Estequiometría de reacciones en disolución acuosa (Valoraciones redox)

Método de valoración Es un proceso donde se lleva a cabo una reacción mediante la adición cuidadosa controlada de una disolución de concentración conocida a otra disolución o muestra, y se mide el volumen de titulante requerido sea completa. La clave de la valoración es el punto de equivalencia el cual se determina con la ayuda de un indicador.

En el caso de las titulaciones redox debe ponerse mucha atención en la proporción molar en que reaccionan los agentes oxidante y reductor para realizar los cálculos correspondientes Por ejemplo podemos contar con la ecuación iónica neta: O con la ecuación química global: Otra forma es simplemente con el número de equivalentes químicos/mol  +  +  + 6e− 6 eq/mol  + e− 1 eq/mol o en su defecto conocer los valores de su masa equivalente

¿Qué es la masa equivalente y los equivalentes químicos?

La masa equivalente (Meq) Es una fracción de la masa molar de una sustancia que corresponde a la unidad de una reacción química definida, es decir, que ésta cambia (de valor) de acuerdo a la reacción química en donde participa ésta sustancia. El número de equivalentes químicos corresponde al número de veces que cabe la Meq en una masa molar o en un mol de la sustancia.

IMPORTANTE La Meq es independiente de los coeficientes molares de la reacción balanceada.

¿Cómo determinar la Meq de sustancias que participan en reacciones no redox?

Si se trata de reacciones no redox debemos hacerlo de acuerdo a la función química que tiene la sustancia en la reacción que se está llevando a cabo. si la sustancia es un ácido si la sustancia es una base si la sustancia es una sal

Por ejemplo si la reacción que ocurre es la siguiente: HCl + NaOH  NaCl + H2O Para conocer la masa equivalente y el número de equivalentes por mol del HCl tenemos que aplicar: = 36.5 g El número de equivalentes químicos sería de 1 eq por cada mol Para conocer la masa equivalente y el número de equivalentes por mol del NaOH tenemos que aplicar: = 40.0 g El número de equivalentes químicos sería de 1 eq por cada mol

Para conocer la masa equivalente y el número de equivalentes por mol del NaCl tenemos que aplicar: = 58.0 g El número de equivalentes químicos sería de 1 eq por cada mol

Si se trata de reacciones redox debemos hacerlo de acuerdo a la transferencia de electrones de los agentes oxidante y reductor o de los productos oxidado y reducido.

Por ejemplo si la reacción que ocurre es la siguiente: Pb3O4 + H2SO4 + KCl  PbCl2 + Cl2 + K2SO4 + H2O

Pasos a seguir

Identificar los agentes oxidante y reductor y los productos oxidado y reducido Pb3O4 + H2SO4 + KCl  PbCl2 + Cl2 + K2SO4 + H2O

Pb8/3+ + 2/3e−  Pb2+ Cl─  Cl0 + 1e− Paso 1. Determinar el cambio en el estado de oxidación 8/3 + ─ 2 + Pb3O4 + H2SO4 + KCl  PbCl2 + Cl2 + K2SO4 + H2O Paso 2. Escribir las semi-reacciones Pb8/3+ + 2/3e−  Pb2+ Cl─  Cl0 + 1e−

( )3 Pb8/3+ + 2/3e−  Pb2+ Cl─  Cl0 + 1e− 3Pb8/3+ + 2e−  3Pb2+ Paso 3. Multiplicar la semi-reacción por las veces en que está el elemento en la fórmula Pb8/3+ + 2/3e−  Pb2+ ( )3 Cl─  Cl0 + 1e− 3Pb8/3+ + 2e−  3Pb2+ Cl─  Cl0 + e− Paso 4. Los electrones del balance en cada semirreacción es la cantidad de equivalentes químicos que hay en un mol de la sustancia 2 e.q. Pb3O4 = 1 mol Pb3O4 1 e.q KCl = 1 mol KCl

685 g de Pb3O4 = 342.5 g Meq. Pb3O4 = 2 74.5 g de KCl Meq. KCl = Calcular la masa equivalente (Meq) para cada sustancia 685 g de Pb3O4 = 342.5 g Meq. Pb3O4 = 2 74.5 g de KCl Meq. KCl = = 74.5 g KCl 1

(CrSCN)2+  (NO3)− + (CO3)2− + (SO4)2− + (CrO4)2− En ocasiones es difícil conocer con que estado de oxidación trabaja un elemento para determinar la masa equivalente y/o el número de equivalentes se realiza la semi-reacción por medio del método del ion electrón: En la siguiente semi-reacción determinar el número de electrones transferidos (medio ácido) (CrSCN)2+  (NO3)− + (CO3)2− + (SO4)2− + (CrO4)2− 14H20 + (CrSCN)2+  (NO3)− + (CO3)2− + (SO4)2− + (CrO4)2− + 28H+ + 19e─ 19 e.q. (CrSCN)2+ por cada mol

¿Para qué me va servir lo que estudiamos?

Cálculos estequiométricos con reactivos, productos en disoluciones y aplicación de reacciones redox en química analítica cuantitativa

Fe2+ + Cr2O72− + H+  Fe3+ + Cr3+ + H2O Calcular la masa de Fe2+ que reacciona con 26.0 mL de una disolución de K2Cr2O7 0.0200 M. Fe2+ + Cr2O72− + H+  Fe3+ + Cr3+ + H2O Para resolver podemos utilizar la reacción balanceada por el método del ion electrón 6Fe2+ + Cr2O72− + 14H+  6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O 1000 mL disolución 0.0200 moles K2Cr2O7 26.0 mL de disoln. mol Cr2O72− 6 (55.8) g Fe2+ = 0.174 g Fe2+

Otra manera es por medio de los equivalentes químicos que hay por mol Fe2+  Fe3+ + 1e− 1 eq/mol 6e− + 2Cr6+  2Cr3+ 6 eq/mol 1000 mL disolución 0.0200 moles K2Cr2O7 26.0 mL de disoln. mol Cr2O72− 6 eq Cr2O72− eq Fe2+ eq Cr2O72− eq Fe2+ 55.8 g Fe2+ = 0.174 g Fe2+

Necesitamos conocer los moles que reaccionaron de KMnO4 Para titular las disoluciones de KMnO4 se utiliza como estándar primario el Na2C2O4. En un proceso de titulación una masa de 0.1278 g de Na2C2O4 requirieron exactamente 33.31 mL de una disolución de KMnO4. Calcular la concentración molar del KMnO4. 5C2O42−(ac) + 2MnO4− (ac) + 16H+ (ac)  2Mn2+(ac)+ 10CO2(g) + 8H2O(l) Necesitamos conocer los moles que reaccionaron de KMnO4 5 (134 g de Na2C2O4) 2 moles KMnO4 0.1278 g de Na2C2O4 = 3.81 X10−4 moles de KMnO4 0.03331 L 3.81 X10−4 moles de KMnO4 M= = 0.0114 M

La arsenopirita, también llamada mispíquel (denominación de los mineros alemanes ya que al ser frotada despide un olor característico), es un mineral de fórmula química FeAsS que se encuentra asociado con oro. El procesamiento de estos minerales requiere de tratamientos para destruir la matriz y liberar el oro atrapado en ella. Hasta hace pocos años, el método utilizado era la obtención de un concentrado por flotaciín y luego una oxidación por tostación produciendo As2O3

As2O3 + (MnO4)−  (AsO4)3− + Mn2+ Se tiene una masa de 0.1078 g de óxido de arsénico (III), (As2O3), que reacciona con un volumen de 22.2 mL de una disolución de permanganato de potasio (KMnO4). ¿Cuál es la concentración de la disolución de KMnO4 expresada en molaridad? Considerar que la reacción iónica que ocurre en medio ácido es la siguiente: As2O3 + (MnO4)−  (AsO4)3− + Mn2+ Necesitamos la reacción balanceada o en su defecto lo equivalentes químicos/mol 5As2O3 + 4(MnO4)− + 9 H2O 10(AsO4)3− + 4Mn2+ + 18H+ Calculamos la cantidad estequiométrica que reacciona 198 g de As2O3 1 mol de As2O3 0.1078 g As2O3 5 mol de As2O3 4 mol (MnO4)− = 4.355 x10 −4 mol 0.0222 L 4.355 x10 −4 moles de KMnO4 M= = 0.020 M

La pirolusita es un mineral muy valorado, ya que contiene MnO2 el cual se utiliza para la fabricación del acero y otras aleaciones como el bronce-manganeso. Como es un agente oxidante se usa también en la fabricación de cloro y desinfectantes (permanganatos), para la decoloración del vidrio y como material colorante en la fabricación de pinturas verde y violeta y en tintes para telas, o para la dar colores violeta o ámbar a azulejos y cerámica.

MnO2 + C2O42− + H+  Mn2+ + 2CO2 + 2H2O Para determinar la cantidad de MnO2 en un mineral de pirolusita se hizo reaccionar una masa de 0.50 g del mineral con 0.750 g de ácido oxálico, el exceso de ácido oxálico necesitó para su oxidación de 25.0 mL de KMnO4 0.05 M. Calcular el % de MnO2 en el mineral. MnO2 + C2O42− + H+  Mn2+ + 2CO2 + 2H2O 2MnO4− + 5C2O42− + 16H+  2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O Observar que una cantidad de C2O42− es consumida por el MnO2 y la cantidad que no reaccionó se titula con el MnO4−

Por lo tanto se determina el exceso de ácido oxálico y por diferencia con la cantidad inicial se conoce cuanto reaccionó con el mineral 1000 mL de MnO4− 0.05 mol de MnO4− 25.0 mL de MnO4− 2 mol de MnO4− 5 mol C2O42− 1 mol de C2O42− 90 g C2O42− = 0.2813 g de C2O42− 0.750 g ─ 0.2813 g = 0.4688 g de C2O42− 87 g MnO2 90 g C2O42− 0.4688 g de C2O42− =0.453 g MnO2 0.50 g 0.453 g % de MnO2 = X 100 = 90.6 %