QuímicaMedioProblema · 2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Andalucía · 2023 · Julio

Enunciado

Bloque C · C4. El carbono reacciona con ácido nítrico concentrado produciéndose dióxido de carbono, dióxido de nitrógeno y agua:

\text{C} + \text{HNO}_3 \longrightarrow \text{CO}_2 + \text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O}

a) Ajuste las ecuaciones iónica y molecular por el método del ion-electrón.

b) Calcule el volumen de

\text{CO}_2

, medido a

25\ ^\circ

C y

1

atm de presión, que se desprenderá cuando reaccione

1

kg de un carbón mineral con una riqueza en C del

60\ \%

con exceso de

\text{HNO}_3

.

Datos:

R = 0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}

; masa atómica

\text{C} = 12

Comprobar el resultadocompara con lo que te ha salido

Resultado

\boxed{\;\textbf{a) iónica: } \text{C} + 4\,\text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ \to \text{CO}_2 + 4\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\;}

\boxed{\;\text{molecular: } \text{C} + 4\,\text{HNO}_3 \to \text{CO}_2 + 4\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\;}

\boxed{\;\textbf{b) } n(\text{CO}_2) = 50 \text{ mol} \;\Rightarrow\; V = 1\,222 \text{ L}\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Empieza por los estados de oxidación, que aquí son especialmente claros:

\overset{0}{\text{C}} \longrightarrow \overset{+4}{\text{C}}\text{O}_2 \quad (\text{pierde } 4e^-, \text{ se oxida}) \qquad \text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3 \longrightarrow \overset{+4}{\text{N}}\text{O}_2 \quad (\text{gana } 1e^-, \text{ se reduce})

El carbono elemental es el reductor (se oxida de

0

+4

) y el ácido nítrico el oxidante (el nitrógeno se reduce de

+5

+4

).

En b), "exceso de

\text{HNO}_3

" significa que el reactivo limitante es el carbono, así que todo el cálculo cuelga de él. Y no olvides aplicar la riqueza del

60\ \%

Desarrollo

a) Ajuste por el método del ion-electrón.

Semirreacción de oxidación. El carbono necesita dos oxígenos, que aporta el agua, y libera los protones correspondientes:

\text{C} + 2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4e^-

Semirreacción de reducción:

\text{NO}_3^- + 2\,\text{H}^+ + 1e^- \longrightarrow \text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O}

Igualamos electrones multiplicando la reducción por 4:

\text{C} + 2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4e^-

4\,\text{NO}_3^- + 8\,\text{H}^+ + 4e^- \longrightarrow 4\,\text{NO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}

\rule{10cm}{0.4pt}

Sumamos y simplificamos (

8 - 4 = 4

protones a la izquierda;

4 - 2 = 2

aguas a la derecha):

\boxed{\text{C} + 4\,\text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ \longrightarrow \text{CO}_2 + 4\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}}

Ecuación molecular. Los

4\,\text{H}^+

y los

4\,\text{NO}_3^-

proceden de

4\,\text{HNO}_3

\text{C} + 4\,\text{HNO}_3 \longrightarrow \text{CO}_2 + 4\,\text{NO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}

Comprobación:

\text{C}

(

1 = 1

\text{N}

(

4 = 4

\text{H}

(

4 = 4

\text{O}

(

12 = 2 + 8 + 2 = 12

). ✓

b) Volumen de $\text{CO}_2$ desprendido.

Masa de carbono puro en el kilo de carbón mineral:

m(\text{C}) = 1000 \text{ g} \cdot 0{,}60 = 600 \text{ g}

Moles de carbono:

n(\text{C}) = \frac{600}{12} = 50 \text{ mol}

Moles de $\text{CO}_2$ . La relación estequiométrica es

1\!:\!1

n(\text{CO}_2) = 50 \text{ mol}

Volumen, con la ecuación de los gases ideales a

T = 25 + 273 = 298

K y

p = 1

atm:

V = \frac{n\,R\,T}{p} = \frac{50 \cdot 0{,}082 \cdot 298}{1}

\boxed{V(\text{CO}_2) = 1\,222 \text{ L} \approx 1{,}22\cdot 10^{3} \text{ L}}

Más de un metro cúbico de gas por cada kilo de carbón: un buen recordatorio de por qué la combustión y la oxidación del carbón mineral pesan tanto en el balance de

\text{CO}_2

atmosférico.

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

Consejo

En la semirreacción de oxidación del carbono, el paso que más cuesta es darse cuenta de que los oxígenos del $\text{CO}_2$ vienen del agua, no del ácido. El método del ion-electrón lo resuelve mecánicamente: ajusta primero el átomo que cambia, luego los oxígenos con $\text{H}_2\text{O}$ , después los hidrógenos con $\text{H}^+$ y por último la carga con electrones. Si sigues ese orden, no hay margen para dudar.

Un detalle que distingue este proceso de otros con nítrico: el producto de reducción depende de la concentración. El $\text{HNO}_3$ concentrado da $\text{NO}_2$ (como aquí, $+5 \to +4$ , un electrón) y el diluido da $\text{NO}$ ( $+5 \to +2$ , tres electrones). Léelo siempre en el enunciado: cambia por completo los coeficientes.