Problemas resueltos de electroquımica.

12 de abril de 2011

1. Al efectuar la electrolisis de una disolucion de HCl se desprende cloro en el anodo.

¿Que volumen de cloro, medido en condiciones normales, se desprendera al pa-

sar una carga de 50.000 C.? DATOS: R=0,082 atm.l/mol.K ; F=96.500 C; masa

atomica Cl= 35,5

Segun las leyes de Faraday, con 96500 C se desprende 1 equivalente electroquımico de Cl2 en

el anodo. Por tanto, los equivalentes electroquımicos desprendidos seran:

EqCl2 =50000

96500= 0, 518

Al ser la valencia electroquımica del Cl2=2, ya que:

2Cl− → Cl2 + 2e−

el peso de un equivalente de Cl2 sera 71/2 = 35, 5g. Por tanto, los 0,518 equivalentes pesan

0,518·35,5=18,39 g. de Cl2 que corresponden a 18,39/71=0,259 moles de Cl2. Estos moles de

Cl2 en condiciones normales (1 mol en C.N. ocupa 22,4l.) ocuparan un volumen de 5,80 litros

de Cl2.

2. El zinc reacciona con acido nıtrico, originando nitrato de zinc (II) y nitrato amonico

en disolucion. Escriba y ajuste la reaccion por el metodo del ion-electron y calcule

los gramos de acido nıtrico que se necesitaran para disolver 10 g de zinc con un

rendimiento del 100 %. Masas atomicas: Zn = 65,4 ; O = 16 ; N = 14 ; H = 1.

a) Segun el enunciado, los elementos que cambian de numero de oxidacion son el Zn (0 → +2)

y el N (+5 → -3 ,NH+4 ).

Las semirreacciones de oxidacion-reduccion seran:

4 (Zno −→ Zn+2 + 2e−)

10H+ + NO−3 + 8e− −→ NH+4 + 3H2O

con lo que la ecuacion ionica sera:

4Zn + 10HNO3 −→ 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

1

2

b) Segun la reaccion ajustada, 4 · 65,4 g de Zn reaccionan con 10 · 63 g de HNO3 (P.M. HNO3

= 63) por lo que por 10 g de Zn seran necesarios 6300 / 4 · 65,4 = 24,08 gramos de HNO3.

3. Las disoluciones acuosas de acido nıtrico oxidan al cobre a ion cuprico (Cu2+) y

desprenden vapores nitrosos. Se pide:

a) Formular y ajustar las semirreacciones ionicas correspondientes a dicho proce-

so en el supuesto de que los vapores nitrosos esten constituidos exclusivamente

por oxido nıtrico (NO).

b) Formular la reaccion molecular completa correspondiente al proceso global.

c) Calcular los centımetros cubicos de disolucion nıtrica 0,5 M que se gastaran

en disolver 4,94 g de cobre puro.

Masas atomicas: Cu = 63,5 ; N = 14,0 ; O = 16,0 ; H = 1.

a) Las semirreacciones ionicas son:

2 (4H+ + NO−3 + 3e− −→ NO + 2H2O) (reduccion)

3 (Cuo −→ Cu2+ + 2e−) (oxidacion)

8H+ + 2NO−3 + 3Cuo −→ 2NO + 4H2O + 3Cu2+ (Reaccion ionica global)

b) Reaccion molecular:

8HNO3 + 3Cu −→ 2NO + 4H2O + 3Cu(NO3)2

c) El numero de moles de Cu son 4,94 / 63,5 = 0,078, y tal como indica el ajuste de la reaccion,

se necesitaran (8/3) · 0,078 moles de HNO3, que corresponderan a un volumen de disolucion

de 416 cm3.

4. En disolucion acida el clorato potasico oxida al cloruro ferroso que pasa a cloruro

ferrico, quedando el reducido a cloruro potasico mas agua. Se pide:

a) Escribir y ajustar la correspondiente reaccion ionica.

b) Determinar el equivalente gramo de clorato potasico para esa clase de reaccio-

nes.

Masas atomicas: Cl = 35,5 ; O = 16 ; K = 39,1.

(a) Escribimos la reaccion sin ajustar en forma ionica, atendiendo al enunciado, que sera:

ClO−3 + Fe+2 H+

−→ Fe+3 + Cl− + H2O

3

Para ajustarla, observamos que el ion ClO−3 pasa a Cl− reduciendose. La semirreaccion de

reduccion sera:

6H+ + ClO−3 + 6e− −→ Cl− + 3H2O

Asımismo, el Fe+2 se oxida a Fe+3, dando lugar a la semirreaccion de oxidacion:

Fe+2 − 1e− −→ Fe+3

Multiplicando por 6 la semirreaccion de oxidacion y sumandola a la de reduccion se llega a:

6H+ + ClO−3 + 6Fe+2 −→ Cl− + 3H2O + 6Fe+3

que es la ecuacion ajustada en forma ionica. En forma molecular sera:

KClO3 + 6FeCl2 + 6HCl −→ KCl + 3H2O + 6FeCl3

donde se ha puesto como medio acido el HCl.

b) Equivalente redox gramo = Peso molecular / valencia redox

En reacciones redox la valencia de un compuesto viene dada por el numero de electrones que

toma o cede el compuesto en la semirreaccion correspondiente.

Valencia redox KClO3 = 6; Peso molecular KClO3 = 122,6

Eq. redox KClO3 =122, 6

6= 20, 43 gramos

5. El aluminio metal reacciona con una solucion acuosa de hidroxido sodico produ-

ciendose hidrogeno gaseoso y aluminato sodico, productos ambos solubles en agua.

Escriba ajustada la reaccion correspondiente e indique de que tipo es.

Al(s) + NaOH −→ NaAlO2 + H2(g)

Se trata de una reaccion de oxidacion-reduccion, ya que se produce un cambio en el numero de

oxidacion de algunos de los elementos presentes.

2 (2H2O + Al + 3e− −→ AlO2 + 4H+) (oxidacion)

3 (4H+ + 2OH− + 2e− −→ H2 + 2H2O) (reduccion)

4H+ + 2Al + 6OH− −→ 2AlO−2 + 3H2 + 2H2O

que se trata de una reaccion ajustada en forma ionica. En forma molecular sera:

2H2O + 2Al + 2NaOH −→ 2NaAlO2 + 3H2

4

6. Ajustese por el metodo del numero de oxidacion la reaccion que tiene lugar entre

el etanol y el peroxido de hidrogeno para producir etanal y agua, senalando los

elementos que cambian su numero de oxidacion y su cuantıa.

CH3 − CH2OH + H2O2 −→ CH3 − CHO + H2O

C−1 − 2e− −→ C+1 (oxidacion)

O−12 + 2e− −→ 2O2− (reduccion)

C−1 + O−12 −→ C+1 + 2O−2

La reaccion molecular ajustada quedara:

CH3 − CH2OH + H2O2 −→ CH3 − CHO + 2H2O

Los elementos que cambian su numero de oxidacion son el carbono del grupo alcoholico y el

oxıgeno del agua oxigenada.

7. Completar y ajustar las siguientes reacciones indicando, en cada caso, el peso

equivalente de la sustancia indicada en primer lugar:

CuO + H2 → ; MnO4K + SO4Fe + SO4H2 → ; (NO3)2Pb + ClH→

CuO + H2 −→ Cu + H2O

Peso eq. CuO =P.M.

val.=

79, 54

2= 39, 77 gramos

2MnO4K + 10SO4Fe + 8SO4H2 −→ 2SO4Mn + 5(SO4)3Fe + SO4K2 + 8H2O

Peso eq. MnO4K =158

5= 31, 6 gramos

(NO3)2Pb + 2ClH −→ 2NO3H + Cl2Pb ↓

Peso eq. (NO3)2Pb =321, 2

2= 160, 6 gramos

8. En disoluciones acidas, el ion Cr2O−27 oxida al ion Fe+2 (Fe II) a Fe+3 (Fe III) y el

pasa a ion Cr+3 mas agua. Se pide:

a) Formular y ajustar las semirreacciones de oxidacion y reduccion.

b) Formular la reaccion ionica global.

c) Formular la reaccion molecular correspondiente a la oxidacion del SO4Fe por

el Cr2O7K2, dando (SO4)3Fe2, (SO4)3Cr2 y agua.

d) ¿Cuantos centımetros cubicos de disolucion 0,1 N de Cr2O7K2 son necesarios

para oxidar 50 cm3 de una disolucion de sal ferrosa 0,2 molar?

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(a)

Cr2O2−7 + Fe2+ + H+ −→ Fe3+ + Cr+3 + H2O

14H+ + Cr2O−27 + 6e− −→ 2Cr+3 + 7H2O (reduccion)

6 (Fe+2 − 1e− −→ Fe+3) (oxidacion)

(b)

14H+ + Cr2O−27 + 6Fe2+ −→ 2Cr+3 + 6Fe+3 + 7H2O (ecuacion ionica global)

(c) La reaccion molecular sera:

7H2SO4 + K2Cr2O7 + 6FeSO4 −→ (SO4)3Cr2 + 3(SO4)3Fe2 + K2SO4 + 7H2O

(d) valencia redox Cr2O2−7 = 6 ; valencia redox Fe+2 = 1.

N = M · valencia ; N sal ferrosa = 0, 2 M · 1 = 0, 2 Normal

V ·N = V ′ ·N ′ ; V =V ′ ·N ′

N=

50 cm3 · 0, 2

0, 1

V disolucion K2Cr2O7 = 100 cm3

9. El oxido de dinitrogeno se disuelve en agua pasando a acidos nıtrico y nitroso.

Indique que elemento se oxida y cual se reduce. Escriba ajustadas por el metodo

del numero de oxidacion la ecuacion correspondiente. ¿Como se denomina este tipo

particular de procesos?

N+42 O4 + H2O −→ HN+5O3 + HN+3O2

N+4 − 1e− −→ N+5 (oxidacion)

N+4 − 1e− −→ N+3 (reduccion)

2N+4 −→ N+5 + N+3

Ec. molecular N2O4 + H2O −→ HNO3 + HNO2

completando con una molecula de agua. Este tipo de procesos en los cuales una misma sustancia

se oxida y se reduce, se denominan de desproporcion o dismutacion.

10. El anion iodato experimenta las siguientes reacciones en medio acuoso:

a) Precipita con nitrato de plata.

b) Es oxidante en medio acido pasando a ioduro.

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¿Cuales son los equivalentes quımicos y pesos formulas en los casos (a) y (b) ex-

presados en gramos?

Masas atomicas: I = 127 ; O = 16.

(a)

IO−3 + AgNO3 −→ AgIO3 + NO−3

Peso eq. =P.M.

val.=

175

1= 175 gramos

Peso formula 1 IO−3 = 175 gramos.

b)

IO−3 + 6H+ + 6e− −→ I− + 3H2O

Peso eq. =P.M.

val.=

175

6= 29, 167 gramos

11. ¿Cual de los siguientes metales desplazara al zinc de una disolucion acuosa de

sulfato de zinc?

a) Cobre ; b) Hierro ; c) Plomo ; d) Magnesio ; e) Plata.

Eo Zn2+/Zn = -0,76 v ; Eo Cu2+/Cu = 0,34 v ; Eo Fe2+/Fe = -0,44 v.

Eo Pb2+/Pb = -0,13 v ; Eo Mg2+/Mg = -2,37 v ; Eo Ag+/Ag = 0,80 v.

El Magnesio, ya que posee menor potencial de reduccion que el zinc.

12. En la electrolisis del cloruro magnesico fundido ¿que productos se obtienen en el

anodo y en el catodo? Escribir las reacciones que tienen lugar en ambos.

En el anodo se desprende cloro y en el catodo se recoge magnesio. Las reacciones son:

ANODO 2Cl− − 2e− −→ Cl2(g)

CATODO Mg2+ + 2e− −→ Mg(s)

13. Explicar por que el acido sulfurico reacciona con el cobre, estando este elemento

por encima del hidrogeno en la serie electromotriz. ¿Que acido sulfurico usarıa

para esta reaccion, diluido o concentrado o darıa lo mismo?

El acido sulfurico concentrado reacciona con el cobre debido a que actua como oxidante en

lugar de actuar como acido fuerte en cuyo caso tendrıa unicamente el potencial de reduccion

(0 voltios) y no podrıa reaccionar con el cobre.

Al aumentar la concentracion del acido sulfurico aumenta su poder oxidante por lo que es

necesario utilizar el acido concentrado para disolver el cobre.

1En compuestos ionicos se utiliza el concepto de peso formula en lugar de peso molecular debido a que no hay

moleculas propiamente dichas.

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14. Una corriente de 8 amperios circula durante dos horas y 20 minutos a traves de dos

celulas electrolıticas que contienen sulfato de cobre y cloruro de aluminio respec-

tivamente. Calcular que cantidades de cobre y de aluminio se habran depositado y

que diferencias se pueden apreciar visualmente entre ambas celulas y sus electrodos

antes y despues de la operacion descrita.

Las cantidades de cobre y aluminio depositadas durante las 2 horas y 20 minutos se pueden

calcular mediante las leyes de Faraday:

Cantidad de Cu = Eeq (Cu) · I · t = 63,5/296,500

· 8 · 2, 33 · 60 · 60 = 22,11 gramos de Cu

Cantidad de Al = Eeq (Al) · I · t = 27/396,500

· 8 · 2, 33 · 60 · 60 = 6,26 gramos de Al.

La misma cantidad de electricidad pasa por las dos celulas electrolıticas, y por tanto los mismos

equivalentes se desprenderan o se depositaran de cada uno de los iones.

En la cuba que contiene CuSO4, se deposita Cu sobre el catodo y se libera O2 en el anodo.

En la cuba que contiene AlCl3, se deposita Al sobre el catodo y se libera Cl2 en el anodo.

15. Una celula electrolıtica contiene 1000 cm3 de una disolucion de sulfato cuprico. Se

hace pasar una corriente de 2 Amperios durante 10 horas, al cabo de las cuales se

ha depositado completamente todo el cobre. ¿Cual era la molaridad de la disolucion

inicial de sulfato de cobre?

Masa atomica del Cobre = 63 ; 1 Faraday = 96.500 Culombios.

Segun la ley de Faraday: Q = Eq · I · t, donde:

I = Intensidad de corriente en Amperios.

t = tiempo en segundos.

Eq = equivalente electroquımico.

Q = masa depositada en gramos.

Q =P.a/valencia

96,500· 2 · (10 · 60 · 60) =

63/2

96,500· 2 · 36,000 = 23, 50 g de Cu

moles de cobre =23, 50

63= 0, 37 moles

[Cu2+] = [CuSO4], luego [CuSO4] = 0,37 moles/l, ya que la celula contenıa 1 litro (1.000 cm3)

de disolucion.