T7: Equilibrios redox · Ajuste de reacciones redox y estequiometría

Ajuste de reacciones redox y estequiometría

Problema

2024 · Ordinaria · Suplente

El níquel metálico reacciona con ácido nítrico concentrado según la reacción:

\ce{Ni + HNO3} -> \ce{Ni(NO3)2 + NO + H2O}

a) Ajuste las ecuaciones iónica y molecular por el método del ion-electrón.b) Calcule la masa de níquel que podrá oxidarse con 1 mL de ácido nítrico comercial del 70% de riqueza en masa y densidad

1,42 \text{ g} \cdot \text{mL}^{-1}

Datos: Masas atómicas relativas: Ni = 58,7; N = 14; O = 16; H = 1

Equilibrios redoxIon-electrónEstequiometría

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

Se identifican las semirreacciones de oxidación y reducción. El níquel se oxida de estado de oxidación 0 a +2, mientras que el nitrógeno del ácido nítrico se reduce de +5 a +2 en el $\ce{NO}$ .

\text{Oxidación: } \ce{Ni -> Ni^{2+}}

\ce{Ni -> Ni^{2+} + 2e-}

\text{Reducción: } \ce{NO3- -> NO}

Se balancean los átomos de oxígeno añadiendo moléculas de agua y los átomos de hidrógeno añadiendo iones $\ce{H+}$ . Finalmente, se ajustan las cargas con electrones.

\ce{NO3- -> NO + 2H2O}

\ce{NO3- + 4H+ -> NO + 2H2O}

\ce{NO3- + 4H+ + 3e- -> NO + 2H2O}

Para igualar el número de electrones intercambiados, la semirreacción de oxidación se multiplica por 3 y la de reducción por 2.

\left( \ce{Ni -> Ni^{2+} + 2e-} \right) \times 3

3\ce{Ni -> 3Ni^{2+} + 6e-}

\left( \ce{NO3- + 4H+ + 3e- -> NO + 2H2O} \right) \times 2

2\ce{NO3- + 8H+ + 6e- -> 2NO + 4H2O}

Se suman las dos semirreacciones ajustadas para obtener la ecuación iónica global.

3\ce{Ni + 2NO3- + 8H+ -> 3Ni^{2+} + 2NO + 4H2O}

Para obtener la ecuación molecular, se convierten los iones $\ce{H+}$ y $\ce{NO3-}$ en $\ce{HNO3}$ y se compensan los iones $\ce{Ni^{2+}}$ con iones nitrato para formar $\ce{Ni(NO3)2}$ .

3\ce{Ni (s) + 8HNO3 (aq) -> 3Ni(NO3)2 (aq) + 2NO (g) + 4H2O (l)}

b) Cálculo de la masa de níquel que podrá oxidarse:

Primero, se calcula la masa de la disolución de ácido nítrico y, a partir de la riqueza, la masa de $\ce{HNO3}$ puro.

V_{\text{disolución}} = 1 \text{ mL}

\rho_{\text{disolución}} = 1,42 \text{ g} \cdot \text{mL}^{-1}

m_{\text{disolución}} = \rho \times V = 1,42 \text{ g} \cdot \text{mL}^{-1} \times 1 \text{ mL} = 1,42 \text{ g}

m_{\ce{HNO3} \text{ puro}} = m_{\text{disolución}} \times \text{riqueza} = 1,42 \text{ g} \times 0,70 = 0,994 \text{ g}

A continuación, se calculan los moles de $\ce{HNO3}$ puro utilizando su masa molar.

M_{\ce{HNO3}} = 1 \times 1,0 \text{ g} \cdot \text{mol}^{-1} + 1 \times 14,0 \text{ g} \cdot \text{mol}^{-1} + 3 \times 16,0 \text{ g} \cdot \text{mol}^{-1} = 63,0 \text{ g} \cdot \text{mol}^{-1}

n_{\ce{HNO3}} = \frac{m_{\ce{HNO3} \text{ puro}}}{M_{\ce{HNO3}}} = \frac{0,994 \text{ g}}{63,0 \text{ g} \cdot \text{mol}^{-1}} = 0,01578 \text{ mol}

Se utiliza la estequiometría de la reacción ajustada para determinar los moles de níquel que reaccionarán.

3\ce{Ni (s) + 8HNO3 (aq) -> 3Ni(NO3)2 (aq) + 2NO (g) + 4H2O (l)}

n_{\ce{Ni}} = n_{\ce{HNO3}} \times \frac{3 \text{ mol Ni}}{8 \text{ mol HNO3}} = 0,01578 \text{ mol HNO3} \times \frac{3}{8} = 0,005918 \text{ mol Ni}

Finalmente, se calcula la masa de níquel a partir de sus moles y su masa atómica relativa.

M_{\ce{Ni}} = 58,7 \text{ g} \cdot \text{mol}^{-1}

m_{\ce{Ni}} = n_{\ce{Ni}} \times M_{\ce{Ni}} = 0,005918 \text{ mol} \times 58,7 \text{ g} \cdot \text{mol}^{-1} = 0,347 \text{ g}