QuímicaMedioProblema · 2 pts

Ajuste redox y estequiometríaSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2023 · Junio

Comunitat Valenciana · 2023 · Junio
Enunciado
El dióxido de cloro, ClO2\text{ClO}_2 es un desinfectante y decolorante que puede obtenerse haciendo reaccionar clorato de sodio, NaClO3\text{NaClO}_3, con peróxido de hidrógeno, H2O2\text{H}_2\text{O}_2, en medio ácido, de acuerdo con la siguiente ecuación química no ajustada:NaClO3(ac)+H2O2(ac)+H2SO4(ac)⟶ClO2(g)+O2(g)+H2O(l)+Na2SO4(ac)\text{NaClO}_3\text{(ac)} + \text{H}_2\text{O}_2\text{(ac)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(ac)} \longrightarrow \text{ClO}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} + \text{Na}_2\text{SO}_4\text{(ac)}a) Escriba la semirreacción de oxidación y la de reducción, así como la ecuación química global ajustada tanto en su forma iónica como molecular. (1 punto)

b) Calcule el volumen de ClO2\text{ClO}_2 obtenido (medido a 20 ∘C20\ ^\circ\text{C} y 790 mmHg), cuando se mezcla la disolución A (250 mL de una disolución 0,08 M de H2O2\text{H}_2\text{O}_2 en exceso de H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4) con la disolución B (200 mL de una disolución 0,15 M de NaClO3\text{NaClO}_3 en exceso de H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4). (1 punto)

Datos: 1 atm = 760 mmHg. R=0,082 atm⋅L⋅K−1⋅mol−1R = 0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\text{}\cdot\text{mol}^{-1}.
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Resultado
a) Reducción: ClO3−+2H++e−→ClO2+H2O\text{ClO}_3^- + 2\text{H}^+ + e^- \to \text{ClO}_2 + \text{H}_2\text{O}. Oxidación: H2O2→O2+2H++2e−\text{H}_2\text{O}_2 \to \text{O}_2 + 2\text{H}^+ + 2e^-. Molecular: 2NaClO3+H2O2+H2SO4→2ClO2+O2+2H2O+Na2SO42\text{NaClO}_3 + \text{H}_2\text{O}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \to 2\text{ClO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{Na}_2\text{SO}_4.

b) El limitante es el NaClO3\text{NaClO}_3; se obtienen 0,030 mol de ClO2\text{ClO}_2, que ocupan 0,693 L (693 mL).
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Primero, los números de oxidación: el cloro pasa de +5 en el clorato a +4 en el ClO2\text{ClO}_2 (se reduce) y el oxígeno del agua oxigenada pasa de −1 a 0 en el O2\text{O}_2 (se oxida). Las semirreacciones se ajustan en medio ácido con H2O\text{H}_2\text{O} y H+\text{H}^+ y se igualan los electrones.

En b) se mezclan cantidades conocidas de los dos reactivos, así que hay que buscar el reactivo limitante con la estequiometría de la ecuación ajustada. Los moles de ClO2\text{ClO}_2 salen del limitante, y el volumen, de la ecuación de los gases con la presión en atmósferas.
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Desarrollo

a) Números de oxidación. En ClO3−\text{ClO}_3^- el Cl tiene +5 y en ClO2\text{ClO}_2, +4: el clorato es el oxidante. En H2O2\text{H}_2\text{O}_2 el O tiene −1 y en O2\text{O}_2, 0: el agua oxigenada es el reductor.

Semirreacción de reducción. Se ajusta el oxígeno con agua y el hidrógeno con H+\text{H}^+:ClO3−+2 H++1 e−⟶ClO2+H2O\text{ClO}_3^- + 2\,\text{H}^+ + 1\,e^- \longrightarrow \text{ClO}_2 + \text{H}_2\text{O}Semirreacción de oxidación.H2O2⟶O2+2 H++2 e−\text{H}_2\text{O}_2 \longrightarrow \text{O}_2 + 2\,\text{H}^+ + 2\,e^-Ecuación iónica global. Se multiplica la reducción por 2 para igualar los electrones y se suman; los H+\text{H}^+ se simplifican (4−2=24 - 2 = 2 a la izquierda):2 ClO3−+H2O2+2 H+⟶2 ClO2+O2+2 H2O2\,\text{ClO}_3^- + \text{H}_2\text{O}_2 + 2\,\text{H}^+ \longrightarrow 2\,\text{ClO}_2 + \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}Ecuación molecular. Los 2 ClO3−\text{ClO}_3^- vienen de 2 NaClO3\text{NaClO}_3 y los 2 H+\text{H}^+ de 1 H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4; los iones espectadores (2 Na+2\,\text{Na}^+ y SO42−\text{SO}_4^{2-}) forman el Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4:2 NaClO3+H2O2+H2SO4⟶2 ClO2+O2+2 H2O+Na2SO42\,\text{NaClO}_3 + \text{H}_2\text{O}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow 2\,\text{ClO}_2 + \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{Na}_2\text{SO}_4Comprobación del oxígeno: 6+2+4=126 + 2 + 4 = 12 a la izquierda y 4+2+2+4=124 + 2 + 2 + 4 = 12 a la derecha.

b) Moles de cada reactivo.n(H2O2)=0,250 L⋅0,08 mol/L=0,020 moln(NaClO3)=0,200 L⋅0,15 mol/L=0,030 moln(\text{H}_2\text{O}_2) = 0{,}250\ \text{L}\cdot 0{,}08\ \text{mol/L} = 0{,}020\ \text{mol} \qquad n(\text{NaClO}_3) = 0{,}200\ \text{L}\cdot 0{,}15\ \text{mol/L} = 0{,}030\ \text{mol}Reactivo limitante. Según la ecuación, 2 mol de NaClO3\text{NaClO}_3 reaccionan con 1 mol de H2O2\text{H}_2\text{O}_2. Los 0,030 mol de clorato necesitan 0,030/2=0,0150{,}030/2 = 0{,}015 mol de H2O2\text{H}_2\text{O}_2, y hay 0,020 mol: sobra agua oxigenada. El limitante es el NaClO3\text{NaClO}_3 (el ácido está en exceso).

Moles de ClO₂. La relación es 2 : 2:n(ClO2)=n(NaClO3)=0,030 moln(\text{ClO}_2) = n(\text{NaClO}_3) = 0{,}030\ \text{mol}Volumen del gas. Con T=20+273=293T = 20 + 273 = 293 K y P=790/760=1,039P = 790/760 = 1{,}039 atm:V=nRTP=0,030 mol⋅0,082 atm⋅L⋅K−1⋅mol−1⋅293 K1,039 atm=0,693 LV = \frac{nRT}{P} = \frac{0{,}030\ \text{mol}\cdot 0{,}082\ \text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{K}^{-1}\text{}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot 293\ \text{K}}{1{,}039\ \text{atm}} = 0{,}693\ \text{L}
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Consejo

Cuando el enunciado da las cantidades de dos reactivos, busca siempre el limitante antes de calcular el producto. Aquí hay menos moles de H2O2\text{H}_2\text{O}_2 (0,020) que de clorato (0,030), pero el limitante es el clorato, porque se gasta el doble: compara con los coeficientes, no los moles a secas.

Pasa la presión a atmósferas (790 mmHg = 1,039 atm) y la temperatura a kelvin antes de usar PV=nRTPV = nRT.
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