Problema 6. Opción B. Selectividad Andalucía. JUNIO 2017. Química.

Dada la reacción K₂Cr₂O₇  +  FeSO₄ +  H₂SO₄  →  Fe₂(SO₄)₃ +  Cr₂(SO₄)₃  + K₂SO₄ + H₂O 

a) Ajuste las reacciones iónicas y molecular por el método del ion-electrón.

b) Calcule los gramos de Fe₂(SO₄)₃ que se obtendrán a partir de 4 g de K₂Cr₂O₇  si el rendimiento es del 75%.

Datos: Masas atómicas K=39; Cr=52; S=32; Fe= 56; O=16; H=1.

a) Nos encontramos ante un problema de ajuste de reacciones redox. En este caso el medio es ácido debido a la presencia de ácido sulfúrico en los reactivos así que el método a usar es el método del ion-electrón en medio ácido. Puedes ver aquí 4 formas de ajustar reacciones químicas con las explicaciones detalladas.

K₂Cr₂O₇  +  FeSO₄ +  H₂SO₄  →  Fe₂(SO₄)₃ +  Cr₂(SO₄)₃  + K₂SO₄ + H₂O 

"El dicromato de potasio reacciona con sulfato de hierro (II) y ácido sulfúrico (medio ácido) para dar sulfato de hierro (III), sulfato de cromo (III), sulfato de potasio y agua".

El primer paso para resolver este problema es identificar que especie se oxida y cual se reduce para ello es necesario observar cual pierde o gana electrones en la reacción. 

Observamos que el Cr y el Fe son los que cambian su número de oxidación.

Se oxida el Fe pues pierde electrones en la reacción.

Se reduce el Cr pues gana electrones en la reacción.

Semirreacciones iónicas de oxidación y reducción:

Oxidación:    Fe⁺²     →   2 Fe⁺³
Reducción:  Cr₂O₇^-2    →    Cr⁺³ 

A continuación se ajustan estas semirreacciones, realizando un balance de materia y energía:

Oxidación:    2 Fe⁺²   →   2 Fe⁺³   +  2e^-

Reducción:   Cr₂O₇^-2   + 14 H⁺  +  6e^-→   2 Cr⁺³  + 7 H₂O

Estas dos semirreacciones ocurren simultáneamente con lo que el número de electrones que se transfieren debe ser el mismo en las dos. Para conseguir esto se multiplica la semirreacción de oxidación por 3. Después se suman las dos semirreacciones de manera que los electrones se contrarresten puesto que quedan 6 en cada lado:

      Oxidación:                        [  2 Fe⁺²   →   2 Fe⁺³   +  2e^-  ] x 3

Reducción:  Cr₂O₇^-2   + 14 H⁺  +  6e^-  →   2 Cr⁺³  + 7 H₂O
_____________________________________________

 6 Fe⁺²  +  Cr₂O₇^-2   + 14 H⁺  →   6 Fe⁺³ + 2 Cr⁺³  + 7 H₂O

Esta reacción obtenida es la reacción iónica ajustada.

El último paso es obtener la reacción molecular ajustada.

K2Cr2O7 + 6 FeSO4 + 7 H2SO4 → 3 Fe2(SO4)3 +  Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O

Nota: Fíjate que cuando en una molécula el átomo está dos veces solo hay que poner la mitad de moléculas como en el caso del ácido sulfúrico, el sulfato de hierro (III) y en el sulfato de cromo (III).

b) Este apartado es un problema de estequiometría para el que es necesario el resultado del apartado anterior.

Observando los coeficientes estequiométricos del apartado anterior vemos que por cada mol de K2Cr2O7 se obtienen 3 moles de Fe₂(SO₄)₃.

Con lo anterior y los datos que nos aporta el problema se calcula con factores de conversión:

Masa molecular de K₂Cr₂O₇: 2·39+2·52+7·16 = 294 g/mol

Masa molecular de Fe₂(SO₄)₃: 2·56+3·32+3·4·16 = 400 g/mol

Hasta aquí la resolución de este problema de la prueba de acceso y admisión a la universidad en Andalucía del pasado 13 de junio de 2017. Si te ha gustado puedes suscribirte al blog o seguirme en la redes sociales. Facebook, twitter o Instagram.

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EXAMEN RESUELTO: Prueba de acceso a la universidad para mayores de 25 años (CURSO 2014-2015)

Como hemos comentado en otras ocasiones la prueba de química en Andalucía consiste en resolver un problema de dos a elegir y dos cuestiones a elegir de cuatro.

Aquí la prueba resuelta de esta convocatoria:

Se trata de un problema de disoluciones con un apartado del tema de transferencia de protones.

Se nos da una disolución de ácido nítrico concentrada de la cual conocemos su molaridad y densidad.

a) En el apartado a) se pide el tanto por ciento en masa de esta disolución.

Este es un caso en el que no tenemos ningún dato cuantitativo por lo que debemos tomar alguna referencia, existen varias formas de resolverlo lo más habitual es usar 1L o 100g de disolución.

DATO DE REFERENCIA: 1 L de disolución.

Para hallar el porcentaje en masa necesitamos los gramos de soluto y los gramos de disolvente, según la ecuación:

%masa= (gramos de soluto/gramos de disolución) x100

Por lo que calculamos por separado cada dato:

- Cálculo de los gramos de soluto a partir de la molaridad y la masa molecular.

Molaridad= número de moles de soluto/volumen de disolución en litros

Conocemos la molaridad y el volumen de disolución (que habíamos tomado como referencia) por lo que despejamos el número de moles:

Número de moles de soluto= 7M · 1L= 7 moles de HNO3

Con los moles obtenidos y teniendo en cuenta la masa molecular (a partir de las masas atómicas que nos da el problema como dato) averiguamos los gramos de soluto:

Masa molecular HNO3 = 1+14+3·16 = 63g/mol

7 moles HNO3 x 63g/mol =  441g de HNO3

- Cálculo de los gramos de disolución a partir de la densidad y el volumen de referencia 

1L= 1000mL

1000ml x 1,22g/ml = 1220 g de disolución

- Sustituyendo los valores en la fórmula del tanto por ciento en masa obtenemos el resultado:

%masa= (441g soluto / 1220 g disolución) x 100 = 36,15 %

b) Se nos pide las fracciones molares de cada componente, en esta disolución hay dos componentes; el soluto que es el HNO3 y el disolvente que es el H2O.

Xsoluto= moles de soluto / (moles de soluto + moles de disolvente)

Xdisolvente= moles de disolvente / (moles de soluto + moles de disolvente)

Los moles de soluto se calcularon en el apartado anterior, son 7 moles de HNO3.

Los moles de disolvente los calculamos a partir del tanto por ciento en masa y los gramos de disolución del apartado anterior, pero en este caso el porcentaje en masa de agua será:

% masa de disolvente = 100 - 36.15 = 63,85%

Por tanto, si tenemos 1220g de disolución:

Gramos de H2O = 1220 g disolución x ( 63,85 /100 )= 779 g de H2O

Y usando la masa molecular del agua:

Masa molecular H2O = 2·1+16 = 18g/mol

779 g de H2O / 18g/mol = 43,3 moles de H2O

Y ya se pueden calcular las fracciones molares:

Xsoluto= 7 / (7 + 43,3) = 0,14

Xdisolvente= 43,3 / (7 + 43,3) = 0,86

c) Este apartado nos pregunta el volumen que necesitamos de una disolución concentrada para preparar una disolución diluida, usamos la fórmula:

M1 · V1 = M2 · V2

Siendo M la molaridad y V el volumen de cada disolución, 1 la concentrada y 2 la diluida.

Despejando y sustituyendo los datos:

V1 = (0,05 ·1 ) / 7 = 0,00714L = 7,14 mL de disolución concentrada

d) En este apartado se nos pide el pH de la disolución diluida, como sabemos que el HNO3 es un ácido fuerte, se disociará por completo siendo la concentración de protones igual a la concentración incial del ácido:

pH= -log [H+]

pH = -log 0,05 = 1,3

Este es un problema de redox con dos apartados de estequiometría, uno con disoluciones y otro con gases.

a) Se pide que escribamos las semirreacciones de oxidación y de reducción ajustadas:

Semirreacción de oxidación: 

Cu à Cu ²⁺ +  2e^-

Semirreacción de reducción: 

[NO₃^- + 2H⁺ + 1e^- à NO₂ + H₂O]x2

La semirreacción de reducción debe ir multiplicada por 2 para que la transferencia de electrones sea la misma.

b) Reacción global ajustada:

4HNO₃ + Cu   à  CuNO₃  + 2NO₂ + 2H₂O

c) Nos piden el volumen de la disolución de ácido nítrico que será necesario para la reacción, es un problema de estequiometría que puede resolverse usando factores de conversión:

d) En este apartado usamos factores de conversión para hallar los moles de dióxido de nitrógeno y luego aplicamos la ecuación de los gases ideales:

P · V = n · R · T

Sustituimos los valores, pasando a las unidades necesarias y despejamos V:

V = (0,2 · 0,082 · 298) / 1 = 4,88 L de NO2

Estas son las cuestiones teóricas que se plantearon en el examen:

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