Ejercicio resuelto de Varios · Química · Andalucía · 2026

El arsénico se conoce desde tiempos remotos y ha tenido múltiples usos en diversas áreas, desde la medicina hasta la industria. Se trata de un elemento esencial para la vida y, sin embargo, se da la gran paradoja de que también es muy tóxico. Una exposición continuada a este elemento causa lesiones en la piel, neuropatías y aumenta significativamente el riesgo de padecer cáncer. A esto hay que añadir que es el contaminante natural más abundante de las aguas subterráneas, lo que constituye un motivo de gran preocupación a nivel mundial. Para proteger la salud humana, el nivel máximo permitido de arsénico en agua potable establecido por la Organización Mundial de la Salud (OMS) es de $0{,}01\ \text{mg L}^{-1}$.

Hasta la fecha, se han desarrollado diversas técnicas para la eliminación de este contaminante del agua potable. Una de las más habituales conlleva la oxidación de $\text{H}_{3}\text{AsO}_{3}$ (forma predominante en ambientes donde no hay oxígeno) a $\text{H}_{3}\text{AsO}_{4}$ y posterior precipitación en forma de un compuesto altamente insoluble.

Se sabe que con oxígeno la reacción de oxidación ocurre muy lentamente, alcanzando un rendimiento del 57 % al cabo de 5 días, lo que obliga a usar otros agentes oxidantes mucho más rápidos, tales como $\text{Cl}_{2}$, $\textbf{peróxido de hidrógeno}$, $\textbf{HClO}$ o $\textbf{permanganato de potasio}$.

Para eliminar el arsénico del agua y hacerla apta para el consumo humano, es habitual añadir $\textbf{FeCl}_{\textbf{3}}$ que genera hidróxido de hierro(III). Este reacciona con el ácido arsénico formando $\text{FeAsO}_{4}$, compuesto muy poco soluble ($K_{S} = 6{,}3 \cdot 10^{-21}$).

a) Escriba y ajuste la reacción de oxidación del $\text{H}_{3}\text{AsO}_{3}$ a $\text{H}_{3}\text{AsO}_{4}$ con $\text{O}_{2}$ en medio ácido empleando el método del ion-electrón. [0,5 puntos]

b) Sabiendo que el aire contiene un 21 % en volumen de $\text{O}_{2}$, ¿qué volumen de aire, medido a 273 K y 1 atm, se debe burbujear por mol de $\text{H}_{3}\text{AsO}_{3}$ en un agua natural contaminada? ¿Qué volumen del oxígeno quedaría sin reaccionar al cabo de 5 días? [0,5 puntos]

c) Demuestre que, tras precipitar $\text{FeAsO}_{4}$, el agua tratada cumple las recomendaciones de la OMS. [0,5 puntos]

d) Nombre o formule según corresponda las sustancias que aparecen en negrita en el texto. [0,5 puntos]

Datos: $R = 0{,}082\ \text{atm L mol}^{-1}\text{K}^{-1}$. Masa atómica relativa: As = 75.

$\textbf{a) Escriba y ajuste la reacción de oxidación del H₃AsO₃ a H₃AsO₄ con O₂ en medio ácido empleando el método del ion-electrón. [0,5 puntos]}$

El arsénico pasa de número de oxidación $+3$ en el $\mathrm{H_3AsO_3}$ a $+5$ en el $\mathrm{H_3AsO_4}$: se oxida. El oxígeno molecular pasa de $0$ a $-2$ en el agua: se reduce.

Semirreacción de oxidación, ajustada en medio ácido añadiendo agua donde faltan oxígenos y protones donde faltan hidrógenos:

$\mathrm{H_3AsO_3}+\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{H_3AsO_4}+2\,\mathrm{H^+}+2\,e^-$

Semirreacción de reducción:

$\mathrm{O_2}+4\,\mathrm{H^+}+4\,e^- \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}$

Igualamos el número de electrones multiplicando la oxidación por 2 y sumamos las dos semirreacciones.

$2\,\mathrm{H_3AsO_3}+2\,\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}+4\,\mathrm{H^+} \rightarrow 2\,\mathrm{H_3AsO_4}+4\,\mathrm{H^+}+2\,\mathrm{H_2O}$

Simplificamos los protones y las moléculas de agua que aparecen en los dos miembros.

$2\,\mathrm{H_3AsO_3}+\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H_3AsO_4}$

$\textbf{b) Sabiendo que el aire contiene un 21 \% en volumen de O₂, ¿qué volumen de aire, medido a 273 K y 1 atm, se debe burbujear por mol de H₃AsO₃ en un agua natural contaminada? ¿Qué volumen del oxígeno quedaría sin reaccionar al cabo de 5 días? [0,5 puntos]}$

De la reacción ajustada, cada dos moles de $\mathrm{H_3AsO_3}$ consumen una de oxígeno.

$n(\mathrm{O_2})=\dfrac{1}{2}=0{,}5\ \text{mol por mol de }\mathrm{H_3AsO_3}$

Calculamos el volumen que ocupa ese oxígeno en las condiciones indicadas.

$V(\mathrm{O_2})=\dfrac{nRT}{p}=\dfrac{0{,}5\cdot 0{,}082\cdot 273}{1}=11{,}19\ \text{L}$

Como el oxígeno es solo el 21 \% del volumen del aire, hay que burbujear bastante más aire que oxígeno.

$V(\text{aire})=\dfrac{11{,}19}{0{,}21}=53{,}3\ \text{L}$

El rendimiento al cabo de cinco días es del 57 \%, así que solo reacciona esa fracción del oxígeno aportado y el resto queda sin reaccionar.

$V(\mathrm{O_2})_{\text{sin reaccionar}}=11{,}19\cdot(1-0{,}57)=4{,}81\ \text{L}$

Hay que burbujear $53{,}3\ \text{L}$ de aire por mol de $\mathrm{H_3AsO_3}$, de los cuales quedarían sin reaccionar $4{,}81\ \text{L}$ de oxígeno al cabo de cinco días. Es precisamente esa lentitud la que obliga a usar oxidantes más rápidos.

$\textbf{c) Demuestre que, tras precipitar FeAsO₄, el agua tratada cumple las recomendaciones de la OMS. [0,5 puntos]}$

El arsénico que queda disuelto es el que impone el equilibrio de solubilidad de la sal.

$\mathrm{FeAsO_4}(s) \rightleftarrows \mathrm{Fe^{3+}}(aq)+\mathrm{AsO_4^{3-}}(aq)$

Llamando $s$ a la solubilidad molar, en el equilibrio ambas concentraciones valen $s$.

$K_S=[\mathrm{Fe^{3+}}][\mathrm{AsO_4^{3-}}]=s^{2}=6{,}3\cdot 10^{-21}$

$s=\sqrt{6{,}3\cdot 10^{-21}}=7{,}94\cdot 10^{-11}\ \text{M}$

Cada mol de sal disuelta aporta una mol de arsénico, así que pasamos esa concentración a miligramos por litro para poder compararla con el límite de la OMS.

$c(\mathrm{As})=7{,}94\cdot 10^{-11}\cdot 75\cdot 10^{3}=5{,}95\cdot 10^{-6}\ \text{mg L}^{-1}$

$5{,}95\cdot 10^{-6}\ \text{mg L}^{-1}\ \ll\ 0{,}01\ \text{mg L}^{-1}$

La concentración de arsénico que queda en el agua tratada es unas mil setecientas veces menor que el nivel máximo permitido, de modo que el agua cumple sobradamente las recomendaciones de la OMS.

$\textbf{d) Nombre o formule según corresponda las sustancias que aparecen en negrita en el texto. [0,5 puntos]}$

Peróxido de hidrógeno: $\mathrm{H_2O_2}$. Es el agua oxigenada, con el oxígeno actuando con número de oxidación $-1$.

$\mathrm{HClO}$: ácido hipocloroso. Con un solo oxígeno el cloro actúa con $+1$, el menor de sus números de oxidación positivos, de ahí el prefijo hipo- y la terminación -oso.

Permanganato de potasio: $\mathrm{KMnO_4}$. El anión permanganato, $\mathrm{MnO_4^-}$, lleva el manganeso con $+7$.

$\mathrm{FeCl_3}$: cloruro de hierro(III), también llamado tricloruro de hierro. Los tres cloruros obligan al hierro a actuar con $+3$.