Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2025

BLOQUE B (Consta de dos problemas, debes responder a 1 de ellos)
B1. Dos investigadores han intentado hacer reaccionar tanto Zn como Cu metálico con un ácido fuerte como el HCl. Si los productos de reacción son $\mathrm{MCl_2}\,(aq)$ (M = Zn o Cu) y $\mathrm{H_2}$ gaseoso,

a) Determinar cuál de las dos reacciones será espontánea y ajustarla. (0,50)
Datos: $E^{\circ}(\mathrm{H^+}/\mathrm{H_2})=0\ \mathrm{V}$; $E^{\circ}(\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})=0{,}34\ \mathrm{V}$; $E^{\circ}(\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})=-0{,}76\ \mathrm{V}$.
b) Señalar en ese caso cuál es la especie oxidante y cuál la especie reductora. (0,25)
c) Calcular el volumen del gas que se genera en esa reacción medido a 700 mmHg y 50 ºC, si se hacen reaccionar 5 g de metal. (0,75)
d) El metal que no reacciona con HCl, lo hará con un ácido oxidante como el $\mathrm{HNO_3}$ para dar $\mathrm{M(NO_3)_2}(aq)$, $\mathrm{NO}(g)$ y agua. Comprobar que la reacción es espontánea y ajustarla mediante el método ion-electrón. $E^{\circ}(\mathrm{HNO_3}/\mathrm{NO})=0{,}78\ \mathrm{V}$. (1,00)

$\textbf{a) Determinar cuál de las dos reacciones será espontánea y ajustarla. (0,50)}$

En ambos casos el metal se oxidaría y los protones del ácido se reducirían a hidrógeno. Se calcula la fuerza electromotriz de cada proceso restando al potencial del par que se reduce el del par que se oxida, y será espontáneo aquel en que resulte positiva.

Con el cinc, el par que se reduce es el del hidrógeno y el que se oxida el del cinc:

$E^0=E^0(\mathrm{H^+}/\mathrm{H_2})-E^0(\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})=0-(-0{,}76)=+0{,}76\ \text{V}>0$

Con el cobre, el par que se oxidaría es el del cobre, cuyo potencial es superior al del hidrógeno:

$E^0=E^0(\mathrm{H^+}/\mathrm{H_2})-E^0(\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})=0-0{,}34=-0{,}34\ \text{V}<0$

La reacción del cobre no es espontánea porque su potencial de reducción es mayor que el del hidrógeno: el cobre está por debajo del hidrógeno en la serie de reactividad y los ácidos no oxidantes no lo atacan.

$\text{Oxidación (ánodo)}:\ \mathrm{Zn}\rightarrow \mathrm{Zn^{2+}}+2\,e^-$

$\text{Reducción (cátodo)}:\ 2\,\mathrm{H^+}+2\,e^-\rightarrow \mathrm{H_2}$

$\mathrm{Zn}\,(s)+2\,\mathrm{HCl}\,(aq)\rightarrow \mathrm{ZnCl_2}\,(aq)+\mathrm{H_2}\,(g)$

Solo el cinc reacciona espontáneamente con el ácido clorhídrico, con una fuerza electromotriz de $+0{,}76$ V, y lo hace desprendiendo hidrógeno gaseoso.

$\textbf{b) Señalar en ese caso cuál es la especie oxidante y cuál la especie reductora. (0,25)}$

Se identifican a partir de las dos semirreacciones del apartado anterior: la especie que se reduce es el oxidante y la que se oxida el reductor.

$\mathrm{Zn}:\ 0\longrightarrow +2\ \Rightarrow\ \text{pierde } 2\,e^-\ \Rightarrow\ \text{se oxida}$

$\mathrm{H}:\ +1\longrightarrow 0\ \Rightarrow\ \text{gana } 1\,e^-\ \Rightarrow\ \text{se reduce}$

La especie oxidante es el ion $\mathrm{H^+}$ aportado por el ácido clorhídrico, y la especie reductora es el cinc metálico. El ion cloruro es un simple espectador y no cambia su estado de oxidación.

$\textbf{c) Calcular el volumen del gas que se genera en esa reacción medido a 700 mmHg y }\boldsymbol{50\ ^{\circ}\mathrm{C}}\textbf{, si se hacen reaccionar 5 g de metal. (0,75)}$

Se pasan los gramos de cinc a moles, se aplica la estequiometría de la ecuación ajustada para obtener los moles de hidrógeno y se lleva ese resultado a la ecuación de los gases ideales. Antes hay que expresar la presión en atmósferas y la temperatura en kelvin.

$n(\mathrm{Zn})=\dfrac{5}{65{,}4}=7{,}65\cdot10^{-2}\ \text{mol}$

De la ecuación ajustada, la relación entre el cinc y el hidrógeno es de uno a uno:

$n(\mathrm{H_2})=n(\mathrm{Zn})=7{,}65\cdot10^{-2}\ \text{mol}$

$P=\dfrac{700}{760}=0{,}921\ \text{atm}$

$T=50+273=323\ \text{K}$

$V=\dfrac{n\,R\,T}{P}=\dfrac{7{,}65\cdot10^{-2}\cdot0{,}082\cdot323}{0{,}921}$

$V=2{,}20\ \text{L}$

Los 5 g de cinc desprenden $2{,}20$ litros de hidrógeno en esas condiciones. El valor es algo mayor que el que se obtendría en condiciones normales, como corresponde a una temperatura más alta y una presión inferior a la atmosférica.

$\textbf{d) El metal que no reacciona con HCl, lo hará con un ácido oxidante como el }\boldsymbol{\mathrm{HNO_3}}\textbf{ para dar }\boldsymbol{\mathrm{M(NO_3)_2}(aq)}\textbf{, }\boldsymbol{\mathrm{NO}(g)}\textbf{ y agua. Comprobar que la reacción es espontánea y ajustarla mediante el método ion-electrón. (1,00)}$

El metal que no reaccionaba era el cobre. Lo que cambia ahora es que el oxidante no son los protones, sino el propio ion nitrato, cuyo par tiene un potencial de reducción bastante alto. Se comprueba primero la espontaneidad y después se ajusta.

$E^0=E^0(\mathrm{HNO_3}/\mathrm{NO})-E^0(\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})=0{,}78-0{,}34=+0{,}44\ \text{V}>0$

La fuerza electromotriz es positiva, luego el ácido nítrico sí ataca al cobre. Se plantean a continuación las dos semirreacciones en medio ácido, ajustando primero los átomos distintos de hidrógeno y oxígeno, después los oxígenos con agua, los hidrógenos con protones y por último las cargas con electrones.

$\text{Reducción}:\ \mathrm{NO_3^-}+4\,\mathrm{H^+}+3\,e^-\rightarrow \mathrm{NO}+2\,\mathrm{H_2O}$

$\text{Oxidación}:\ \mathrm{Cu}\rightarrow \mathrm{Cu^{2+}}+2\,e^-$

El nitrógeno pasa de $+5$ a $+2$, con lo que gana tres electrones, mientras que el cobre cede dos. Para igualarlos se multiplica la reducción por 2 y la oxidación por 3, de modo que ambas intercambien seis electrones:

$2\,\mathrm{NO_3^-}+8\,\mathrm{H^+}+6\,e^-\rightarrow 2\,\mathrm{NO}+4\,\mathrm{H_2O}$

$3\,\mathrm{Cu}\rightarrow 3\,\mathrm{Cu^{2+}}+6\,e^-$

$3\,\mathrm{Cu}+2\,\mathrm{NO_3^-}+8\,\mathrm{H^+}\rightarrow 3\,\mathrm{Cu^{2+}}+2\,\mathrm{NO}+4\,\mathrm{H_2O}$

Se pasa por último a la ecuación molecular. De los ocho moles de ácido nítrico, dos actúan como oxidante y los seis restantes aportan los nitratos que acompañan al catión cobre en la sal:

$3\,\mathrm{Cu}\,(s)+8\,\mathrm{HNO_3}\,(aq)\rightarrow 3\,\mathrm{Cu(NO_3)_2}\,(aq)+2\,\mathrm{NO}\,(g)+4\,\mathrm{H_2O}\,(l)$

Se comprueba el ajuste contando los átomos de cada elemento en ambos miembros: 3 de cobre, 8 de nitrógeno, 8 de hidrógeno y 24 de oxígeno.

El cobre sí es atacado por el ácido nítrico, con una fuerza electromotriz de $+0{,}44$ V. La diferencia con el clorhídrico está en que aquí el oxidante es el ion nitrato y no el protón, y por eso el nítrico disuelve metales que los ácidos no oxidantes no tocan.