Ajuste redox y estequiometría

a) NombresLos reactivos son el cobre y el ácido nítrico; los productos, el monóxido de nitrógeno, el nitrato de cobre(II) y el agua.

b) Semiecuaciones

Números de oxidación de las especies que cambian:

• Cobre: $\overset{0}{\text{Cu}} \rightarrow \overset{+2}{\text{Cu}}{}^{2+}$: pierde electrones, se oxida. El Cu es el reductor.
• Nitrógeno: $\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3^- \rightarrow \overset{+2}{\text{N}}\text{O}$: gana electrones, se reduce. El $\text{NO}_3^-$ (el $\text{HNO}_3$) es el oxidante.

Semirreacción de oxidación (solo hay que ajustar la carga):$$\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,e^-$$Semirreacción de reducción en medio ácido: el $\text{NO}_3^-$ tiene 3 O y el NO uno, así que se añaden 2 $\text{H}_2\text{O}$ a la derecha; esos 4 H se compensan con 4 $\text{H}^+$ a la izquierda, y la carga ($-1 + 4 = +3$ frente a 0) con 3 electrones:$$\text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ + 3\,e^- \rightarrow \text{NO} + 2\,\text{H}_2\text{O}$$c) Ecuaciones iónica y molecular

Para igualar los electrones (mcm de 2 y 3 = 6) se multiplica la oxidación por 3 y la reducción por 2:$$3\,\text{Cu} \rightarrow 3\,\text{Cu}^{2+} + 6\,e^-$$$$2\,\text{NO}_3^- + 8\,\text{H}^+ + 6\,e^- \rightarrow 2\,\text{NO} + 4\,\text{H}_2\text{O}$$Sumando, los electrones se cancelan y queda la ecuación iónica:$$3\,\text{Cu} + 2\,\text{NO}_3^- + 8\,\text{H}^+ \rightarrow 3\,\text{Cu}^{2+} + 2\,\text{NO} + 4\,\text{H}_2\text{O}$$(Comprobación de carga: $-2 + 8 = +6$ a la izquierda y $+6$ a la derecha.)

Para la ecuación molecular, los 8 $\text{H}^+$ vienen de 8 $\text{HNO}_3$. Dos de ellos aportan los nitratos que se reducen a NO, y los otros 6 aportan los nitratos que acompañan a los 3 $\text{Cu}^{2+}$ en el $\text{Cu(NO}_3)_2$:$$3\,\text{Cu} + 8\,\text{HNO}_3 \rightarrow 3\,\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\,\text{NO} + 4\,\text{H}_2\text{O}$$Comprobación: Cu 3 = 3; N 8 = 6 + 2; H 8 = 8; O 24 = 18 + 2 + 4.

d) Volumen de ácido nítrico del 30 %

Moles de cobre:$$n(\text{Cu}) = \frac{12{,}70\,\text{g}}{63{,}5\,\text{g/mol}} = 0{,}200\,\text{mol}$$Según la ecuación molecular, 3 mol de Cu reaccionan con 8 mol de $\text{HNO}_3$:$$n(\text{HNO}_3) = 0{,}200\,\text{mol Cu}\cdot\frac{8\,\text{mol HNO}_3}{3\,\text{mol Cu}} = 0{,}533\,\text{mol}$$Con $M(\text{HNO}_3) = 1{,}0 + 14{,}0 + 3\cdot 16{,}0 = 63{,}0\,\text{g/mol}$:$$m(\text{HNO}_3) = 0{,}533\,\text{mol}\cdot 63{,}0\,\text{g/mol} = 33{,}6\,\text{g de HNO}_3\ \text{puro}$$La disolución solo tiene un 30 % en masa de ácido:$$m_{\text{disolución}} = 33{,}6\,\text{g}\cdot\frac{100\,\text{g disolución}}{30\,\text{g HNO}_3} = 112\,\text{g}$$Y con la densidad:$$V = \frac{112\,\text{g}}{1{,}18\,\text{g/mL}} = 94{,}9\,\text{mL}$$