QuímicaFácil2,5 pts

Ajuste redox y estequiometría

También trata: Estructura atómica y números cuánticos

Castilla y León · 2017 · Septiembre · Opción A

Enunciado

En relación con la estructura atómica:

a) (0,5 puntos) Defina el concepto de isótopo.

b) (0,5 puntos) Si un isótopo de un elemento tiene el símbolo

{}^{21}_{10}\text{A}

, establezca el elemento químico de que se trata y el significado de los índices.

En relación con el estado de oxidación formal de los elementos:

c) (0,5 puntos) Defina el concepto de estado o número de oxidación de un elemento.

d) (1,0 puntos) Determine, justificándolo, el estado de oxidación formal de los elementos químicos que forman parte de las especies siguientes:

\text{O}_2

\text{CO}_2

\text{H}_2\text{SO}_4

\text{ClO}_4^-

.

Datos: números atómicos: H = 1; C = 6; O = 8; Ne = 10; S = 16; Cl = 17.

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Resultado

a) Átomos con el mismo $Z$ (protones) y distinto $A$ (distinto número de neutrones).
b) Neón: $Z = 10$ protones, $A = 21$ nucleones, $21 - 10 = 11$ neutrones.
c) Carga que tendría el átomo si todos sus enlaces fueran iónicos.
d) $\text{O}_2$ : O 0; $\text{CO}_2$ : C $+4$ , O $-2$ ; $\text{H}_2\text{SO}_4$ : H $+1$ , S $+6$ , O $-2$ ; $\text{ClO}_4^-$ : Cl $+7$ , O $-2$ .

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

La pregunta tiene dos partes independientes. En la primera basta con recordar qué son el número atómico

Z

(protones, identifica el elemento) y el número másico

A

(protones más neutrones): dos isótopos comparten

Z

y se diferencian en

A

. En la segunda se asignan números de oxidación con las reglas de siempre: elemento libre, 0; oxígeno,

-2

; hidrógeno unido a no metales,

+1

; y la suma de todos igual a la carga de la especie.

(En el cuadernillo original los cuatro apartados se llaman a, b, a, b; aquí se han renombrado a, b, c, d.)

Desarrollo

a) Isótopo

Los isótopos son átomos de un mismo elemento (mismo número atómico

Z

, es decir, mismo número de protones) que tienen distinto número másico

A

, porque tienen distinto número de neutrones. Como el número de protones y de electrones coincide, sus propiedades químicas son prácticamente iguales; cambian su masa y las propiedades que dependen de ella (y la estabilidad del núcleo). Por ejemplo,

{}^{12}_{6}\text{C}

{}^{14}_{6}\text{C}

.

b) El isótopo ${}^{21}_{10}\text{A}$

En la notación

{}^{A}_{Z}\text{X}

El subíndice (abajo a la izquierda) es el número atómico, $Z = 10$ : el núcleo tiene 10 protones (y el átomo neutro, 10 electrones). Es lo que identifica el elemento: con $Z = 10$ se trata del neón, $\text{Ne}$ , el gas noble del periodo 2 ( $1s^2\,2s^2\,2p^6$ ).
El superíndice (arriba a la izquierda) es el número másico, $A = 21$ : la suma de protones y neutrones del núcleo.

Por tanto, el número de neutrones es

N = A - Z = 21 - 10 = 11

Es el isótopo neón-21,

{}^{21}_{10}\text{Ne}

(el neón natural es casi todo neón-20, con un poco de neón-21 y neón-22).

c) Número de oxidación

El estado o número de oxidación de un elemento en una especie es la carga que tendría cada átomo si todos sus enlaces fueran iónicos, es decir, si los electrones de cada enlace se asignaran por completo al átomo más electronegativo. Es una carga formal, no real, que sirve para seguir los electrones en las reacciones redox: un elemento se oxida cuando su número de oxidación aumenta y se reduce cuando disminuye.

Reglas que se usan en d):

Un elemento sin combinar (o en una molécula de un solo elemento) tiene número de oxidación 0.
El oxígeno es $-2$ en casi todos sus compuestos (salvo peróxidos y frente al F).
El hidrógeno es $+1$ unido a no metales.
La suma de los números de oxidación es 0 en una molécula neutra y es igual a la carga en un ion.

d) Números de oxidación

$\text{O}_2$ : molécula formada por un único elemento; los dos átomos son iguales y comparten los electrones por igual. O: 0.
$\text{CO}_2$ : el O, más electronegativo, es $-2$ . Molécula neutra: $x + 2(-2) = 0 \Rightarrow x = +4$ . C: +4; O: −2.
$\text{H}_2\text{SO}_4$ : H $= +1$ y O $= -2$ . Molécula neutra:

2(+1) + x + 4(-2) = 0 \;\Rightarrow\; x = +6

H: +1; S: +6; O: −2.

$\text{ClO}_4^-$ : O $= -2$ . La suma debe ser la carga del ion, $-1$ :

x + 4(-2) = -1 \;\Rightarrow\; x = +7

Cl: +7; O: −2. Es el estado de oxidación más alto del cloro (grupo 17, siete electrones de valencia).

Consejo

En b) no te quedes en «21 es la masa y 10 el número atómico»: di qué cuenta cada número (protones; protones más neutrones), identifica el elemento por $Z$ y calcula los neutrones.

En d), en un ion la suma de los números de oxidación es la carga, no cero: con $\text{ClO}_4^-$ el cloro es $+7$ , no $+8$ . Y en un elemento libre como el $\text{O}_2$ es 0.

Paso 1 de 3

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