Ejercicio resuelto de Varios · Química · Islas Baleares · 2025

La molécula de dicloro ($\mathrm{Cl_2}$) en estado gaseoso es un compuesto de gran importancia en la industria química. Uno de los métodos de obtención de dicloro gaseoso es a partir de la oxidación de ácido clorhídrico (HCl) con ácido nítrico ($\mathrm{HNO_3}$). Se obtienen, además del $\mathrm{Cl_2}$, $\mathrm{NO_2}$ y agua.

a) Escriba y ajuste por el método del ion-electrón la reacción química, en forma iónica, que tiene lugar en este proceso.

b) Calcule el volumen de $\mathrm{Cl_2}$, en litros, que se obtendrá, a 25 °C y a 1 atm, si se hacen reaccionar 500 mL de una disolución de HCl 2 M con $\mathrm{HNO_3}$ en exceso, suponiendo un rendimiento de la reacción del 80 %.

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

$\textbf{a) Escriba y ajuste por el método del ion-electrón la reacción química, en forma iónica, que tiene lugar en este proceso.}$

Conviene empezar por los números de oxidación para identificar quién se oxida y quién se reduce.

El cloro pasa de $-1$ en el HCl a $0$ en el $\mathrm{Cl_2}$: se oxida. El nitrógeno pasa de $+5$ en el $\mathrm{HNO_3}$ a $+4$ en el $\mathrm{NO_2}$: se reduce.

Semirreacción de oxidación:

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

Semirreacción de reducción, en medio ácido, ajustando el oxígeno con agua y el hidrógeno con protones:

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

Para igualar los electrones intercambiados se multiplica la reducción por 2:

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

Sumando ambas, los electrones se cancelan y queda la ecuación iónica global:

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

Devolviendo los contraiones se obtiene la forma molecular:

$2\,\mathrm{HCl(aq)} + 2\,\mathrm{HNO_3(aq)} \rightarrow \mathrm{Cl_2(g)} + 2\,\mathrm{NO_2(g)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)}$

Comprobación: Cl 2 = 2; N 2 = 2; H 4 = 4; O 6 = 4 + 2.

$\textbf{b) Calcule el volumen de Cl₂, en litros, que se obtendrá, a 25 °C y a 1 atm, si se hacen reaccionar 500 mL de una disolución de HCl 2 M con HNO₃ en exceso, suponiendo un rendimiento de la reacción del 80 \%.}$

El ácido nítrico está en exceso, así que el reactivo limitante es el clorhídrico:

$n(\mathrm{HCl}) = M \cdot V = 2 \cdot 0{,}500 = 1{,}0\ \mathrm{mol}$

Según la ecuación ajustada, cada 2 mol de HCl dan 1 mol de $\mathrm{Cl_2}$:

$n(\mathrm{Cl_2})_{\text{teórico}} = \dfrac{1{,}0}{2} = 0{,}50\ \mathrm{mol}$

Pero el rendimiento es del 80 %, de modo que solo se obtienen cuatro quintas partes de esa cantidad:

$n(\mathrm{Cl_2})_{\text{real}} = 0{,}50 \cdot 0{,}80 = 0{,}40\ \mathrm{mol}$

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

$V = \dfrac{n\,R\,T}{P} = \dfrac{0{,}40 \cdot 0{,}082 \cdot 298}{1}$

$V(\mathrm{Cl_2}) = 9{,}77\ \mathrm{L}$