QuímicaMedio2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Comunidad de Madrid · 2019 · Junio (coincidentes) · Opción A
Enunciado
Ajuste por el método del ion-electrón la reacción global molecular y calcule el potencial para los siguientes procesos redox:

a) (1 punto) Oxidación de cobre metálico con ácido nítrico, obteniéndose dióxido de nitrógeno.

b) (1 punto) Oxidación de zinc a ion Zn2+\text{Zn}^{2+} con ácido clorhídrico.

Datos: E0E^0 (V): Zn2+/Zn=−0,76\text{Zn}^{2+}/\text{Zn} = -0{,}76; Cu2+/Cu=0,34\text{Cu}^{2+}/\text{Cu} = 0{,}34; NO3−/NO2=0,80\text{NO}_3^-/\text{NO}_2 = 0{,}80.
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Resultado
  • a) Cu+4 HNO3→Cu(NO3)2+2 NO2+2 H2O\text{Cu} + 4\,\text{HNO}_3 \to \text{Cu}(\text{NO}_3)_2 + 2\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}; E0=0,46E^0 = 0{,}46 V.
  • b) Zn+2 HCl→ZnCl2+H2\text{Zn} + 2\,\text{HCl} \to \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2; E0=0,76E^0 = 0{,}76 V.
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Estrategia

En los dos casos el metal se oxida a su catión y el ácido aporta el oxidante: en el nítrico es el ion nitrato (se reduce a NO2\text{NO}_2); en el clorhídrico, el ion Cl−\text{Cl}^- no puede oxidar a nadie, así que el oxidante es el H+\text{H}^+, que se reduce a H2\text{H}_2.

Se ajusta cada semirreacción en medio ácido, se igualan los electrones y se suman. Para pasar a la ecuación molecular se añaden los iones espectadores (NO3−\text{NO}_3^- o Cl−\text{Cl}^-) que acompañan al catión metálico.

El potencial del proceso es E0=Ecaˊtodo0−Eaˊnodo0E^0 = E^0_{\text{cátodo}} - E^0_{\text{ánodo}} (el que se reduce menos el que se oxida). Para el par H+/H2\text{H}^+/\text{H}_2 se toma el electrodo de referencia, E0=0E^0 = 0.
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Desarrollo

a) Cobre con ácido nítrico.

Números de oxidación: Cu pasa de 00 a +2+2 (se oxida); N pasa de +5+5 en el NO3−\text{NO}_3^- a +4+4 en el NO2\text{NO}_2 (se reduce).

Oxidación:Cu⟶Cu2++2 e−\text{Cu} \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,e^-Reducción (sobra un O, que sale como agua con 2 H+\text{H}^+), multiplicada por 2 para igualar los electrones:2 NO3−+4 H++2 e−⟶2 NO2+2 H2O2\,\text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \longrightarrow 2\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Ecuación iónica:Cu+2 NO3−+4 H+⟶Cu2++2 NO2+2 H2O\text{Cu} + 2\,\text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Ecuación molecular: los 4 H+4\,\text{H}^+ vienen de 4 moléculas de HNO3\text{HNO}_3; dos de ellas aportan los nitratos que se reducen y las otras dos quedan como nitrato acompañando al Cu2+\text{Cu}^{2+}:Cu+4 HNO3⟶Cu(NO3)2+2 NO2+2 H2O\text{Cu} + 4\,\text{HNO}_3 \longrightarrow \text{Cu}(\text{NO}_3)_2 + 2\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Comprobación: Cu 1 y 1; H 4 y 4; N 4 y 2+2=42 + 2 = 4; O 12 y 6+4+2=126 + 4 + 2 = 12.

Potencial: el cátodo es el par NO3−/NO2\text{NO}_3^-/\text{NO}_2 y el ánodo, el Cu2+/Cu\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}:E0=E0(NO3−/NO2)−E0(Cu2+/Cu)=0,80−0,34=0,46 VE^0 = E^0(\text{NO}_3^-/\text{NO}_2) - E^0(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = 0{,}80 - 0{,}34 = 0{,}46\ \text{V}Como E0>0E^0 > 0, el proceso es espontáneo en condiciones estándar (ΔG0=−nFE0<0\Delta G^0 = -nFE^0 < 0).
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b) Zinc con ácido clorhídrico.

El Zn pasa de 00 a +2+2 (se oxida) y el H, de +1+1 en el H+\text{H}^+ a 00 en el H2\text{H}_2 (se reduce). Las dos semirreacciones ya intercambian 2 electrones:Zn⟶Zn2++2 e−2 H++2 e−⟶H2\text{Zn} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\,e^- \qquad 2\,\text{H}^+ + 2\,e^- \longrightarrow \text{H}_2Ecuación iónica:Zn+2 H+⟶Zn2++H2\text{Zn} + 2\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{H}_2Ecuación molecular, con los dos Cl−\text{Cl}^- espectadores:Zn+2 HCl⟶ZnCl2+H2\text{Zn} + 2\,\text{HCl} \longrightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2Potencial: el cátodo es el electrodo de hidrógeno (E0=0E^0 = 0, por definición) y el ánodo, el Zn2+/Zn\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}:E0=E0(H+/H2)−E0(Zn2+/Zn)=0−(−0,76)=0,76 VE^0 = E^0(\text{H}^+/\text{H}_2) - E^0(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = 0 - (-0{,}76) = 0{,}76\ \text{V}También es espontáneo: el zinc, con potencial de reducción negativo, desplaza al hidrógeno de los ácidos (el cobre, con potencial positivo, no lo haría con el HCl; por eso hace falta un ácido oxidante como el nítrico).
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Consejo

El potencial del par H+/H2\text{H}^+/\text{H}_2 no viene en los datos porque es el electrodo de referencia: vale 0 V por definición. Escríbelo explícitamente al calcular el potencial de b).

En la ecuación molecular de a) no te quedes en Cu+2 HNO3\text{Cu} + 2\,\text{HNO}_3: hacen falta cuatro moléculas de ácido, dos que se reducen a NO2\text{NO}_2 y dos que forman el Cu(NO3)2\text{Cu}(\text{NO}_3)_2. Comprueba siempre átomo a átomo y la carga en la iónica.
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