QuímicaMedioProblema · 2 pts

Ajuste redox y estequiometríaSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2018 · Julio · Opción A

Comunitat Valenciana · 2018 · Julio · Opción A
Enunciado
El ácido sulfúrico concentrado caliente disuelve el metal cinc formándose sulfato de cinc, dióxido de azufre y agua, de acuerdo con la siguiente reacción (no ajustada):Zn(s)+H2SO4(conc)→ calor ZnSO4(ac)+SO2(g)+H2O(l)\text{Zn}(s) + \text{H}_2\text{SO}_4(\text{conc}) \xrightarrow{\ \text{calor}\ } \text{ZnSO}_4(ac) + \text{SO}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(l)a) Escriba la semirreacción de oxidación y la de reducción, así como la reacción global ajustada tanto en su forma iónica como molecular. (0,8 puntos)

b) Calcule el volumen, en mL, de ácido sulfúrico concentrado de densidad 1,98 g⋅mL−11{,}98\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1} y 95 % de riqueza (en peso) necesario para oxidar 20 gramos de cinc de pureza 98 %. (1,2 puntos)

Datos. Masas atómicas relativas: H (1); O (16); S (32); Zn (65,4).
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Resultado
a) Oxidación: Zn→Zn2++2 e−\text{Zn} \to \text{Zn}^{2+} + 2\,e^-. Reducción: SO42−+4 H++2 e−→SO2+2 H2O\text{SO}_4^{2-} + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \to \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}. Iónica: Zn+SO42−+4 H+→Zn2++SO2+2 H2O\text{Zn} + \text{SO}_4^{2-} + 4\,\text{H}^+ \to \text{Zn}^{2+} + \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}. Molecular: Zn+2 H2SO4→ZnSO4+SO2+2 H2O\text{Zn} + 2\,\text{H}_2\text{SO}_4 \to \text{ZnSO}_4 + \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}.

b) Hacen falta unos 31,2 mL31{,}2\ \text{mL} de ácido sulfúrico concentrado.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Primero hay que ver quién cambia de número de oxidación. El cinc pasa de 0 a +2+2 (se oxida) y el azufre de +6+6 en el sulfúrico a +4+4 en el SO2\text{SO}_2 (se reduce). Se ajusta por el método del ion-electrón en medio ácido.

Ojo al pasar a la ecuación molecular: el sulfúrico hace dos papeles. Una parte se reduce a SO2\text{SO}_2 y otra solo aporta el sulfato del ZnSO4\text{ZnSO}_4. Por eso hacen falta dos moles de H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4 por mol de Zn, y eso es lo que se usa en b).

En b) el camino es: masa de Zn impuro → Zn puro → moles de Zn → moles de H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4 → gramos de ácido puro → gramos de disolución (riqueza) → mililitros (densidad).
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Desarrollo

a) Números de oxidaciónZn0+H2S+6O4⟶Zn+2SO4+S+4O2+H2O\overset{0}{\text{Zn}} + \text{H}_2\overset{+6}{\text{S}}\text{O}_4 \longrightarrow \overset{+2}{\text{Zn}}\text{SO}_4 + \overset{+4}{\text{S}}\text{O}_2 + \text{H}_2\text{O}Semirreacción de oxidación (el Zn es el reductor):Zn⟶Zn2++2 e−\text{Zn} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\,e^-Semirreacción de reducción (el sulfato es el oxidante). Se ajustan los oxígenos con agua y los hidrógenos con H+\text{H}^+:SO42−+4 H++2 e−⟶SO2+2 H2O\text{SO}_4^{2-} + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \longrightarrow \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Ecuación iónica global. Las dos semirreacciones intercambian 2 electrones, así que se suman tal cual:Zn+SO42−+4 H+⟶Zn2++SO2+2 H2O\text{Zn} + \text{SO}_4^{2-} + 4\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Ecuación molecular. Los 4 H+4\,\text{H}^+ y el sulfato que se reduce salen de 2 H2SO42\,\text{H}_2\text{SO}_4; el segundo sulfato acompaña al Zn2+\text{Zn}^{2+} como ZnSO4\text{ZnSO}_4:Zn(s)+2 H2SO4⟶ZnSO4+SO2+2 H2O\text{Zn}(s) + 2\,\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Comprobación: 1 Zn, 2 S, 8 O y 4 H a cada lado.

b) Moles de cinc purom(Zn)=0,98⋅20 g=19,6 gn(Zn)=19,6 g65,4 g/mol=0,300 molm(\text{Zn}) = 0{,}98 \cdot 20\ \text{g} = 19{,}6\ \text{g} \qquad n(\text{Zn}) = \frac{19{,}6\ \text{g}}{65{,}4\ \text{g/mol}} = 0{,}300\ \text{mol}Moles y masa de ácido sulfúrico. Por la ecuación molecular, 2 mol de H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4 por mol de Zn; con M(H2SO4)=2+32+64=98 g/molM(\text{H}_2\text{SO}_4) = 2 + 32 + 64 = 98\ \text{g/mol}:n(H2SO4)=2 n(Zn)=0,599 molm(H2SO4)=0,599⋅98=58,74 gn(\text{H}_2\text{SO}_4) = 2\,n(\text{Zn}) = 0{,}599\ \text{mol} \qquad m(\text{H}_2\text{SO}_4) = 0{,}599 \cdot 98 = 58{,}74\ \text{g}Masa de disolución. Solo el 95 % de la disolución es ácido:mdisolucioˊn=58,74 g0,95=61,83 gm_{\text{disolución}} = \frac{58{,}74\ \text{g}}{0{,}95} = 61{,}83\ \text{g}Volumen, con la densidad:V=mdisolucioˊnd=61,83 g1,98 g/mL=31,2 mLV = \frac{m_{\text{disolución}}}{d} = \frac{61{,}83\ \text{g}}{1{,}98\ \text{g/mL}} = 31{,}2\ \text{mL}
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Consejo

El fallo más caro de este problema es usar la ecuación iónica para la estequiometría de b): da 1 mol de sulfúrico por mol de Zn y el volumen sale la mitad. Pasa siempre a la molecular y cuenta todos los sulfatos, también el que no se reduce.

Aplica la riqueza y la pureza en el sentido correcto: la pureza del cinc reduce la masa útil (multiplicas por 0,98) y la riqueza del ácido aumenta la masa de disolución que necesitas (divides entre 0,95).
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