Ejercicio resuelto de Estequiometría · Química · 2021

B.3 Se puede obtener cloro gaseoso en la oxidación del ácido clorhídrico con ácido nítrico, produciéndose también dióxido de nitrógeno y agua.

a) (1 punto) Indique cuál es la especie oxidante y cuál la reductora. Ajuste la reacción iónica global y la reacción molecular por el método del ion-electrón.
b) (1 punto) Sabiendo que el rendimiento de la reacción es del 82%, calcule el volumen de cloro que se obtiene a 25 ºC y 1,0 atm, cuando reaccionan 600 mL de una disolución 2,00 M de HCl con ácido nítrico en exceso.

Dato: $R = 0{,}082\ \mathrm{atm \cdot L \cdot mol^{-1} \cdot K^{-1}}$.

$\textbf{a) Indique cuál es la especie oxidante y cuál la reductora. Ajuste la reacción iónica global y la reacción molecular por el método del ion-electrón. (1 punto)}$

Traduciendo el enunciado a fórmulas, la reacción sin ajustar es:

$\mathrm{HCl} + \mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{Cl_2} + \mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O}$

Los números de oxidación dicen quién hace qué: el cloro pasa de $-1$ en el cloruro a 0 en el cloro molecular, luego se oxida; el nitrógeno pasa de $+5$ en el nitrato a $+4$ en el $\mathrm{NO_2}$, luego se reduce.

La especie $\textbf{oxidante}$ es el ácido nítrico, a través de su ion $\mathrm{NO_3^-}$; la $\textbf{reductora}$ es el ácido clorhídrico, a través de su ion $\mathrm{Cl^-}$.

Semirreacción de reducción, en medio ácido, multiplicada por 2 para igualar los electrones:

$2\,\big(\mathrm{NO_3^-} + 2\,\mathrm{H^+} + e^- \rightarrow \mathrm{NO_2} + \mathrm{H_2O}\big)$

Semirreacción de oxidación:

$2\,\mathrm{Cl^-} \rightarrow \mathrm{Cl_2} + 2\,e^-$

Sumando, la reacción iónica global queda:

$2\,\mathrm{NO_3^-} + 2\,\mathrm{Cl^-} + 4\,\mathrm{H^+} \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{Cl_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$

Comprobación de cargas: $-2 - 2 + 4 = 0$ a la izquierda; 0 a la derecha.

Y devolviendo los protones a sus ácidos de origen, la reacción molecular:

$2\,\mathrm{HNO_3} + 2\,\mathrm{HCl} \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2} + \mathrm{Cl_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$

$\textbf{b) Sabiendo que el rendimiento de la reacción es del 82\%, calcule el volumen de cloro que se obtiene a 25 }^\circ\textbf{C y 1{,}0 atm, cuando reaccionan 600 mL de una disolución 2{,}00 M de HCl con ácido nítrico en exceso. (1 punto)}$

Como el ácido nítrico está en exceso, el reactivo limitante es el clorhídrico:

$n(\mathrm{HCl}) = 2{,}00 \cdot 0{,}600 = 1{,}20\ \mathrm{mol}$

Según la ecuación ajustada, cada 2 mol de HCl producen 1 de cloro:

$n(\mathrm{Cl_2})_{\text{teórico}} = \frac{1{,}20}{2} = 0{,}600\ \mathrm{mol}$

Ese sería el resultado con rendimiento total, pero solo se aprovecha el 82 %:

$n(\mathrm{Cl_2})_{\text{real}} = 0{,}600 \cdot 0{,}82 = 0{,}492\ \mathrm{mol}$

Y con la ecuación de los gases ideales, con $T = 25 + 273 = 298$ K:

$V = \frac{n\,R\,T}{P} = \frac{0{,}492 \cdot 0{,}082 \cdot 298}{1{,}0}$

$V(\mathrm{Cl_2}) = 12\ \mathrm{L}$