Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2023

En los siguientes casos:

a) Si mezclamos una disolución que contiene ion permanganato [$\text{MnO}_4^-$] en medio ácido con otra que contiene ion $\text{Sn}^{2+}$ y se obtienen entre otros productos los iones $\text{Mn}^{2+}$ y $\text{Sn}^{4+}$, escriba y ajuste por el método del ion-electrón la ecuación iónica correspondiente. (1 punto)

b) Si introducimos una lámina de cobre o una lámina de plomo en una disolución de carácter ácido, razone si alguna de ellas se disuelve y escriba y ajuste las reacciones correspondientes. (1 punto)

Datos: $E^o(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\ \text{V}$; $E^o(\text{Pb}^{2+}/\text{Pb}) = -0{,}13\ \text{V}$; $E^o(\text{H}^+/\text{H}_2) = 0{,}00\ \text{V}$.

$\textbf{a) Si mezclamos una disolución que contiene ion permanganato en medio ácido con otra que contiene ion Sn²⁺ y se obtienen entre otros productos los iones Mn²⁺ y Sn⁴⁺, escriba y ajuste por el método del ion-electrón la ecuación iónica correspondiente. (1 punto)}$

Primero se identifican los cambios de número de oxidación. En el $\mathrm{MnO_4^-}$, con el oxígeno a $-2$, el manganeso actúa con $+7$ y pasa a $+2$: gana cinco electrones, se reduce. El estaño pasa de $+2$ a $+4$: pierde dos electrones, se oxida.

Semirreacción de reducción, en medio ácido. Se ajustan los oxígenos con moléculas de agua, los hidrógenos con protones y por último la carga con electrones:

$\mathrm{MnO_4^-} + 8\,\mathrm{H^+} + 5\,e^- \rightarrow \mathrm{Mn^{2+}} + 4\,\mathrm{H_2O}$

Semirreacción de oxidación:

$\mathrm{Sn^{2+}} \rightarrow \mathrm{Sn^{4+}} + 2\,e^-$

Para igualar los electrones intercambiados se multiplica la primera por 2 y la segunda por 5, de modo que en ambas circulen 10:

$2\,\mathrm{MnO_4^-} + 16\,\mathrm{H^+} + 10\,e^- \rightarrow 2\,\mathrm{Mn^{2+}} + 8\,\mathrm{H_2O}$

$5\,\mathrm{Sn^{2+}} \rightarrow 5\,\mathrm{Sn^{4+}} + 10\,e^-$

Sumando y simplificando los electrones se obtiene la ecuación iónica global:

$2\,\mathrm{MnO_4^-} + 16\,\mathrm{H^+} + 5\,\mathrm{Sn^{2+}} \rightarrow 2\,\mathrm{Mn^{2+}} + 5\,\mathrm{Sn^{4+}} + 8\,\mathrm{H_2O}$

Comprobación de la carga: a la izquierda, $-2 + 16 + 10 = +24$; a la derecha, $4 + 20 = +24$.

$\textbf{b) Si introducimos una lámina de cobre o una lámina de plomo en una disolución de carácter ácido, razone si alguna de ellas se disuelve y escriba y ajuste las reacciones correspondientes. (1 punto)}$

Que un metal se disuelva en un ácido no oxidante significa que reduce los protones a hidrógeno mientras él se oxida. Basta comparar su potencial con el del par $\mathrm{H^+}/\mathrm{H_2}$, que vale $0{,}00$ V, y comprobar el signo del potencial global:

$E^0 = E^0_{\text{reducción}} - E^0_{\text{oxidación}}$

Para el $\textbf{cobre}$:

$E^0 = 0{,}00 - (+0{,}34) = -0{,}34 \ \mathrm{V} < 0$

El proceso no es espontáneo, así que la lámina de cobre $\textbf{no se disuelve}$. Es lo esperable de un metal noble, con potencial de reducción positivo, al que no atacan los ácidos no oxidantes como el clorhídrico.

Para el $\textbf{plomo}$:

$E^0 = 0{,}00 - (-0{,}13) = +0{,}13 \ \mathrm{V} > 0$

El potencial es positivo, luego el proceso sí es espontáneo y la lámina de plomo $\textbf{se disuelve}$ desprendiendo hidrógeno. Las semirreacciones y la global son:

$\mathrm{Pb} \rightarrow \mathrm{Pb^{2+}} + 2\,e^- \qquad 2\,\mathrm{H^+} + 2\,e^- \rightarrow \mathrm{H_2}$

$\mathrm{Pb}(s) + 2\,\mathrm{H^+}(ac) \rightarrow \mathrm{Pb^{2+}}(ac) + \mathrm{H_2}(g)$

La regla general es que un metal es atacado por los ácidos no oxidantes si su potencial estándar de reducción es negativo, es decir, si está por debajo del hidrógeno en la serie electroquímica.