Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2020

Para la siguiente reacción:

$\text{KClO}_3 + \text{SbCl}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{SbCl}_5 + \text{KCl} + \text{H}_2\text{O}$

a) Nombre todos los reactivos y productos, identificando razonadamente el oxidante y el reductor. [0,5 puntos]

b) Utilizando el método del ion-electrón, escriba y ajuste las semirreacciones de oxidación y reducción. [1 punto]

c) Ajuste las ecuaciones iónica y molecular. [1 punto]

d) Calcule cuántos gramos de $\text{KClO}_3$ se necesitan para obtener 200 g de $\text{SbCl}_5$, si el rendimiento del proceso es del 70 %. [0,5 puntos]

Datos: masas atómicas: $\text{Sb} = 121{,}8$; $\text{Cl} = 35{,}5$; $\text{O} = 16{,}0$; $\text{K} = 39{,}1$.

$\textbf{a) Nombre todos los reactivos y productos, identificando razonadamente el oxidante y el reductor. [0,5 puntos]}$

$\mathrm{KClO_3}$ — clorato de potasio.

$\mathrm{SbCl_3}$ — cloruro de antimonio(III) o tricloruro de antimonio.

$\mathrm{HCl}$ — cloruro de hidrógeno; en disolución, ácido clorhídrico.

$\mathrm{SbCl_5}$ — cloruro de antimonio(V) o pentacloruro de antimonio.

$\mathrm{KCl}$ — cloruro de potasio.

$\mathrm{H_2O}$ — agua.

Para identificar oxidante y reductor se miran los números de oxidación. El antimonio pasa de $+3$ en el $\mathrm{SbCl_3}$ a $+5$ en el $\mathrm{SbCl_5}$: pierde electrones, se oxida, luego el $\mathrm{SbCl_3}$ es el $\textbf{reductor}$.

El cloro del clorato pasa de $+5$ a $-1$ en el KCl: gana electrones, se reduce, luego el $\mathrm{KClO_3}$ es el $\textbf{oxidante}$.

Conviene fijarse en que el cloro del HCl $\textbf{no}$ cambia: entra con $-1$ y sale con $-1$ en el $\mathrm{SbCl_5}$. El ácido clorhídrico solo aporta el medio ácido y los cloruros.

$\textbf{b) Utilizando el método del ion-electrón, escriba y ajuste las semirreacciones de oxidación y reducción. [1 punto]}$

Semirreacción de oxidación:

$\mathrm{Sb^{3+}} \rightarrow \mathrm{Sb^{5+}} + 2\,e^-$

Semirreacción de reducción, en medio ácido:

$\mathrm{ClO_3^-} + 6\,\mathrm{H^+} + 6\,e^- \rightarrow \mathrm{Cl^-} + 3\,\mathrm{H_2O}$

Es un salto de seis electrones, poco habitual, porque el cloro recorre de golpe todo el camino de $+5$ a $-1$.

$\textbf{c) Ajuste las ecuaciones iónica y molecular. [1 punto]}$

Se multiplica la oxidación por 3 para igualar los electrones:

$3\,\mathrm{Sb^{3+}} \rightarrow 3\,\mathrm{Sb^{5+}} + 6\,e^-$

Ecuación iónica global:

$\mathrm{ClO_3^-} + 6\,\mathrm{H^+} + 3\,\mathrm{Sb^{3+}} \rightarrow \mathrm{Cl^-} + 3\,\mathrm{Sb^{5+}} + 3\,\mathrm{H_2O}$

Comprobación de la carga: a la izquierda $-1 + 6 + 9 = +14$; a la derecha $-1 + 15 = +14$.

Ecuación molecular:

$\mathrm{KClO_3} + 3\,\mathrm{SbCl_3} + 6\,\mathrm{HCl} \rightarrow 3\,\mathrm{SbCl_5} + \mathrm{KCl} + 3\,\mathrm{H_2O}$

Comprobación: K 1 = 1; Sb 3 = 3; Cl $1 + 9 + 6 = 15 + 1$; H 6 = 6; O 3 = 3.

$\textbf{d) Calcule cuántos gramos de KClO₃ se necesitan para obtener 200 g de SbCl₅, si el rendimiento del proceso es del 70 \%. [0,5 puntos]}$

$M(\mathrm{SbCl_5}) = 121{,}8 + 5 \cdot 35{,}5 = 299{,}3\ \mathrm{g/mol}$

$n(\mathrm{SbCl_5})_{\text{real}} = \frac{200}{299{,}3} = 0{,}668\ \mathrm{mol}$

El rendimiento se aplica antes de la estequiometría: para obtener realmente esos moles hay que partir de los que corresponderían a un rendimiento del 100 \%.

$n(\mathrm{SbCl_5})_{\text{teórico}} = \frac{0{,}668}{0{,}70} = 0{,}955\ \mathrm{mol}$

Según la ecuación ajustada, 1 mol de clorato produce 3 de $\mathrm{SbCl_5}$:

$n(\mathrm{KClO_3}) = \frac{0{,}955}{3} = 0{,}318\ \mathrm{mol}$

$M(\mathrm{KClO_3}) = 39{,}1 + 35{,}5 + 3 \cdot 16{,}0 = 122{,}6\ \mathrm{g/mol}$

$m(\mathrm{KClO_3}) = 0{,}318 \cdot 122{,}6 = 39{,}0\ \mathrm{g}$