 atm,p(NX2)=0,70⋅6,253=4,38 atmp(\ce{CO2}) = 0{,}2667\cdot 6{,}253 = 1{,}67\ \mathrm{atm}, \qquad p(\ce{N2}) = 0{,}70\cdot 6{,}253 = 4{,}38\ \mathrm{atm}

que suman 6,04 atm, como manda la ley de Dalton.

d) Tras disolver el COX2\ce{CO2}. Solo queda el nitrógeno:

ptotal=p(NX2)=4,38 atmp_{\text{total}} = p(\ce{N2}) = \boxed{4{,}38\ \mathrm{atm}}

La presión cae un 28 %.

e) Razonamiento cualitativo.

  1. El NX2\ce{N2} y la presión total. El nitrógeno no reacciona, pero ocupa volumen y choca contra las paredes: aporta su presión parcial (4,38 atm, el 72 % del total) a la suma de Dalton. Ahora bien, como su cantidad no cambia, no influye nada en la variación de presión debida a la reacción: actúa como un pedestal constante. Si esta fuera una reacción en equilibrio, tampoco lo desplazaría a volumen constante.
  2. Por qué baja la presión. Por cada 4,5 mol de OX2\ce{O2} consumidos solo se producen 4 de COX2\ce{CO2}: Δngas=4−4,5=−0,5\Delta n_{\text{gas}} = 4 - 4{,}5 = -0{,}5 por mol de sustrato. El motivo es que cinco de los productos se van en fase líquida (el agua) y el sustrato era acuoso. En números: se pasa de 0,30+0,70=1,000{,}30 + 0{,}70 = 1{,}00 mol de gas a 0,967, y la presión baja de 6,25 a 6,04 atm (un 3,3 %). Si la relación hubiera sido 1:1 —como en la respiración de la glucosa— la presión se habría mantenido constante. Esta es, de hecho, la base de los respirómetros: se mide el consumo de oxígeno absorbiendo el COX2\ce{CO2} con KOH\ce{KOH} y observando la caída de presión, exactamente el apartado d).

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