6.2.- Reacciones de oxidación reducción

Transcripción

1 350 Reacciones de transferencia de electrones Reacciones de oxidación reducción Aspectos teóricos: Valoraciones redox Valoraciones redox. Equivalentes de oxidación-reducción Las reacciones de valoración redox tienen una gran importancia en la Química pues en ellas la concentración de una especie oxidante o reductora en disolución se puede calcular usando otra especie reductora u oxidante de concentración conocida. El ejercicio anterior (problema 11) plantea una reacción tipo de valoración redox. La relación estequiométrica, en la propia reacción de valoración redox debidamente ajustada, permite establecer las relaciones entre el número de moles de la especie que se oxida y el número de moles de la especie que se reduce. Así, por ejemplo, en el problema 11, la reacción de valoración redox ajustada es: 5 C 2 O MnO H + 10 CO Mn H 2 O De esta ecuación se deduce que por cada 5 moles de C 2 O 4 2-, reaccionan 2 moles de MnO 4 -. Al igual que ocurre en las reacciones de valoración ácido-base, cuando la reacción es completa se alcanza el punto de equivalencia, cumpliéndose entonces la siguiente igualdad: número de equivalentes de agente oxidante = número de equivalentes de agente reductor Expresión que garantiza el cumplimiento de la relación estequiométrica entre el agente oxidante y el agente reductor, en la reacción redox ajustada que sirve de base a la valoración redox. El cálculo del equivalente de un agente oxidante o reductor, implica el conocimiento previo de la semirreacción redox en la que interviene, dado que se define el equivalente químico de un proceso redox como la masa de una sustancia expresada en gramos capaz de aceptar o ceder un mol de electrones. Así pues, el cálculo del equivalente químico de un agente oxidante o reductor, se limita a dividir la masa del mol de la sustancia considerada entre el número de electrones que capta o cede en la correspondiente semirreacción redox ajustada. Se define la normalidad redox (N) como el número de equivalentes de soluto por litro de disolución. De esta manera, la igualdad entre el número de equivalentes de oxidante y reductor en una valoración redox, se puede expresar mediante la expresión siguiente: V ox N ox = V red N red

2 Iniciación a la Química 351 RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS Problema 12 a) Calcule la masa equivalente del K 2 CrO 4 cuando la especie CrO 4 2- se reduce a Cr 3+ en medio ácido ( consulte el problema nº 9). b) Calcule la concentración de la disolución de KMnO 4 del problema nº 11, haciendo uso del concepto de equivalente químico. Datos: Masas moleculares: K 2 CrO 4 = 294 ; KMnO 4 = 158 ; Na 2 C 2 O 4 = 134 Solución a) La semirreacción de reducción ajustada es: CrO H + + 3e - Cr H 2 O Así pues, 1 mol de cromato capta 3 moles de electrones, por tanto: Masa equivalente K 2 CrO 4 = Masa molecular (K 2 CrO 4 ) /moles de electrones = 294/3 = 98 gequiv -1. b) Para resolver este problema haciendo uso del concepto de equivalente químico, emplearemos la expresión: V ox N ox = V red N red Las semirreacciones redox ajustadas a la que se refiere el problema nº 11, son: 2- C 2 O 4 2 CO 2 + 2e - (oxidación) MnO H + + 5e - Mn H 2 O (reducción) El agente oxidante es el MnO 4 -. El V ox = ml El agente reductor es el C 2 O El V red = ml Calculemos las masas equivalentes del agente oxidante y reductor: M eq (KMnO4) = M m (KMnO 4 )/5 = 158/5 = 31 6 g M eq (Na 2 C 2 O 4 ) = M m (Na 2 C 2 O 4 )/2 = 134/2 = 67 g Como la disolución del agente reductor es 0 1M, su normalidad será: N red = 134 x 0 1/67 = 0 2

3 352 Reacciones de transferencia de electrones A partir de los datos anteriores se establece la igualdad: Despejando el valor de N ox = x N ox = x 0 2 Para calcular la concentración molar, c, del agente oxidante procedemos de la forma siguiente: N ox = 158 x c /31 6 = Despejando el valor de c se obtiene: c = M Como puede observarse el valor de la concentración molar del agente oxidante obtenido por este procedimiento, coincide con el obtenido según la resolución del problema nº11. Problema 13 En medio ácido, el ion permanganato se reduce a ion manganeso (II) y oxida al ion hierro (II) a ion hierro (III). a) Ajuste esta reacción por el método del ion-electrón. b) Calcule el volumen de una disolución 0 2 M de permanganato potásico que reacciona con 25 ml de una disolución 2 M de cloruro de hierro (II). Solución a) Primeramente establezcamos las semirreacciones redox, que nos permita identificar las especies que se oxidan y se reducen, por el análisis de las variaciones del número de oxidación. Para ello escribimos las semirreacciones de los reactivos y productos en su forma iónica y sin ajustar: MnO 4 - Mn 2+ Fe 2+ Fe 3+ En la reacción dada, la especie Fe 2+ altera su número de oxidación de +2 a +3 (en la especie Fe 3+ ). Este aumento del número de oxidación implica, como dice el enunciado, una oxidación del Fe 2+, según la siguiente semirreacción de oxidación: Fe 2+ Fe e - (pérdida de electrones; oxidación)

4 Iniciación a la Química 353 De otra parte, en esta reacción, el átomo de manganeso altera su número de oxidación de +7 (en el MnO 4 - ) a +2 (en el Mn 2+ ). Esta disminución del número de oxidación implica una reducción de la especie MnO 4 -, según la siguiente semirreacción de reducción: MnO H + + 5e - Mn H 2 O (captura de electrones; reducción) Combinando a continuación las semirreacciones de oxidación y de reducción del apartado anterior, se establece: Fe 2+ Fe e - MnO H + + 5e - Mn H 2 O Como el número de átomos de las especies implicadas en cada miembro de las semirreacciones está ajustado, así como las cargas, se procede ahora a multiplicar cada semirreacción por el número adecuado para igualar el número de electrones en las dos semirreacciones. En este caso, multiplicamos la semirreacción de oxidación por 5 y la de reducción por 1. Al sumarlas, eliminando los electrones de cada miembro, queda la ecuación iónica ajustada: MnO Fe H + Mn Fe H 2 O b) Para resolver este apartado, tendremos en cuenta las relaciones estequiométricas establecida en la ecuación anterior entre los reactivos implicados. Así, la ecuación establece la siguiente relación molar: ( MnO 4 - /Fe 2+ )=1/5 Calculemos los moles de Fe 2+ que han reaccionado en las condiciones del enunciado del problema. Así, como reaccionan 25 ml de una disolución 2 M de FeCl 2, el número de moles de Fe 2+ será: 25 x 10-3 x 2 = 50 x 10-3 moles de Fe 2+ A partir de ese resultado y de la relación estequiométrica entre los reactivos, se establece: (MnO 4 - /Fe 2+ )=1/5= n moles de MnO 4 - /50 x 10-3 moles de Fe 2+ Despejando n se obtiene: n = 10-2 moles de KMnO 4 Teniendo en cuenta que V x M = número de moles, se tiene: V x 0 2 = 10-2 de donde, V = 0 05 litros = 50 ml

5 354 Reacciones de transferencia de electrones Problema 14 Para conocer la riqueza de un mineral de hierro se toma una muestra de 2,5 gramos del mismo. Una vez disuelto el hierro en forma Fe 2+, se valora, en medio ácido sulfúrico, con una disolución de K 2 Cr 2 O 7 con lo que se consigue oxidar el Fe (II) a Fe (III), reduciéndose el dicromato a Cr (III). a) Ajuste la reacción iónica por el método del ion electrón. b) Si en la valoración se han gastado 32 ml de disolución 1 N de dicromato de potasio, determine el porcentaje en hierro que hay en la muestra. Dato. Masa atómica: Fe = 56. Solución a) Para establecer las semirreacciones redox, identificamos las especies que se oxidan y se reducen, por el análisis de las variaciones del número de oxidación. Para ello escribimos las semirreacciones de los reactivos y productos en su forma iónica y sin ajustar: Fe 2+ Fe 3+ Cr 2 O 7 2- Cr 3+ Ello nos permitirá identificar las especies que se oxidan y se reducen, por el análisis de las variaciones del número de oxidación. Así, en la reacción dada, la especie Fe 2+ altera su número de oxidación de +2 a +3 (en la especie Fe 3+ ). Este aumento del número de oxidación implica una oxidación del Fe 2+, según la siguiente semirreacción de oxidación: Fe 2+ Fe e - (pérdida de electrones; oxidación) De otra parte, en esta reacción, el átomo de cromo altera su número de oxidación de +6 (en el Cr 2 O 7 2- ) a +3 (en el Cr 3+ ). Esta disminución del número de oxidación implica una reducción de la especie Cr 2 O 7 2-, según la siguiente semirreacción de reducción: Cr 2 O H + + 6e - 2 Cr H 2 O (captura de electrones; reducción) Combinando a continuación las semirreacciones de oxidación y de reducción del apartado anterior, se establece: Fe 2+ Fe e - Cr 2 O H + + 6e - 2 Cr H 2 O

6 Iniciación a la Química 355 Como el número de átomos de las especies implicadas en cada miembro de las semirreacciones está ajustado, así como las cargas, se procede ahora a multiplicar cada semirreacción por el número adecuado para igualar el número de electrones en las dos semirreacciones. En este caso, multiplicamos la semirreacción de oxidación por 6 y la de reducción por 1. Al sumarlas, eliminando los electrones de cada miembro, queda la ecuación iónica ajustada: 6 Fe 2+ + Cr 2 O H + 2 Cr Fe H 2 O b) Para resolver este apartado podemos hacer uso del concepto de equivalente químico empleando la expresión: V ox N ox = V red N red El producto V ox x N ox nos permitirá obtener el número de equivalentes químico del hierro. Así, V ox N ox = L 1 equivalentel -1 = equivalentes de agente oxidante y por consiguiente también del agente reductor. M eq (Fe) = M a (Fe)/1 = 56 gequivalente -1 De aquí, la masa de hierro consumida en la valoración será. M = 56 gequivalente equivalentes = g Como se partió de 2 5 g de un mineral de hierro (impuro), la riqueza en hierro de dicho mineral se calcula mediante la siguiente ecuación: R = (1 792/2 5)100 = % Problema 15 Dada la reacción: KMnO 4 + FeSO 4 + H 2 SO 4. MnSO 4 + Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + H 2 O a) Ajuste la reacción anterior por el método del ion-electrón. b) Calcule los ml de disolución 0 5 M de KMnO 4 necesarios para que reaccionen completamente con 2 4 g de FeSO 4. Datos. Masas atómicas: O = 16; S = 32; Fe = 56.

7 356 Reacciones de transferencia de electrones Solución a) Para establecer las semirreacciones redox, identificamos las especies que se oxidan y se reducen, por el análisis de las variaciones del número de oxidación. Para ello escribimos las semirreacciones de los reactivos y productos en su forma iónica sin ajustar: Fe 2+ Fe 3+ MnO 4 - Mn 2+ Ello nos permitirá identificar las especies que se oxidan y se reducen, por el análisis de las variaciones del número de oxidación. Así, en la reacción dada, la especie Fe 2+ altera su número de oxidación de +2 a +3 [en la especie Fe 2 (SO 4 ) 3 ]. Este aumento del número de oxidación implica una oxidación del Fe 2+, según la siguiente semirreacción de oxidación: Fe 2+ Fe e - (pérdida de electrones; oxidación) De otra parte, en esta reacción, el átomo de manganeso altera su número de oxidación de +7 (en el KMnO 4 ) a +2 (en el MnSO 4 ). Esta disminución del número de oxidación implica una reducción de la especie MnO 4 -, según la siguiente semirreacción de reducción: MnO H + + 5e - Mn H 2 O (captura de electrones; reducción) Combinando a continuación las semirreacciones de oxidación y de reducción del apartado anterior, se establece: Fe 2+ Fe e - MnO H + + 5e - Mn H 2 O Como el número de átomos de las especies implicadas en cada miembro de las semirreacciones está ajustado, así como las cargas, se procede ahora a multiplicar cada semirreacción por el número adecuado para igualar el número de electrones en las dos semirreacciones. En este caso, multiplicamos la semirreacción de oxidación por 5 y la de reducción por 1. Al sumarlas, eliminando los electrones de cada miembro, queda la ecuación iónica ajustada: 5 Fe 2+ + MnO H + Mn Fe H 2 O A partir de la ecuación iónica ajustada y teniendo en cuenta las especies que intervienen en la reacción dada, se obtiene:

8 Iniciación a la Química FeSO 4 + KMnO H 2 SO 4 MnSO 4 + (5/2) Fe 2 (SO 4 ) 3 + (1/2) K 2 SO H 2 O Multiplicando toda la ecuación por 2, con el fin de expresar los coeficientes estequiométricos por números enteros, se obtiene: 10 FeSO KMnO H 2 SO 4 2 MnSO Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO H 2 O b) Resolveremos este apartado a partir de la ecuación de la reacción, debidamente ajustada. De esta manera, este apartado se reduce a un problema de estequiometría. Así, las relaciones estequiométricas entre las especies FeSO 4 y KMnO 4 (10 FeSO 4 /2 KMnO 4 ) de la ecuación anterior, nos permitirá resolver este apartado. En primer lugar, calculemos los moles de FeSO 4 que representan los 2 5 g de este reactivo. Número de moles de FeSO 4 = 2 5 g /M m (FeSO 4 ), siendo M m (FeSO 4 ) la masa molecular del sulfato de hierro(ii). Así, el número de moles de FeSO 4 = 2 5 g/152 mol -1 g = moles de FeSO 4 Con el número de moles de FeSO 4 y teniendo en cuenta la relación esteqiométrica (10 FeSO 4 /2 KMnO 4 ), calculamos el número de moles de KMnO 4 que se consumen en la valoración: Este número de moles de MnO 4 - viene dado por la expresión 10 FeSO 4 /2 KMnO 4 = moles de FeSO 4 /n moles de KMnO 4 Despejando el valor de n, se obtiene: n = moles de KMnO 4 Para el cálculo del volumen de la disolución de KMnO 4, tenemos en cuenta la concentración molar de disolución de KMnO 4 necesarios para que reaccionen completamente con los 2 5 g de FeSO 4.Y mediante la siguiente relación de igualdad V x M = número de moles de KMnO 4, despejamos el volumen requerido: V(L) x 0 5(moles/L) = 3 2 x 10-3 moles de KMnO 4 Despejando V, se obtiene: V = L (6 4 ml)

9 358 Reacciones de transferencia de electrones Problema 16 El estaño metálico, en presencia de ácido clorhídrico, es oxidado por el dicromato de potasio (K 2 Cr 2 O 7 ) a cloruro de estaño (IV) reduciéndose el dicromato a Cr (III). a) Ajuste, por el método del ion-electrón, la ecuación molecular completa. b) Calcule la riqueza en estaño de una aleación si un gramo de la misma una vez disuelta se valora, en medio ácido clorhídrico, con dicromato de potasio 0,1 M, gastándose 25 ml del mismo. Dato. Masa atómica: Sn = 119 Solución a) Teniendo en cuenta el enunciado del problema, las semirreacciones (ajustadas) que tienen lugar en esta valoración redox son: Sn Sn e - (oxidación) Cr 2 O H + + 6e - 2 Cr H 2 O (reducción) Como el número de átomos de las especies implicadas en cada miembro de las semirreacciones está ajustado, así como las cargas, se procede ahora a multiplicar cada semirreacción por el número adecuado para igualar el número de electrones en las dos semirreacciones. En este caso, multiplicamos la semirreacción de oxidación por 3 y la de reducción por 2. Al sumarlas, eliminando los electrones de cada miembro, queda la ecuación iónica ajustada: 3 Sn + 2 Cr 2 O H + 4 Cr Sn H 2 O Para establecer la reacción global ajustada en su forma molecular, tenemos en cuenta las especies moleculares que participan en la reacción. Así, la 2- especie Cr 2 O 7 participa como K 2 Cr 2 O 7 y las especies H + como HCl. De esta manera la reacción molecular será: 3 Sn + 2 K 2 Cr 2 O HCl 4 CrCl SnCl H 2 O + 4 KCl 2 2 NOTA: Obsérvese que para balancear el número de especies de K + y de Cl - hemos añadido en el segundo miembro 4 moles de KCl

10 Iniciación a la Química 359 b) Resolveremos este apartado a partir de la ecuación de la reacción, debidamente ajustada. Así, este apartado se reduce a un problema de estequiometría. De la ecuación molecular ajustada, se deduce que la relación estequiométricas entre las especies Sn y K 2 Cr 2 O 7 es (3 Sn /2 K 2 Cr 2 O 7 ) lo que nos permitirá resolver este apartado. En primer lugar, calculemos los moles de K 2 Cr 2 O 7 valoración. consumidos en la Número de moles de K 2 Cr 2 O 7 = 0 1 molesl -1 x 25 x 10-3 L= 2 5 x 10-3 moles Con el número de moles de K 2 Cr 2 O 7 y teniendo en cuenta la relación esteqiométrica (3 Sn /2 K 2 Cr 2 O 7 ), calculamos el número de moles de estaño metálico puro que se consumen en la valoración: número de moles de Sn : 3 Sn /2 K 2 Cr 2 O 7 = n moles de Sn/2 5 x 10-3 moles de K 2 Cr 2 O 7 Despejando el valor de n, se obtiene: n = 3 75 x 10-3 moles de Sn Con este valor calculamos la cantidad m de estaño metálico puro de la aleación a partir de la relación entre el número de moles, m, y la masa atómica del estaño: 3 75 x 10-3 moles de Sn = masa de Sn/M a (Sn) Despejando m = 3 75 x 10-3 moles x 119 g mol -1 = g Como se parte de 1 g de aleación, el porcentaje de estaño metálico de la aleación será 44 6%.