T7: Equilibrios redox · Ajuste redox y estequiometría

Ajuste redox y estequiometría

Problema

2020 · Ordinaria · Reserva

El dicloro es un gas muy utilizado en la industria química. Se puede obtener según la reacción: $\ce{MnO2 + HCl -> MnCl2 + Cl2 + H2O}$

a) Ajuste las reacciones iónica y molecular por el método del ion-electrón.b) Calcule el volumen de una disolución de ácido clorhídrico

5 \text{ M}

y la masa de óxido de manganeso(IV) que se necesitan para obtener

42{,}6 \text{ g}

de dicloro gaseoso.

Datos: Masas atómicas relativas: $O=16$ ; $Cl=35{,}5$ ; $Mn=55$ .

método ion-electrónestequiometría

a) Ajuste de la reacción iónica y molecular por el método del ion-electrón.

Determinación de los estados de oxidación para identificar las especies que se oxidan y reducen:

\ce{Mn}: +4 \text{ en } \ce{MnO2}, +2 \text{ en } \ce{MnCl2} \quad \text{(reducción)}

\ce{Cl}: -1 \text{ en } \ce{HCl}, 0 \text{ en } \ce{Cl2} \quad \text{(oxidación)}

Semirreacción de oxidación:

\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}

Semirreacción de reducción:

\ce{MnO2 + 4H+ + 2e- -> Mn^{2+} + 2H2O}

Suma de las semirreacciones para obtener la ecuación iónica ajustada (los electrones se cancelan directamente):

\ce{MnO2(s) + 2Cl-(aq) + 4H+(aq) -> Mn^{2+}(aq) + Cl2(g) + 2H2O(l)}

Conversión a la ecuación molecular ajustada:Los iones $\ce{H+}$ y $\ce{Cl-}$ en el lado de los reactivos provienen del ácido clorhídrico ( $\ce{HCl}$ ). Los iones $\ce{Mn^{2+}}$ y $\ce{Cl-}$ en el lado de los productos forman el $\ce{MnCl2}$ .Necesitamos $4$ iones $\ce{H+}$ , lo que implica $4$ moléculas de $\ce{HCl}$ . Estas $4$ moléculas de $\ce{HCl}$ aportan $4$ iones $\ce{Cl-}$ . De estos, $2$ iones $\ce{Cl-}$ se oxidan a $\ce{Cl2}$ , y los $2$ iones $\ce{Cl-}$ restantes son iones espectadores que se combinan con el $\ce{Mn^{2+}}$ para formar $\ce{MnCl2}$ .

\ce{MnO2(s) + 4HCl(aq) -> MnCl2(aq) + Cl2(g) + 2H2O(l)}

b) Cálculo del volumen de disolución de ácido clorhídrico y la masa de óxido de manganeso(IV).

Masas molares relativas:

M_{\ce{Cl2}} = 2 \times 35.5 = 71 \text{ g/mol}

M_{\ce{MnO2}} = 55 + (2 \times 16) = 87 \text{ g/mol}

Moles de dicloro ( $\ce{Cl2}$ ) a obtener:

n_{\ce{Cl2}} = \frac{42.6 \text{ g}}{71 \text{ g/mol}} = 0.60 \text{ mol}

Según la estequiometría de la reacción ajustada ( $\ce{MnO2 + 4HCl -> MnCl2 + Cl2 + 2H2O}$ ):La relación molar entre $\ce{MnO2}$ y $\ce{Cl2}$ es $1:1$ .

n_{\ce{MnO2}} = n_{\ce{Cl2}} = 0.60 \text{ mol}

Masa de óxido de manganeso(IV) necesaria:

m_{\ce{MnO2}} = n_{\ce{MnO2}} \times M_{\ce{MnO2}} = 0.60 \text{ mol} \times 87 \text{ g/mol} = 52.2 \text{ g}

La relación molar entre $\ce{HCl}$ y $\ce{Cl2}$ es $4:1$ .

n_{\ce{HCl}} = 4 \times n_{\ce{Cl2}} = 4 \times 0.60 \text{ mol} = 2.40 \text{ mol}

Volumen de la disolución de ácido clorhídrico $5 \text{ M}$ necesario:

V_{\ce{HCl}} = \frac{n_{\ce{HCl}}}{\text{Concentración}} = \frac{2.40 \text{ mol}}{5 \text{ mol/L}} = 0.48 \text{ L}