Ejercicio resuelto de Química · 2023

A.5 La reacción entre dióxido de azufre y sulfato de cobre(II), en presencia de cloruro de sodio, permite preparar cloruro de cobre(I), produciéndose también sulfato de sodio y ácido sulfúrico.

a) (0,75 puntos) Formule y ajuste por el método del ion electrón las semirreacciones de oxidación y reducción que tienen lugar. Indique las especies que actúan como oxidante y reductora.
b) (0,75 puntos) Ajuste las reacciones iónica y molecular.
c) (0,5 puntos) Calcule el volumen de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ que reacciona con 7,0 g de sulfato de cobre(II), a 1,0 atm y 25 ºC.

Datos: Masas atómicas (u): O = 16,0; S = 32,0; Cu = 63,5. $R=\mathrm{0,082}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{m}\cdot \mathrm{L}\cdot \mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}\cdot {\mathrm{K}}^{-1}$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Formule}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{ajuste}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{todo}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{ion}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{semirreacciones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{reducci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{tienen}}\mathbf{\text{lugar.}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{especies}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{act}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{an}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{oxidante}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{reductora.}}\mathbf{\text{(0,75}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Los números de oxidación dicen quién hace qué: el azufre pasa de $+4$ en el $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ a $+6$ en el sulfato, luego se oxida; el cobre pasa de $+2$ en el sulfato de cobre(II) a $+1$ en el cloruro de cobre(I), luego se reduce.

Semirreacción de oxidación, en medio acuoso: se ajusta el oxígeno con agua, el hidrógeno con protones y la carga con electrones.

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}+4{\mathrm{H}}^{+}+2e^{-}$

Semirreacción de reducción:

$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+e^{-}\to \mathrm{C}{\mathrm{u}}^{+}$

La especie $\mathbf{\text{oxidante}}$ es el sulfato de cobre(II), es decir, el $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$, que se reduce; la $\mathbf{\text{reductora}}$ es el dióxido de azufre, que se oxida.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Ajuste}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{reacciones}}\mathbf{\text{i}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{molecular.}}\mathbf{\text{(0,75}}\mathbf{\text{puntos)}}$

La oxidación cede 2 electrones y la reducción capta 1, así que hay que multiplicar la segunda por 2:

$2\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2e^{-}\to 2\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{+}$

Sumando ambas, la reacción iónica global queda:

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\to \mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}+4{\mathrm{H}}^{+}+2\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{+}$

Comprobación de cargas: $+4$ a la izquierda; $-2+4+2=+4$ a la derecha.

Para la forma molecular hay que devolver los contraiones. El cloruro de sodio aporta los cloruros que acompañan al cobre(I), y los sulfatos y protones se reparten entre el ácido sulfúrico y el sulfato de sodio:

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4+2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4+2\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$

Comprobación del azufre, que es lo que más se presta a error: $1+2=3$ a la izquierda; $2+1=3$ a la derecha.

${\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Calcule}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{SO}}}_2{\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{reacciona}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{7,0}}\mathbf{\text{g}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sulfato}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cobre(II),}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{1,0}}\mathbf{\text{atm}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{25}}}^{\circ }\mathbf{\text{C.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

$M(\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=\mathrm{63,5}+\mathrm{32,0}+4\cdot \mathrm{16,0}=\mathrm{159,5}\mathrm{g}\mathrm{/}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

$n(\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=\frac{\mathrm{7,0}}{\mathrm{159,5}}=\mathrm{0,044}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

Según la ecuación ajustada, cada molécula de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ reduce dos de sulfato de cobre(II):

$n(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2)=\frac{\mathrm{0,044}}{2}=\mathrm{0,022}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

Y con la ecuación de los gases ideales, con $T=298$ K:

$V=\frac{nRT}{P}=\frac{\mathrm{0,022}\cdot \mathrm{0,082}\cdot 298}{\mathrm{1,0}}$

$V(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2)=\mathrm{0,54}\mathrm{L}$