QuímicaDifícil2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Comunidad de Madrid · 2021 · Julio (coincidentes)

Enunciado

Se hacen reaccionar

20{,}0\ \text{mL}

de ácido sulfúrico de densidad

1{,}836\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}

98{,}0\ \%

de riqueza en masa con

26{,}5\ \text{g}

de cobre que tiene un

5{,}0\ \%

de impurezas, obteniéndose sulfato de cobre (II) y dióxido de azufre.

a) (0,75 puntos) Escriba y ajuste utilizando el método del ion electrón, las semirreacciones de oxidación y reducción, y la reacción molecular global.

b) (0,75 puntos) Justifique numéricamente cuál es el reactivo limitante de esta reacción.

c) (0,5 puntos) Calcule la masa de sulfato de cobre (II) que se obtiene.

Datos. Masas atómicas: H = 1,0; O = 16,0; S = 32,1; Cu = 63,5.

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Resultado

a) Oxidación: $\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,e^-$ ; reducción: $\text{SO}_4^{2-} + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \rightarrow \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$ . Molecular: $\text{Cu} + 2\,\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CuSO}_4 + \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$ .
b) Limitante: $\text{H}_2\text{SO}_4$ ( $0{,}367$ mol, menos de los $0{,}793$ que necesitaría el cobre).
c) $m(\text{CuSO}_4) = 29{,}3\ \text{g}$ .

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

El cobre se oxida (

0 \rightarrow +2

) y el azufre del sulfato se reduce (

+6 \rightarrow +4

, en el

\text{SO}_2

). Ajusta en medio ácido. En la ecuación molecular, el sulfúrico hace dos papeles: un mol oxida al cobre y otro aporta el sulfato del

\text{CuSO}_4

, así que se gastan 2 mol de ácido por mol de Cu. Calcula los moles reales de cada reactivo (con densidad, riqueza e impurezas) y compáralos con esa proporción.

Desarrollo

a) Ajuste por el método del ion-electrón.

Oxidación:

\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\,e^-

Reducción:

\text{SO}_4^{2-} + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \rightarrow \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}

Los electrones ya están igualados (2). Sumando, la reacción iónica:

\text{Cu} + \text{SO}_4^{2-} + 4\,\text{H}^+ \rightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}

Los 4

\text{H}^+

vienen de dos moléculas de

\text{H}_2\text{SO}_4

; el segundo sulfato acompaña al

\text{Cu}^{2+}

en el producto. Reacción molecular:

\text{Cu} + 2\,\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CuSO}_4 + \text{SO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}

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

b) Reactivo limitante.

Ácido sulfúrico, con

M(\text{H}_2\text{SO}_4) = 2\cdot 1{,}0 + 32{,}1 + 4\cdot 16{,}0 = 98{,}1\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}

m(\text{H}_2\text{SO}_4) = 20{,}0\ \text{mL}\cdot 1{,}836\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}\cdot 0{,}980 = 36{,}0\ \text{g} \qquad n(\text{H}_2\text{SO}_4) = \frac{36{,}0}{98{,}1} = 0{,}367\ \text{mol}

Cobre puro (el

95{,}0\ \%

de la muestra):

m(\text{Cu}) = 26{,}5\cdot 0{,}950 = 25{,}2\ \text{g} \qquad n(\text{Cu}) = \frac{25{,}2}{63{,}5} = 0{,}396\ \text{mol}

Para que reaccione todo el cobre harían falta

2\cdot 0{,}396 = 0{,}793

mol de ácido, y solo hay

0{,}367

. El reactivo limitante es el ácido sulfúrico (sobra cobre: reaccionan

0{,}367/2 = 0{,}183

mol de los

0{,}396

).

c) Masa de sulfato de cobre (II).

n(\text{CuSO}_4) = \frac{n(\text{H}_2\text{SO}_4)}{2} = \frac{0{,}367}{2} = 0{,}183\ \text{mol}

Con

M(\text{CuSO}_4) = 63{,}5 + 32{,}1 + 4\cdot 16{,}0 = 159{,}6\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}

m(\text{CuSO}_4) = 0{,}183\ \text{mol}\cdot 159{,}6\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1} = 29{,}3\ \text{g}

Consejo

El reactivo limitante no es el que tiene menos moles, sino el que se acaba antes según la estequiometría: aquí hay casi tantos moles de ácido como de cobre, pero el cobre necesita el doble.

No olvides las impurezas del cobre y la riqueza del ácido: los dos datos cambian los moles reales.

Paso 1 de 3

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