Ejercicios: Números de oxidación y método ion-electrón

El concepto de número de oxidación presenta situaciones singulares en ciertos compuestos binarios como los peróxidos y los hidruros metálicos. A partir de las reglas generales de asignación:

1. a) Determina el número de oxidación del oxígeno en el peróxido de bario, $\mathrm{BaO_2}$, y en el difluoruro de oxígeno, $\mathrm{OF_2}$.
2. b) Determina el número de oxidación del hidrógeno en el hidruro de calcio, $\mathrm{CaH_2}$, y en el agua, $\mathrm{H_2O}$. Justifica brevemente cada valor en función de las electronegatividades relativas de los elementos combinados.

Al introducir una lámina de cinc metálico en una disolución acuosa de ácido clorhídrico, se produce un vivo burbujeo de hidrógeno gaseoso según el siguiente proceso:

$$\mathrm{Zn(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow ZnCl_2(aq) + H_2(g)}$$

1. a) Calcula el número de oxidación de todos los átomos en reactivos y productos.
2. b) Identifica la especie que se oxida, la que se reduce, el agente oxidante y el agente reductor, razonando la respuesta en términos de transferencia de electrones.

En medio acuoso ácido, el ion nitrato puede transformarse en monóxido de nitrógeno, mientras que el ion estaño(II) puede pasar a estaño(IV).

1. a) Escribe y ajusta la semirreacción de reducción del ion nitrato, $\mathrm{NO_3^-(aq)}$, a monóxido de nitrógeno, $\mathrm{NO(g)}$, en medio ácido, indicando el número de electrones transferidos.
2. b) Escribe la semirreacción de oxidación del catión $\mathrm{Sn^{2+}(aq)}$ a $\mathrm{Sn^{4+}(aq)}$ y comprueba para ambas semirreacciones el balance simultáneo de masa y de carga eléctrica.

El esquema siguiente ilustra el flujo de electrones que tiene lugar de forma espontánea cuando dos semiceldas redox interactúan a través de un circuito conductor. Observa la disposición de las especies químicas y la dirección del flujo electrónico:

1. a) Escribe las semirreacciones ajustadas de oxidación y de reducción, deduciendo el valor numérico que debe sustituir al signo de interrogación en la cantidad de electrones transferidos, y formula la ecuación iónica global neta.
2. b) Asigna de forma justificada el rol de agente oxidante y agente reductor a partir de las variaciones experimentadas en los números de oxidación.

El gas cloro, $\mathrm{Cl_2(g)}$, burbujeado en una disolución acuosa diluida y fría de hidróxido de sodio, experimenta un proceso de dismutación o desproporción que conduce a la formación de aniones cloruro, $\mathrm{Cl^-}$, y aniones hipoclorito, $\mathrm{ClO^-}$.

1. a) Formula y ajusta por el método del ion-electrón en medio básico las semirreacciones de oxidación y reducción independientes, indicando los reactivos y productos auxiliares ($\mathrm{H_2O}$ y $\mathrm{OH^-}$) y los electrones intercambiados.
2. b) Deduce la ecuación iónica global neta balanceada y justifica cuantitativamente el concepto de dismutación a partir de los estados de oxidación del cloro.

En disolución básica, el anión permanganato, $\mathrm{MnO_4^-}$, es capaz de oxidar al anión sulfito, $\mathrm{SO_3^{2-}}$, produciendo dióxido de manganeso sólido, $\mathrm{MnO_2(s)}$, y anión sulfato, $\mathrm{SO_4^{2-}}$.

1. a) Escribe y ajusta mediante el método del ion-electrón en medio básico las semirreacciones de oxidación y reducción, detallando el balance de átomos mediante $\mathrm{H_2O}$ y $\mathrm{OH^-}$, así como el de cargas con electrones.
2. b) Obtén la ecuación iónica global neta y comprueba explícitamente que la carga total de los reactivos coincide con la de los productos.

En disolución ácida con ácido sulfúrico, $\mathrm{H_2SO_4}$, el permanganato de potasio, $\mathrm{KMnO_4}$, oxida cuantitativamente al ácido oxálico (etanodioico), $\mathrm{H_2C_2O_4}$, produciendo dióxido de carbono gaseoso, $\mathrm{CO_2(g)}$, y sulfato de manganeso(II), $\mathrm{MnSO_4(aq)}$.

1. a) Escribe y ajusta por el método del ion-electrón las semirreacciones correspondientes y obtén la ecuación iónica y molecular completa balanceada.
2. b) Se toman $25.0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de ácido oxálico acidulada con $\mathrm{H_2SO_4}$. Para alcanzar el punto final rosa tenue persistente del propio permanganato en la valoración redox, se consumen con precisión $18.4\,\text{mL}$ de una disolución patrón de $\mathrm{KMnO_4}$ de concentración $0.0250\,\text{M}$. Calcula la concentración molar del ácido oxálico analizado.

En solución fuertemente alcalina con hidróxido de sodio, $\mathrm{NaOH}$, el sólido hidróxido de cromo(III), $\mathrm{Cr(OH)_3}$, es oxidado por el ion hipoclorito, $\mathrm{ClO^-}$, transformándose en aniones solubles cromato, $\mathrm{CrO_4^{2-}}$, mientras que el cloro se reduce a ion cloruro, $\mathrm{Cl^-}$.

1. a) Balancea mediante el método del ion-electrón en medio básico la ecuación iónica global neta y formula la reacción molecular completa considerando sales de sodio.
2. b) Se parte de $5.15\,\text{g}$ de $\mathrm{Cr(OH)_3}$ y un exceso de solución de $\mathrm{NaClO}$ en presencia de $\mathrm{NaOH}$. Calcula la masa en gramos de cromato de sodio, $\mathrm{Na_2CrO_4}$, obtenida si el rendimiento global del proceso es del $82.0\,\%$.

Datos de masas atómicas: $\mathrm{H}=1.0\,\text{u}$; $\mathrm{O}=16.0\,\text{u}$; $\mathrm{Na}=23.0\,\text{u}$; $\mathrm{Cl}=35.5\,\text{u}$; $\mathrm{Cr}=52.0\,\text{u}$.

En solución ácida con ácido sulfúrico, el dicromato de potasio, $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$, reacciona con el peróxido de hidrógeno, $\mathrm{H_2O_2}$. En esta reacción, el cromo se reduce a catión cromo(III), $\mathrm{Cr^{3+}}$, mientras que el peróxido actúa como reductor desprendiendo oxígeno gaseoso, $\mathrm{O_2(g)}$.

1. a) Balancea mediante el método del ion-electrón en medio ácido las semirreacciones y obtén la ecuación iónica global balanceada.
2. b) Se mezclan $40.0\,\text{mL}$ de una solución acuosa de $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$ $0.125\,\text{M}$ con un exceso de solución acidulada de $\mathrm{H_2O_2}$. Calcula el volumen de $\mathrm{O_2(g)}$, expresado en litros, que se recolectará a una temperatura de $295\,\text{K}$ y una presión de $1.02\times 10^5\,\text{Pa}$.

Dato: $R = 8,314\,\text{J}\times\text{mol}^{-1}\times\text{K}^{-1} = 8,314\times 10^{-2}\,\text{bar}\times\text{L}\times\text{mol}^{-1}\times\text{K}^{-1}$; considera $1\,\text{Pa} = 10^{-5}\,\text{bar}$. Considera gas seco ideal y ausencia de descomposición secundaria del peróxido.