QuímicaDifícilProblema · 2 pts

Ajuste redox y estequiometría

Andalucía · 2024 · Reserva 4

Enunciado

Bloque C · C4. El estaño reacciona con ácido nítrico y se forma dióxido de estaño, monóxido de nitrógeno y agua:

\text{Sn} + \text{HNO}_3 \longrightarrow \text{SnO}_2 + \text{NO} + \text{H}_2\text{O}

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

b) Se dispone de una aleación de estaño empleada para soldar componentes electrónicos. Para determinar su pureza se hacen reaccionar

50\ \text{g}

con ácido nítrico en exceso. Calcule el porcentaje de

\text{Sn}

en la aleación si en el proceso se obtienen

6{,}75\ \text{L}

\text{NO}

785\ \text{mmHg}

28\ ^\circ\text{C}

.

Datos: Masa atómica relativa:

\text{Sn} = 118{,}7

;

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

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) Iónica: } 3\text{Sn} + 4\text{NO}_3^- + 4\text{H}^+ \rightarrow 3\text{SnO}_2 + 4\text{NO} + 2\text{H}_2\text{O}\;}

\boxed{\;\textbf{Molecular: } 3\,\text{Sn} + 4\,\text{HNO}_3 \rightarrow 3\,\text{SnO}_2 + 4\,\text{NO} + 2\,\text{H}_2\text{O}\;}

\boxed{\;\textbf{b) } m(\text{Sn}) = 25{,}1\ \text{g} \;\Longrightarrow\; 50{,}3\ \%\ \text{de estaño}\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Es una reacción con ácido nítrico, así que quien se reduce es el nitrógeno (

+5 \rightarrow +2

), no el hidrógeno.

La particularidad de esta reacción es que el estaño no pasa a ion en disolución, sino a óxido sólido. Eso obliga a ajustar la semirreacción de oxidación con agua para aportar el oxígeno:

\text{Sn} + 2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{SnO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4e^-

En b), el volumen de

\text{NO}

da los moles de gas, y de ahí, por estequiometría, los moles de estaño que había en la aleación. Al final se compara con los 50 g totales para obtener la pureza.

Desarrollo

a) Ajuste por el método del ion-electrón.

Números de oxidación:

\text{Sn}: 0 \longrightarrow +4\ (\text{en SnO}_2) \qquad \textbf{se oxida (4 } e^-)

\text{N}: +5\ (\text{en HNO}_3) \longrightarrow +2\ (\text{en NO}) \qquad \textbf{se reduce (3 } e^-)

Semirreacciones en medio ácido:

\text{Oxidación:}\quad \text{Sn} + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{SnO}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \qquad (\times 3)

\text{Reducción:}\quad \text{NO}_3^- + 4\text{H}^+ + 3e^- \longrightarrow \text{NO} + 2\text{H}_2\text{O} \qquad (\times 4)

Igualando a 12 electrones y sumando:

3\,\text{Sn} + 6\,\text{H}_2\text{O} + 4\,\text{NO}_3^- + 16\,\text{H}^+ \longrightarrow 3\,\text{SnO}_2 + 12\,\text{H}^+ + 4\,\text{NO} + 8\,\text{H}_2\text{O}

Simplificando lo que se repite a los dos lados (

12\ \text{H}^+

6\ \text{H}_2\text{O}

), la ecuación iónica queda:

3\,\text{Sn} + 4\,\text{NO}_3^- + 4\,\text{H}^+ \longrightarrow 3\,\text{SnO}_2 + 4\,\text{NO} + 2\,\text{H}_2\text{O}

Comprobación de cargas: izquierda

-4 + 4 = 0

; derecha

0

✓.

Y la molecular, con los 4

\text{H}^+

y los 4

\text{NO}_3^-

procediendo de 4

\text{HNO}_3

\boxed{\;3\,\text{Sn} + 4\,\text{HNO}_3 \longrightarrow 3\,\text{SnO}_2 + 4\,\text{NO} + 2\,\text{H}_2\text{O}\;}

Comprobación del oxígeno: izquierda

12

; derecha

6 + 4 + 2 = 12

✓.

b) Porcentaje de estaño en la aleación.

Moles de $\text{NO}$ obtenidos, con

P = 785/760 = 1{,}033\ \text{atm}

T = 28 + 273 = 301\ \text{K}

n_{\text{NO}} = \frac{P\,V}{R\,T} = \frac{1{,}033\cdot 6{,}75}{0{,}082\cdot 301} = \frac{6{,}97}{24{,}68} = 0{,}282\ \text{mol}

Moles de estaño, con la relación

3\ \text{Sn} : 4\ \text{NO}

n_{\text{Sn}} = \frac{3}{4}\cdot 0{,}282 = 0{,}212\ \text{mol}

Masa de estaño y pureza:

m_{\text{Sn}} = 0{,}212\cdot 118{,}7 = 25{,}1\ \text{g}

\% \text{Sn} = \frac{25{,}1}{50}\cdot 100 = \mathbf{50{,}3\ \%}

Un resultado muy razonable: las aleaciones de soldadura tradicionales son estaño-plomo en proporciones cercanas al 50 : 50.

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

Consejo

La semirreacción de oxidación es la parte fina del ajuste: como el producto es un óxido sólido, hay que aportar los oxígenos con agua y liberar $\text{H}^+$ . Escribir $\text{Sn} \rightarrow \text{Sn}^{4+} + 4e^-$ no encaja con el $\text{SnO}_2$ del enunciado.

En b) hay dos conversiones obligatorias: mmHg a atm (dividir entre 760) y grados a kelvin. Cualquiera de las dos, olvidada, desvía el resultado lo suficiente para perder el apartado.

Y no olvides el último paso: el enunciado pide un porcentaje, no una masa. Dividir entre los 50 g de aleación y multiplicar por 100 es lo que cierra el problema.