Ejercicio resuelto de Química · 2023

A4. El ácido nítrico reacciona con el sulfuro de hidrógeno según la siguiente ecuación:
$\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{a}\mathrm{q})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}(\mathrm{g})\to \mathrm{N}\mathrm{O}(\mathrm{g})+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$

a) Escribe las semirreacciones de oxidación y de reducción. (0,50)
b) Indica cuál es la especie oxidante y cuál la especie reductora. (0,50)
c) Ajusta la ecuación iónica por el método del ion-electrón. (0,50)
d) Ajusta la ecuación molecular. (0,50)
e) Calcula el volumen de sulfuro de hidrógeno, medido a 700 mmHg y 60 ºC, necesario para reaccionar con 500 mL de una disolución de ácido nítrico 0,5 M. (0,50)

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Escribe}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{semirreacciones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{reducci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

Se asignan primero los números de oxidación para saber qué se oxida y qué se reduce, y después se ajusta cada semirreacción en medio ácido: primero los átomos distintos del hidrógeno y del oxígeno, luego los oxígenos con agua, los hidrógenos con protones y por último las cargas con electrones.

$\mathrm{S}:-2(\text{en }{\mathrm{H}}_2\mathrm{S})⟶+4(\text{en }\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2)\Rightarrow \text{pierde }6e^{-}$

$\mathrm{N}:+5(\text{en }\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3)⟶+2(\text{en }\mathrm{N}\mathrm{O})\Rightarrow \text{gana }3e^{-}$

$\text{Oxidaci}\acute{\text{o}}\text{n}:{\mathrm{S}}^{2-}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+6e^{-}$

$\text{Reducci}\acute{\text{o}}\text{n}:\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}+4{\mathrm{H}}^{+}+3e^{-}\to \mathrm{N}\mathrm{O}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Indica}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{especie}}\mathbf{\text{oxidante}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{especie}}\mathbf{\text{reductora.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

La especie que se reduce, es decir, la que gana electrones, es la oxidante, y la que se oxida es la reductora.

${\mathrm{S}}^{2-}\text{ pierde electrones}\Rightarrow \text{se oxida}\Rightarrow \text{es el reductor}$

$\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}\text{ gana electrones}\Rightarrow \text{se reduce}\Rightarrow \text{es el oxidante}$

La especie oxidante es el ion nitrato del ácido nítrico, cuyo nitrógeno baja de $+5$ a $+2$, y la especie reductora es el sulfuro de hidrógeno, cuyo azufre sube de $-2$ a $+4$. Es el comportamiento habitual del ácido nítrico concentrado, que actúa como oxidante a través del nitrato y no a través del protón.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Ajusta}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{ecuaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{i}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{ion-electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

El azufre cede seis electrones y cada nitrato capta tres, de modo que para igualar el intercambio se multiplica la reducción por dos.

${\mathrm{S}}^{2-}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+6e^{-}$

$2\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}+8{\mathrm{H}}^{+}+6e^{-}\to 2\mathrm{N}\mathrm{O}+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Sumando ambas y cancelando los electrones:

${\mathrm{S}}^{2-}+2\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}+8{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+2\mathrm{N}\mathrm{O}+4{\mathrm{H}}^{+}+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Se simplifican los protones y el agua que aparecen en los dos miembros:

${\mathrm{S}}^{2-}+2\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}+4{\mathrm{H}}^{+}\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+2\mathrm{N}\mathrm{O}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Se comprueba el ajuste de carga, que es lo que más suele fallar: en el primer miembro $(-2)+2(-1)+4(+1)=0$, y en el segundo, cero también.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Ajusta}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{ecuaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{molecular.}}\mathbf{\text{(0,50)}}$

Se reponen las especies moleculares del enunciado. El sulfuro aparece como sulfuro de hidrógeno, que aporta dos de los cuatro protones, y los dos nitratos con los dos protones restantes forman dos moles de ácido nítrico.

${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}(g)+2\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3(aq)\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2(g)+2\mathrm{N}\mathrm{O}(g)+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(l)$

Se verifica el recuento de átomos en ambos miembros: 4 de hidrógeno, 1 de azufre, 2 de nitrógeno y 6 de oxígeno.



Se calculan los moles de ácido nítrico, se pasan a moles de sulfuro de hidrógeno con la estequiometría de la ecuación molecular y se lleva el resultado a la ecuación de los gases ideales, con la presión en atmósferas y la temperatura en kelvin.

$n(\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3)=c\cdot V=\mathrm{0,5}\cdot \mathrm{0,500}=\mathrm{0,250}\text{ mol}$

De la ecuación ajustada, cada dos moles de ácido consumen uno de sulfuro:

$n({\mathrm{H}}_2\mathrm{S})={\displaystyle \frac{\mathrm{0,250}}{2}}=\mathrm{0,125}\text{ mol}$

$P={\displaystyle \frac{700}{760}}=\mathrm{0,921}\text{ atm};T=60+273=333\text{ K}$

$V={\displaystyle \frac{nRT}{P}}={\displaystyle \frac{\mathrm{0,125}\cdot \mathrm{0,082}\cdot 333}{\mathrm{0,921}}}$

$V=\mathrm{3,7}\text{ L}$

Hacen falta $\mathrm{3,7}$ litros de sulfuro de hidrógeno en esas condiciones. El volumen es algo mayor que el que ocuparía en condiciones normales, como corresponde a una temperatura más alta y una presión inferior a la atmosférica.