QuímicaDifícil2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Extremadura · 2021 · Julio
Enunciado
Sea la reacción:C+Fe2O3⟶CO2+Fe\text{C} + \text{Fe}_2\text{O}_3 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{Fe}a) (1 punto) Ajustar por el método del ion-electrón.

b) (0,5 puntos) Indicar cuál es la especie oxidante y cuál la reductora.

c) (0,5 puntos) Calcular la cantidad en gramos que se obtienen de Fe\text{Fe} si se parte de 150150 gramos de carbono.

Datos: Masas atómicas (u): C=12\text{C} = 12; Fe=56\text{Fe} = 56.
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Resultado
  3 C+2 Fe2O3⟶3 CO2+4 Fe  \boxed{\;3\,\text{C} + 2\,\text{Fe}_2\text{O}_3 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{Fe}\;}
  • b) Oxidante: Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3; reductor: C\text{C}.
  m(Fe)=933 g  \boxed{\;m(\text{Fe}) = 933\ \text{g}\;}
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Estrategia

Primero se asignan números de oxidación para ver quién se oxida y quién se reduce: el carbono pasa de 00 a +4+4 y el hierro de +3+3 a 00. Después se escriben las dos semirreacciones y se ajustan el oxígeno con H2O\text{H}_2\text{O} y el hidrógeno con H+\text{H}^+ (como en medio ácido), se igualan los electrones intercambiados y se suman. Con la ecuación ajustada, la estequiometría de c) es directa: 3 mol de C dan 4 mol de Fe.
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Desarrollo

Números de oxidación.C0+Fe+32O−23⟶C+4O−22+Fe0\overset{0}{\text{C}} + \overset{+3}{\text{Fe}}_2\overset{-2}{\text{O}}_3 \longrightarrow \overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}}_2 + \overset{0}{\text{Fe}}
  • El carbono pasa de 00 a +4+4: pierde electrones, se oxida.
  • El hierro pasa de +3+3 a 00: gana electrones, se reduce.
a) Ajuste por el método del ion-electrón.

Es una reacción entre sólidos (la reducción del óxido de hierro con carbón), pero el método se aplica igual: el oxígeno se ajusta con H2O\text{H}_2\text{O} y el hidrógeno con H+\text{H}^+, y al final ambos se cancelan.

Semirreacción de oxidación (el C pierde 4 electrones):C+2 H2O⟶CO2+4 H++4 e−\text{C} + 2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4\,e^-Semirreacción de reducción (cada Fe gana 3 electrones; el Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3 lleva dos):Fe2O3+6 H++6 e−⟶2 Fe+3 H2O\text{Fe}_2\text{O}_3 + 6\,\text{H}^+ + 6\,e^- \longrightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{H}_2\text{O}Igualamos los electrones (mínimo común múltiplo de 4 y 6, que es 12): la oxidación por 3 y la reducción por 2:3 C+6 H2O⟶3 CO2+12 H++12 e−3\,\text{C} + 6\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 12\,\text{H}^+ + 12\,e^-2 Fe2O3+12 H++12 e−⟶4 Fe+6 H2O2\,\text{Fe}_2\text{O}_3 + 12\,\text{H}^+ + 12\,e^- \longrightarrow 4\,\text{Fe} + 6\,\text{H}_2\text{O}Sumamos: se cancelan los 12 e−12\,e^-, los 12 H+12\,\text{H}^+ y las 6 H2O6\,\text{H}_2\text{O}:3 C+2 Fe2O3⟶3 CO2+4 Fe3\,\text{C} + 2\,\text{Fe}_2\text{O}_3 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{Fe}Comprobación: 3 C, 4 Fe y 6 O a cada lado.

b) Oxidante y reductor.
  • Oxidante: el Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3 (el Fe3+\text{Fe}^{3+}), porque se reduce: gana los electrones que cede el carbono.
  • Reductor: el C\text{C}, porque se oxida: cede electrones al hierro.
c) Masa de hierro a partir de 150 g150\ \text{g} de carbono.n(C)=150 g12 g/mol=12,5 moln(\text{C}) = \frac{150\ \text{g}}{12\ \text{g/mol}} = 12{,}5\ \text{mol}Según la ecuación ajustada, 3 mol de C producen 4 mol de Fe:n(Fe)=12,5 mol C⋅4 mol Fe3 mol C=16,7 moln(\text{Fe}) = 12{,}5\ \text{mol C}\cdot\frac{4\ \text{mol Fe}}{3\ \text{mol C}} = 16{,}7\ \text{mol}m(Fe)=16,67 mol⋅56 g/mol=933 gm(\text{Fe}) = 16{,}67\ \text{mol}\cdot 56\ \text{g/mol} = 933\ \text{g}(Suponiendo que hay Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3 suficiente para que reaccione todo el carbono.)
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Consejo

En la semirreacción de reducción no olvides que el Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3 tiene dos átomos de hierro: intercambia 6 electrones, no 3. Si pones 3, el mínimo común múltiplo sale mal y la ecuación global no cuadra.

Comprueba siempre al final que hay los mismos átomos de cada elemento a los dos lados. Y en el cálculo, usa la proporción 3 C : 4 Fe de la ecuación ajustada, no 1 : 1.
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