QuímicaMedioProblema · 2,5 pts

Ajuste redox y estequiometríaSelectividad (PAU) · País Vasco 2021 · Julio

País Vasco · 2021 · Julio
Enunciado
Dada la reacción química:NaClO3(aq)+Mn(s)+H2SO4(aq)→Cl2(g)+MnSO4(aq)+Na2SO4(aq)+H2O(l)\text{NaClO}_3(aq) + \text{Mn}(s) + \text{H}_2\text{SO}_4(aq) \rightarrow \text{Cl}_2(g) + \text{MnSO}_4(aq) + \text{Na}_2\text{SO}_4(aq) + \text{H}_2\text{O}(l)a) Ajustar la reacción empleando el método del ion-electrón. (1,5 puntos)

b) Indicar razonadamente qué especie se oxida y qué especie se reduce. (0,5 puntos)

c) Si la reacción es completa, ¿cuántos mL de cloro gaseoso, medidos a 15 ºC y 1,5 atm, se formarán a partir de 42,5 g de clorato de sodio? (0,5 puntos)

Datos (de la tabla del examen): masas atómicas: O = 16, Na = 23, Cl = 35,5; R=0,082 atm⋅L⋅K−1⋅mol−1R = 0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}.
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Resultado
a) 2 NaClO3+5 Mn+6 H2SO4→Cl2+5 MnSO4+Na2SO4+6 H2O2\,\text{NaClO}_3 + 5\,\text{Mn} + 6\,\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Cl}_2 + 5\,\text{MnSO}_4 + \text{Na}_2\text{SO}_4 + 6\,\text{H}_2\text{O}.

b) Se reduce el ClO3−\text{ClO}_3^- (Cl: +5→0+5 \rightarrow 0); se oxida el Mn (0→+20 \rightarrow +2).

c) Unos 3,14⋅103 mL3{,}14\cdot 10^3\ \text{mL} (3,14 L) de Cl2\text{Cl}_2.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Primero se buscan los elementos que cambian de número de oxidación: el cloro del clorato y el manganeso metálico. Se escriben las dos semirreacciones con las especies que realmente reaccionan (iones), se ajustan en medio ácido (con H2O\text{H}_2\text{O} y H+\text{H}^+, porque hay ácido sulfúrico) y se igualan los electrones.

Después se pasa a la ecuación molecular añadiendo los iones espectadores (Na+\text{Na}^+ y SO42−\text{SO}_4^{2-}). Con la ecuación ajustada, la estequiometría da los moles de cloro y los gases ideales, su volumen.
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Desarrollo

a) Números de oxidación. En el ClO3−\text{ClO}_3^- el cloro tiene +5+5 y en el Cl2\text{Cl}_2, 00: gana electrones. El manganeso pasa de 00 (metal) a +2+2 en el MnSO4\text{MnSO}_4: pierde electrones. El azufre (+6+6), el oxígeno y el sodio no cambian.

Semirreacción de reducción (medio ácido). Se ajusta el Cl, luego el O con agua, el H con H+\text{H}^+ y la carga con electrones:2 ClO3−+12 H++10 e−→Cl2+6 H2O2\,\text{ClO}_3^- + 12\,\text{H}^+ + 10\,e^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}(Carga a la izquierda: −2+12−10=0-2 + 12 - 10 = 0; a la derecha, 00.)

Semirreacción de oxidación.Mn→Mn2++2 e−\text{Mn} \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 2\,e^-Igualar los electrones. La oxidación se multiplica por 5 para que se intercambien 10 electrones, y se suman:2 ClO3−+12 H++5 Mn→Cl2+5 Mn2++6 H2O2\,\text{ClO}_3^- + 12\,\text{H}^+ + 5\,\text{Mn} \rightarrow \text{Cl}_2 + 5\,\text{Mn}^{2+} + 6\,\text{H}_2\text{O}Ecuación molecular. Los 2 ClO3−\text{ClO}_3^- vienen de 2 NaClO3\text{NaClO}_3; los 12 H+\text{H}^+, de 6 H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4. Los 6 sulfatos se reparten en 5 MnSO4\text{MnSO}_4 y 1 Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4 (que recoge los 2 Na+\text{Na}^+):2 NaClO3+5 Mn+6 H2SO4→Cl2+5 MnSO4+Na2SO4+6 H2O2\,\text{NaClO}_3 + 5\,\text{Mn} + 6\,\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Cl}_2 + 5\,\text{MnSO}_4 + \text{Na}_2\text{SO}_4 + 6\,\text{H}_2\text{O}Comprobación. Na: 2 = 2; Cl: 2 = 2; Mn: 5 = 5; S: 6 = 5 + 1; H: 12 = 12; O: 6+24=306 + 24 = 30 y 20+4+6=3020 + 4 + 6 = 30.

b) Quién se oxida y quién se reduce.
  • Se reduce el ion clorato, ClO3−\text{ClO}_3^-: su cloro gana electrones y baja de +5+5 a 00. Es el oxidante.
  • Se oxida el manganeso, Mn\text{Mn}: pierde dos electrones y sube de 00 a +2+2. Es el reductor.
c) Moles de clorato de sodio. M(NaClO3)=23+35,5+3⋅16=106,5 g/molM(\text{NaClO}_3) = 23 + 35{,}5 + 3\cdot 16 = 106{,}5\ \text{g/mol}:n(NaClO3)=42,5 g106,5 g/mol=0,399 moln(\text{NaClO}_3) = \frac{42{,}5\ \text{g}}{106{,}5\ \text{g/mol}} = 0{,}399\ \text{mol}Moles de cloro. Según la ecuación ajustada, 2 mol de NaClO3\text{NaClO}_3 dan 1 mol de Cl2\text{Cl}_2:n(Cl2)=0,3992=0,1995 moln(\text{Cl}_2) = \frac{0{,}399}{2} = 0{,}1995\ \text{mol}Volumen a T=15+273=288 KT = 15 + 273 = 288\ \text{K} y P=1,5 atmP = 1{,}5\ \text{atm}:V=nRTP=0,1995⋅0,082⋅2881,5=3,14 L=3,14⋅103 mLV = \frac{nRT}{P} = \frac{0{,}1995\cdot 0{,}082\cdot 288}{1{,}5} = 3{,}14\ \text{L} = 3{,}14\cdot 10^{3}\ \text{mL}
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Consejo

En la semirreacción del clorato, ajusta primero los átomos de cloro (2 ClO3−\text{ClO}_3^- para un Cl2\text{Cl}_2) y después el oxígeno y el hidrógeno: si empiezas por el oxígeno con un solo clorato te salen coeficientes fraccionarios y es fácil perderse.

En c) el enunciado pide mililitros: no lo dejes en litros. Y recuerda que la relación es 2:1 entre el clorato y el cloro; muchos olvidan dividir entre 2.
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