QuímicaMedio2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Extremadura · 2019 · Junio · Opción A
Enunciado
Para la siguiente reacción redox:MnO2(s)+HCl(l)⇌MnCl2(s)+Cl2(g)+H2O(l)\text{MnO}_2(s) + \text{HCl}(l) \rightleftharpoons \text{MnCl}_2(s) + \text{Cl}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(l)a) (0,5 puntos) Determinar la especie que se oxida y la que se reduce.

b) (0,75 puntos) Ajustar la ecuación por el método del ion-electrón.

c) (0,75 puntos) Calcular la masa (en gramos) de MnO2\text{MnO}_2 necesaria para producir 50 L50\ \text{L} de Cl2(g)\text{Cl}_2(g), medidos a 1,5 atm1{,}5\ \text{atm} y 350 K350\ \text{K}.

Datos: R=0,082 atm⋅L⋅mol−1⋅K−1R = 0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}; masas atómicas (u): Mn=54,94\text{Mn} = 54{,}94; O=16\text{O} = 16.
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Resultado
  a) Se reduce el MnO2 (Mn: +4→+2); se oxida el Cl− (−1→0)  \boxed{\;\textbf{a)}\ \text{Se reduce el MnO}_2\ (\text{Mn: } +4 \to +2);\ \text{se oxida el Cl}^-\ (-1 \to 0)\;}  b) MnO2+4 HCl⟶MnCl2+Cl2+2 H2O  \boxed{\;\textbf{b)}\ \text{MnO}_2 + 4\,\text{HCl} \longrightarrow \text{MnCl}_2 + \text{Cl}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\;}  c) m(MnO2)=227 g  \boxed{\;\textbf{c)}\ m(\text{MnO}_2) = 227\ \text{g}\;}
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Estrategia

Primero se asignan números de oxidación para ver qué elemento gana electrones (se reduce) y cuál los pierde (se oxida). Después se escriben las dos semirreacciones en forma iónica, se ajustan en medio ácido (el HCl\text{HCl} aporta los H+\text{H}^+) con H2O\text{H}_2\text{O} y H+\text{H}^+, se igualan los electrones y se suman. Por último, el volumen de cloro se pasa a moles con PV=nRTPV = nRT y la ecuación ajustada da los moles de MnO2\text{MnO}_2.
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Desarrollo

a) Especie que se oxida y especie que se reduce

Números de oxidación:Mn+4O2−2+H+1Cl−1⟶Mn+2Cl2−1+Cl20+H2+1O−2\overset{+4}{\text{Mn}}\overset{-2}{\text{O}_2} + \overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{Cl}} \longrightarrow \overset{+2}{\text{Mn}}\overset{-1}{\text{Cl}_2} + \overset{0}{\text{Cl}_2} + \overset{+1}{\text{H}_2}\overset{-2}{\text{O}}
  • El manganeso pasa de +4+4 a +2+2: gana electrones, se reduce el MnO2\text{MnO}_2 (es el oxidante).
  • Parte del cloro pasa de −1-1 (en el HCl\text{HCl}) a 00 (en el Cl2\text{Cl}_2): pierde electrones, se oxida el Cl−\text{Cl}^- del HCl\text{HCl} (el HCl\text{HCl} es el reductor).
El resto del cloro sigue como Cl−\text{Cl}^- en el MnCl2\text{MnCl}_2: ese HCl\text{HCl} solo aporta el medio ácido y los iones cloruro.

b) Ajuste por el método del ion-electrón (medio ácido)

Semirreacción de reducción: se ajusta el O con agua y el H con H+\text{H}^+, y después la carga con electrones:MnO2+4 H++2 e−⟶Mn2++2 H2O\text{MnO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \longrightarrow \text{Mn}^{2+} + 2\,\text{H}_2\text{O}Semirreacción de oxidación:2 Cl−⟶Cl2+2 e−2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\,e^-Las dos intercambian 2 electrones, así que se suman tal cual. Ecuación iónica ajustada:MnO2+4 H++2 Cl−⟶Mn2++Cl2+2 H2O\text{MnO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Cl}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Para pasar a la molecular, los 4 H+4\,\text{H}^+ vienen de 4 HCl4\,\text{HCl}, que aportan 4 Cl−4\,\text{Cl}^-: dos se oxidan a Cl2\text{Cl}_2 y los otros dos acompañan al Mn2+\text{Mn}^{2+} como MnCl2\text{MnCl}_2:MnO2+4 HCl⟶MnCl2+Cl2+2 H2O\text{MnO}_2 + 4\,\text{HCl} \longrightarrow \text{MnCl}_2 + \text{Cl}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Comprobación: 1 Mn, 2 O, 4 H y 4 Cl a cada lado.
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(El enunciado escribe el HCl\text{HCl} como líquido y el MnCl2\text{MnCl}_2 como sólido; en la práctica la reacción se hace con ácido clorhídrico concentrado, en disolución acuosa, y el MnCl2\text{MnCl}_2 queda disuelto. No cambia el ajuste ni los cálculos.)

c) Masa de MnO2\text{MnO}_2 para obtener 50 L50\ \text{L} de Cl2\text{Cl}_2

Moles de cloro con la ecuación de los gases ideales:n(Cl2)=PVRT=1,5 atm⋅50 L0,082 atm⋅L⋅mol−1⋅K−1⋅350 K=7528,7=2,61 moln(\text{Cl}_2) = \frac{PV}{RT} = \frac{1{,}5\ \text{atm} \cdot 50\ \text{L}}{0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1} \cdot 350\ \text{K}} = \frac{75}{28{,}7} = 2{,}61\ \text{mol}Según la ecuación ajustada, 1 mol1\ \text{mol} de MnO2\text{MnO}_2 produce 1 mol1\ \text{mol} de Cl2\text{Cl}_2, así que n(MnO2)=2,61 moln(\text{MnO}_2) = 2{,}61\ \text{mol}.M(MnO2)=54,94+2⋅16=86,94 g⋅mol−1M(\text{MnO}_2) = 54{,}94 + 2\cdot 16 = 86{,}94\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}m(MnO2)=2,61 mol⋅86,94 g⋅mol−1=227 gm(\text{MnO}_2) = 2{,}61\ \text{mol} \cdot 86{,}94\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1} = 227\ \text{g}
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Consejo

Al pasar de la ecuación iónica a la molecular, cuenta todos los cloros: el HCl\text{HCl} hace de reductor y de ácido a la vez, y por eso hacen falta 4 y no 2. Es el error más típico de este ajuste.

En c), la relación 1:1 entre MnO2\text{MnO}_2 y Cl2\text{Cl}_2 sale de la ecuación ajustada; sin ajustar bien en b), el cálculo no vale.
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