Problema resuelto de Química: Ajuste redox y estequiometríaSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2025 · Julio (especial)

a) Semirreacciones

• Oxidación (el cloruro pierde electrones): $2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\,e^-$
• Reducción (en medio ácido, el agua oxigenada gana electrones): $\text{H}_2\text{O}_2 + 2\,\text{H}^+ + 2\,e^- \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$

Ecuación iónica. Las dos intercambian 2 electrones, así que se suman tal cual:$$\text{H}_2\text{O}_2 + 2\,\text{H}^+ + 2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$$Ecuación molecular. Los $\text{H}^+$ y los $\text{Cl}^-$ vienen juntos del ácido clorhídrico:$$\text{H}_2\text{O}_2(ac) + 2\,\text{HCl}(ac) \longrightarrow \text{Cl}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l)$$Comprobación: 4 H, 2 O y 2 Cl a cada lado.

b) Números de oxidaciónHay un elemento que se oxida y otro que se reduce, con transferencia de electrones del cloro al oxígeno: es una reacción rédox.

Oxidante y reductor. El oxidante es la especie que se reduce y provoca la oxidación de la otra: el peróxido de hidrógeno, $\text{H}_2\text{O}_2$. El reductor es la que se oxida: el ácido clorhídrico (en concreto, el ion cloruro, $\text{Cl}^-$).

c1) Ácido que ha reaccionado

El $\text{HCl}$ es un ácido fuerte, totalmente disociado, así que $[\text{HCl}] = [\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}$:$$\text{pH} = 1{,}0 \;\Rightarrow\; [\text{HCl}]_0 = 0{,}10\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1} \qquad \text{pH} = 2{,}0 \;\Rightarrow\; [\text{HCl}]_f = 0{,}010\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$$La concentración de ácido ha bajado en $0{,}10 - 0{,}010 = 0{,}090\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. En los 2 L de disolución (el volumen no cambia), han reaccionado:$$n(\text{HCl})_{\text{reacc}} = 0{,}090\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot 2\ \text{L} = 0{,}18\ \text{mol}$$Peróxido de hidrógeno. Según la ecuación ajustada, 1 mol de $\text{H}_2\text{O}_2$ reacciona con 2 mol de $\text{HCl}$:$$n(\text{H}_2\text{O}_2) = \frac{0{,}18\ \text{mol HCl}}{2} = 0{,}090\ \text{mol}$$c2) Espontaneidad con el ácido clorhídrico

En la reacción de a) se reduce el $\text{H}_2\text{O}_2$ (hace de cátodo) y se oxida el $\text{Cl}^-$ (hace de ánodo):$$E^\circ = E^\circ_{\text{red}}(\text{H}_2\text{O}_2|\text{H}_2\text{O}) - E^\circ_{\text{red}}(\text{Cl}_2|\text{Cl}^-) = 1{,}76 - 1{,}36 = +0{,}40\ \text{V}$$El potencial es positivo, así que $\Delta G^\circ = -n\,F\,E^\circ$ es negativo:$$\Delta G^\circ = -2\cdot 96485\ \text{C}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot 0{,}40\ \text{V} = -7{,}7\cdot 10^{4}\ \text{J} = -77\ \text{kJ}$$y la reacción es espontánea en condiciones estándar: el $\text{H}_2\text{O}_2$ tiene más tendencia a reducirse que el $\text{Cl}_2$, así que es capaz de oxidar al $\text{Cl}^-$.

Reacción análoga con el ácido fluorhídrico. Sería la oxidación del fluoruro a flúor:$$\text{H}_2\text{O}_2(ac) + 2\,\text{HF}(ac) \longrightarrow \text{F}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l)$$$$E^\circ = E^\circ_{\text{red}}(\text{H}_2\text{O}_2|\text{H}_2\text{O}) - E^\circ_{\text{red}}(\text{F}_2|\text{F}^-) = 1{,}76 - 3{,}05 = -1{,}29\ \text{V}$$El potencial es negativo ($\Delta G^\circ > 0$): la reacción no es espontánea y no tiene lugar. El $\text{F}_2$ es un oxidante mucho más fuerte que el $\text{H}_2\text{O}_2$ (su potencial es el más alto), así que el agua oxigenada no puede arrancarle electrones al $\text{F}^-$; lo espontáneo sería justo lo contrario.