QuímicaDifícilProblema · 2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Andalucía · 2020 · Reserva 2

Enunciado

Bloque C · C4. Cuando se añade ácido nítrico al zinc se produce la siguiente reacción:

\text{Zn} + \text{HNO}_3 \longrightarrow \text{NH}_4\text{NO}_3 + \text{Zn(NO}_3)_2 + \text{H}_2\text{O}

a) Ajuste las reacciones iónica y molecular por el método del ion-electrón.

b) ¿Cuál será la riqueza de una muestra de

\text{Zn}

20\ \text{g}

de masa, sabiendo que, cuando reacciona con el ácido nítrico, consume

45\ \text{mL}

de una disolución del

55\ \%

en masa y densidad

1{,}38\ \text{g}/\text{mL}

?

Datos: Masas atómicas relativas:

\text{H} = 1

;

\text{N} = 14

;

\text{O} = 16

;

\text{Zn} = 65{,}4

Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido

Resultado

\boxed{\;\textbf{a) } 4\,\text{Zn} + 10\,\text{HNO}_3 \to 4\,\text{Zn(NO}_3)_2 + \text{NH}_4\text{NO}_3 + 3\,\text{H}_2\text{O}\;}

\boxed{\;\textbf{b) Riqueza} = 70{,}9\ \%\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Empieza asignando estados de oxidación, porque este ajuste tiene una reducción poco habitual:

\text{Zn}: 0 \rightarrow +2 \;(\textbf{oxidación}) \qquad\qquad \text{N}: +5 \;(\text{en } \text{NO}_3^-) \rightarrow -3 \;(\text{en } \text{NH}_4^+) \;(\textbf{reducción})

Ese salto de 8 electrones es lo que hace grandes los coeficientes.

Y presta atención al mismo detalle que en otros problemas de

\text{HNO}_3

: no todo el ácido se reduce. Parte actúa como oxidante y parte se limita a aportar los nitratos de las sales, así que el coeficiente de la ecuación molecular es mayor que el de la iónica. Para b) hay que usar el molecular.

Desarrollo

a) Ajuste por el método del ion-electrón.

Semirreacción de oxidación:

\text{Zn} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\,e^-

Semirreacción de reducción (medio ácido, se ajusta con

\text{H}^+

\text{H}_2\text{O}

\text{NO}_3^- + 10\,\text{H}^+ + 8\,e^- \longrightarrow \text{NH}_4^+ + 3\,\text{H}_2\text{O}

Para igualar los electrones, multiplicamos la oxidación por 4:

4\,\text{Zn} \longrightarrow 4\,\text{Zn}^{2+} + 8\,e^-

Ecuación iónica (suma de ambas):

4\,\text{Zn} + \text{NO}_3^- + 10\,\text{H}^+ \longrightarrow 4\,\text{Zn}^{2+} + \text{NH}_4^+ + 3\,\text{H}_2\text{O}

Ecuación molecular. Los

10\,\text{H}^+

obligan a 10 $\text{HNO}_3$ ; de sus 10 nitratos, uno se reduce a amonio y los nueve restantes forman las sales (

8

en los

4\ \text{Zn(NO}_3)_2

1

en el

\text{NH}_4\text{NO}_3

4\,\text{Zn} + 10\,\text{HNO}_3 \longrightarrow 4\,\text{Zn(NO}_3)_2 + \text{NH}_4\text{NO}_3 + 3\,\text{H}_2\text{O}

Comprobación:

\text{Zn}

: 4 y 4;

\text{N}

: 10 y

8 + 2 = 10

;

\text{H}

: 10 y

4 + 6 = 10

;

\text{O}

: 30 y

24 + 3 + 3 = 30\ \checkmark

b) Riqueza de la muestra de zinc.

Moles de ácido nítrico consumidos, con

M(\text{HNO}_3) = 1 + 14 + 48 = 63\ \text{g}\,\text{mol}^{-1}

m_{\text{disolución}} = 45\ \text{mL} \cdot 1{,}38\ \text{g}\,\text{mL}^{-1} = 62{,}1\ \text{g}

m(\text{HNO}_3) = 62{,}1 \cdot 0{,}55 = 34{,}16\ \text{g} \qquad\Longrightarrow\qquad n(\text{HNO}_3) = \frac{34{,}16}{63} = 0{,}542\ \text{mol}

Zinc que ha reaccionado, en relación

4:10

según la ecuación molecular:

n(\text{Zn}) = 0{,}542 \cdot \frac{4}{10} = 0{,}2168\ \text{mol}

m(\text{Zn}) = 0{,}2168 \cdot 65{,}4 = 14{,}18\ \text{g}

Riqueza:

\text{riqueza} = \frac{m(\text{Zn puro})}{m(\text{muestra})}\cdot 100 = \frac{14{,}18}{20}\cdot 100 = \mathbf{70{,}9\ \%}

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

Consejo

El nitrógeno del $\text{HNO}_3$ puede reducirse a muchos productos ( $\text{NO}_2$ , $\text{NO}$ , $\text{N}_2\text{O}$ , $\text{NH}_4^+$ …) según lo concentrado que esté el ácido y lo enérgico que sea el reductor. Deja siempre que el enunciado te diga cuál es: aquí el producto es $\text{NH}_4\text{NO}_3$ , luego el nitrógeno llega hasta $-3$ y se intercambian 8 electrones.

Al pasar de la iónica a la molecular, no cuentes solo los nitratos que se reducen. Hay que completar también los que acompañan a los cationes en las sales. Contar los átomos de N a ambos lados es la comprobación que lo cierra.

En b), la cadena es siempre la misma con disoluciones comerciales: volumen $\to$ masa (densidad) $\to$ masa de soluto (riqueza) $\to$ moles (masa molar). Escríbela con unidades y no te saltes ningún eslabón.