Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2024

Cuando reacciona aluminio con clorato de potasio en presencia de ácido clorhídrico se obtiene cloruro de aluminio, cloruro de potasio y agua.

a) Escriba y ajuste la ecuación iónica por el método del ion-electrón y escriba la ecuación molecular completa. Indique el agente oxidante y el reductor. (1,20 puntos)

b) Si partimos de 15 g de aluminio y 400 mL de una disolución 0,5 M de clorato de potasio, calcule los gramos de cloruro de aluminio que se obtendrían. (0,8 puntos)

Datos: masas atómicas: $\text{Al} = 27$; $\text{Cl} = 35{,}5$.

$\textbf{a) Escriba y ajuste la ecuación iónica por el método del ion-electrón y escriba la ecuación molecular completa. Indique el agente oxidante y el reductor. (1,20 puntos)}$

Conviene empezar por la ecuación sin ajustar, con todas las especies que menciona el enunciado:

$\mathrm{Al} + \mathrm{KClO_3} + \mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{AlCl_3} + \mathrm{KCl} + \mathrm{H_2O}$

Los números de oxidación dicen quién cambia: el aluminio pasa de $0$ a $+3$, y el cloro del clorato pasa de $+5$ a $-1$ en el cloruro. El cloro del HCl se queda en $-1$ y no interviene en el proceso redox.

Semirreacción de reducción, en medio ácido:

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

Semirreacción de oxidación:

$\mathrm{Al} \rightarrow \mathrm{Al^{3+}} + 3\,e^-$

Para igualar los electrones intercambiados hay que multiplicar la oxidación por 2 y sumar:

$\mathrm{ClO_3^-} + 2\,\mathrm{Al} + 6\,\mathrm{H^+} \rightarrow 2\,\mathrm{Al^{3+}} + \mathrm{Cl^-} + 3\,\mathrm{H_2O}$

Devolviendo los contraiones —el $\mathrm{K^+}$ del clorato y los cloruros del ácido— se llega a la ecuación molecular:

$\mathrm{KClO_3} + 2\,\mathrm{Al} + 6\,\mathrm{HCl} \rightarrow 2\,\mathrm{AlCl_3} + \mathrm{KCl} + 3\,\mathrm{H_2O}$

Comprobación: Cl, $1 + 6 = 6 + 1$; H, $6 = 6$; O, $3 = 3$.

El aluminio pierde electrones, se oxida y es por tanto el agente reductor. El ion clorato gana electrones, se reduce y es el agente oxidante.

$\textbf{b) Si partimos de 15 g de aluminio y 400 mL de una disolución 0,5 M de clorato de potasio, calcule los gramos de cloruro de aluminio que se obtendrían. (0,8 puntos)}$

Se dan las cantidades de los dos reactivos, así que lo primero es averiguar cuál limita la reacción:

$n(\mathrm{Al}) = \frac{15}{27} = 0{,}55\ \mathrm{mol}$

$n(\mathrm{KClO_3}) = 0{,}400 \cdot 0{,}5 = 0{,}2\ \mathrm{mol}$

Según la ecuación ajustada, cada mol de clorato necesita 2 de aluminio:

$0{,}2 \cdot \frac{2\ \mathrm{mol\ Al}}{1\ \mathrm{mol\ KClO_3}} = 0{,}4\ \mathrm{mol\ de\ Al}$

Como disponemos de 0,55 mol de aluminio y solo hacen falta 0,4, sobra aluminio: el reactivo limitante es el clorato de potasio, y es él quien fija el rendimiento.

$n(\mathrm{AlCl_3}) = 0{,}2 \cdot \frac{2\ \mathrm{mol\ AlCl_3}}{1\ \mathrm{mol\ KClO_3}} = 0{,}4\ \mathrm{mol}$

$M(\mathrm{AlCl_3}) = 27 + 3 \cdot 35{,}5 = 133{,}5\ \mathrm{g/mol}$

$m(\mathrm{AlCl_3}) = 0{,}4 \cdot 133{,}5 = 53{,}4\ \mathrm{g}$

Se obtendrían 53,4 g de cloruro de aluminio.