QuímicaMedioCuestión · 2 pts

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

País Vasco · 2021 · Junio
Enunciado
Se quiere determinar la concentración de un agua oxigenada comercial mediante su valoración con una disolución de permanganato de potasio de concentración conocida (permanganimetría). En disolución ácida el permanganato (MnO4−\text{MnO}_4^-) oxida el H2O2\text{H}_2\text{O}_2 a O2\text{O}_2, reduciéndose a Mn2+\text{Mn}^{2+} según la ecuación siguiente (sin ajustar):KMnO4+H2O2+H2SO4⟶K2SO4+MnSO4+O2+H2O\text{KMnO}_4 + \text{H}_2\text{O}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{K}_2\text{SO}_4 + \text{MnSO}_4 + \text{O}_2 + \text{H}_2\text{O}a) Indicar los instrumentos y materiales que serán necesarios. (0,25 puntos)

b) Explicar el procedimiento de la valoración acompañándolo de un dibujo. (0,75 puntos)

c) Explicar por qué no se necesita indicador para esta valoración. (0,25 puntos)

d) Escribir la reacción ajustada que tiene lugar en esta valoración. (0,75 puntos)
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Resultado
a) Bureta con soporte y pinza, Erlenmeyer, pipeta con pera, probeta y frasco lavador.

b) KMnO₄ desde la bureta sobre el H₂O₂ acidulado, agitando, hasta color violeta persistente.

c) El MnO₄⁻ (violeta) pasa a Mn²⁺ (incoloro): actúa de autoindicador.

d) 2 KMnO4+5 H2O2+3 H2SO4→K2SO4+2 MnSO4+5 O2+8 H2O2\,\text{KMnO}_4 + 5\,\text{H}_2\text{O}_2 + 3\,\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{K}_2\text{SO}_4 + 2\,\text{MnSO}_4 + 5\,\text{O}_2 + 8\,\text{H}_2\text{O}.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Es una volumetría redox: se va añadiendo desde una bureta un oxidante de concentración conocida (KMnO₄) sobre un volumen medido del reductor (H₂O₂) acidulado con ácido sulfúrico, hasta que todo el agua oxigenada ha reaccionado. El montaje es el mismo que en una valoración ácido-base; la diferencia es que el propio permanganato avisa del final con su color. Para la ecuación, el método del ion-electrón en medio ácido: el Mn pasa de +7 a +2 y el oxígeno del H₂O₂ de −1 a 0.
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Desarrollo

a) Material.
  • Bureta de 25 o 50 mL, con su soporte y pinza (nuez) para sujetarla.
  • Matraz Erlenmeyer de 250 mL, donde va el agua oxigenada.
  • Pipeta aforada (por ejemplo, de 5 o 10 mL) con aspirapipetas o pera, para medir el volumen de agua oxigenada.
  • Probeta para el ácido sulfúrico y para diluir con agua destilada.
  • Embudo pequeño para llenar la bureta, vaso de precipitados y frasco lavador con agua destilada.
  • Reactivos: disolución de KMnO₄ de concentración conocida, agua oxigenada comercial y H₂SO₄ diluido (por ejemplo, 1 M).
b) Procedimiento.
  1. Preparar la bureta. Se lava, se enjuaga con un poco de la disolución de KMnO₄ (para no diluirla con restos de agua) y se llena con ella, enrasando a cero y comprobando que no quedan burbujas bajo la llave.
  2. Preparar la muestra. Con la pipeta y la pera se miden exactamente unos mililitros de agua oxigenada (si es muy concentrada, se diluye antes) y se vierten en el Erlenmeyer. Se añade un exceso de ácido sulfúrico diluido con la probeta y algo de agua destilada, y se agita.
  3. Valorar. Se deja caer el permanganato poco a poco, agitando el Erlenmeyer sin parar. Cada gota violeta se decolora al reaccionar con el H₂O₂ (se ve desprender O₂). Cerca del final se añade gota a gota.
  4. Punto final. La valoración termina cuando una gota deja en toda la disolución un color rosa-violeta persistente (unos 30 s): ya no queda H₂O₂ que reduzca el permanganato.
  5. Leer el volumen gastado en la bureta, con el menisco a la altura de los ojos, y repetir la valoración para dar un valor medio.
Dibujo. Se dibuja un soporte vertical con una pinza que sujeta la bureta (llena de disolución violeta de KMnO₄, rotulada) con su llave abajo; justo debajo de la punta de la bureta, el Erlenmeyer con la disolución incolora de H₂O₂ y H₂SO₄ (rotulada), apoyado sobre la base del soporte (a ser posible sobre un papel blanco para ver bien el viraje). Una flecha puede indicar el giro del matraz al agitarlo.

Cálculo posterior (no se pide, pero es el objetivo): con el volumen gastado y la estequiometría del apartado d), n(H2O2)=52 n(MnO4−)n(\text{H}_2\text{O}_2) = \tfrac{5}{2}\,n(\text{MnO}_4^-).

c) Sin indicador. El ion permanganato MnO4−\text{MnO}_4^- es de un color violeta intenso, mientras que el Mn2+\text{Mn}^{2+} en que se convierte es prácticamente incoloro (rosa muy pálido en disolución diluida). Mientras quede H₂O₂, cada gota de permanganato se reduce y desaparece su color; en cuanto se pasa del punto de equivalencia, la primera gota en exceso ya no reacciona y tiñe la disolución. El propio reactivo valorante actúa como autoindicador.

d) Números de oxidación. Mn: +7 en MnO4−\text{MnO}_4^- → +2 en Mn2+\text{Mn}^{2+} (se reduce). O: −1 en H2O2\text{H}_2\text{O}_2 → 0 en O2\text{O}_2 (se oxida).

Semirreacciones (medio ácido):Oxidacioˊn:H2O2⟶O2+2 H++2 e−\text{Oxidación:}\quad \text{H}_2\text{O}_2 \longrightarrow \text{O}_2 + 2\,\text{H}^+ + 2\,e^-Reduccioˊn:MnO4−+8 H++5 e−⟶Mn2++4 H2O\text{Reducción:}\quad \text{MnO}_4^- + 8\,\text{H}^+ + 5\,e^- \longrightarrow \text{Mn}^{2+} + 4\,\text{H}_2\text{O}Igualar electrones. La oxidación por 5 y la reducción por 2 (10 electrones):5 H2O2+2 MnO4−+16 H+⟶5 O2+10 H++2 Mn2++8 H2O5\,\text{H}_2\text{O}_2 + 2\,\text{MnO}_4^- + 16\,\text{H}^+ \longrightarrow 5\,\text{O}_2 + 10\,\text{H}^+ + 2\,\text{Mn}^{2+} + 8\,\text{H}_2\text{O}Ecuación iónica (simplificando los H⁺):5 H2O2+2 MnO4−+6 H+⟶5 O2+2 Mn2++8 H2O5\,\text{H}_2\text{O}_2 + 2\,\text{MnO}_4^- + 6\,\text{H}^+ \longrightarrow 5\,\text{O}_2 + 2\,\text{Mn}^{2+} + 8\,\text{H}_2\text{O}Ecuación molecular. Los 2 MnO₄⁻ vienen de 2 KMnO₄ y los 6 H⁺ de 3 H₂SO₄; los sulfatos acaban en 2 MnSO₄ y 1 K₂SO₄:2 KMnO4+5 H2O2+3 H2SO4⟶K2SO4+2 MnSO4+5 O2+8 H2O2\,\text{KMnO}_4 + 5\,\text{H}_2\text{O}_2 + 3\,\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{K}_2\text{SO}_4 + 2\,\text{MnSO}_4 + 5\,\text{O}_2 + 8\,\text{H}_2\text{O}Comprobación. K: 2 = 2. Mn: 2 = 2. S: 3 = 1 + 2. H: 10 + 6 = 16 = 16. O: 8 + 10 + 12 = 30 = 4 + 8 + 10 + 8.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

En las preguntas de laboratorio puntúa nombrar bien el material (bureta, Erlenmeyer, pipeta aforada, no «un tubo» o «un vaso») y explicar el punto final con lo que se ve. En el dibujo rotula cada pieza y qué disolución lleva. Y comprueba el ajuste contando también los oxígenos: con el H₂O₂ es fácil equivocarse.
Paso 1 de 3
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