QuímicaMedioProblema · 2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Comunidad de Madrid · 2022 · Junio

Enunciado

El clorato de potasio, en medio ácido, reacciona con aluminio formándose tricloruro de aluminio, cloro molecular, cloruro de potasio y agua.

a) (0,5 puntos) Formule y ajuste las semirreacciones de oxidación y reducción que tienen lugar.

b) (0,75 puntos) Ajuste las reacciones iónica y molecular por el método del ion-electrón.

c) (0,75 puntos) Calcule el volumen de una disolución de clorato de potasio de concentración

1{,}67\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}

que se necesita para oxidar

0{,}54\ \text{g}

de aluminio.

Datos: Masas atómicas (u): O = 16,0; Al = 27,0; Cl = 35,5; K = 39,1.

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Resultado

a) Red.: $2\,\text{ClO}_3^- + 12\,\text{H}^+ + 10\,e^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$ ; ox.: $\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3\,e^-$
b) $6\,\text{KClO}_3 + 36\,\text{HCl} + 10\,\text{Al} \rightarrow 3\,\text{Cl}_2 + 10\,\text{AlCl}_3 + 6\,\text{KCl} + 18\,\text{H}_2\text{O}$
c) $V = 0{,}88\ \text{L}$

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Primero se formulan las sustancias y se buscan los elementos que cambian de número de oxidación: el cloro del clorato (

+5

) pasa a cloro molecular (

0

) y el aluminio (

0

) pasa a

\text{Al}^{3+}

(

+3

). Las semirreacciones se ajustan en medio ácido (O con

\text{H}_2\text{O}

, H con

\text{H}^+

, carga con electrones) y se igualan los electrones. Como los productos son cloruros, el ácido que aporta el medio es el HCl. Con la ecuación ajustada, el apartado c) es estequiometría: moles de Al → moles de

\text{KClO}_3

→ gramos → litros.

Desarrollo

Reactivos y productos.

\text{KClO}_3 + \text{Al} + \text{HCl} \longrightarrow \text{AlCl}_3 + \text{Cl}_2 + \text{KCl} + \text{H}_2\text{O}

Números de oxidación que cambian:

Cloro del clorato, $\text{ClO}_3^-$ : $+5 \;\rightarrow\; 0$ en $\text{Cl}_2$ . Se reduce: el $\text{ClO}_3^-$ es el oxidante.
Aluminio: $0 \;\rightarrow\; +3$ en $\text{Al}^{3+}$ . Se oxida: el Al es el reductor.

(El cloro del HCl, del

\text{AlCl}_3

y del KCl sigue en

-1

: no interviene en el intercambio de electrones.)

a) Semirreacciones.

Reducción. Partimos de

\text{ClO}_3^- \rightarrow \text{Cl}_2

Ajustamos el cloro: $2\,\text{ClO}_3^- \rightarrow \text{Cl}_2$ .
Ajustamos el oxígeno con agua (6 O a la izquierda): $2\,\text{ClO}_3^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$ .
Ajustamos el hidrógeno con $\text{H}^+$ : $2\,\text{ClO}_3^- + 12\,\text{H}^+ \rightarrow \text{Cl}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}$ .
Ajustamos la carga: izquierda $-2 + 12 = +10$ , derecha $0$ ; faltan 10 electrones a la izquierda (cada Cl gana 5).

2\,\text{ClO}_3^- + 12\,\text{H}^+ + 10\,e^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}

Oxidación.

\text{Al} \longrightarrow \text{Al}^{3+} + 3\,e^-

b) Ecuaciones iónica y molecular.

Para que los electrones cedidos igualen a los ganados, multiplicamos por el mínimo común múltiplo de 10 y 3, que es 30:

3 \times (2\,\text{ClO}_3^- + 12\,\text{H}^+ + 10\,e^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O})

10 \times (\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3\,e^-)

Sumando, los 30 electrones se cancelan:

6\,\text{ClO}_3^- + 36\,\text{H}^+ + 10\,\text{Al} \longrightarrow 3\,\text{Cl}_2 + 10\,\text{Al}^{3+} + 18\,\text{H}_2\text{O}

Comprobación de cargas:

-6 + 36 = +30

a la izquierda y

10 \cdot (+3) = +30

a la derecha.

Ecuación molecular. Los

\text{ClO}_3^-

vienen del

\text{KClO}_3

y los

\text{H}^+

del HCl. Los iones espectadores (

\text{K}^+

\text{Cl}^-

) forman el KCl y el

\text{AlCl}_3

: 6

\text{K}^+

dan 6 KCl, y los 10

\text{Al}^{3+}

necesitan 30

\text{Cl}^-

para formar 10

\text{AlCl}_3

. Con 36 HCl hay

30 + 6 = 36

cloruros, justo los necesarios:

6\,\text{KClO}_3 + 36\,\text{HCl} + 10\,\text{Al} \longrightarrow 3\,\text{Cl}_2 + 10\,\text{AlCl}_3 + 6\,\text{KCl} + 18\,\text{H}_2\text{O}

Comprobación: K,

6 = 6

; Cl,

6 + 36 = 42

6 + 30 + 6 = 42

; H,

36 = 36

; O,

18 = 18

; Al,

10 = 10

.

c) Volumen de disolución de clorato de potasio.

Moles de aluminio:

n(\text{Al}) = \frac{0{,}54\ \text{g}}{27{,}0\ \text{g/mol}} = 0{,}020\ \text{mol}

Por la estequiometría, 10 mol de Al reaccionan con 6 mol de

\text{KClO}_3

n(\text{KClO}_3) = 0{,}020\ \text{mol Al} \cdot \frac{6\ \text{mol KClO}_3}{10\ \text{mol Al}} = 0{,}012\ \text{mol}

Masa molar del clorato de potasio:

M(\text{KClO}_3) = 39{,}1 + 35{,}5 + 3 \cdot 16{,}0 = 122{,}6\ \text{g/mol}

, luego

m(\text{KClO}_3) = 0{,}012\ \text{mol} \cdot 122{,}6\ \text{g/mol} = 1{,}47\ \text{g}

La concentración está en gramos por litro, así que

V = \frac{m}{c} = \frac{1{,}47\ \text{g}}{1{,}67\ \text{g/L}} = 0{,}88\ \text{L}

Consejo

En la semirreacción del clorato, ajusta primero el cloro ( $2\,\text{ClO}_3^-$ para un $\text{Cl}_2$ ) y después el oxígeno: si empiezas por el oxígeno con un solo clorato, los electrones salen mal.

En c) usa la ecuación ajustada (6 de clorato por cada 10 de aluminio) y fíjate en las unidades de la concentración: está en g/L, no en mol/L, así que divide la masa entre ella.