Reacciones redox y electroquímica: ejercicios de selectividad de Química (Madrid) · PAU Mentor
Reacciones redox y electroquímica: ejercicios de selectividad de Química (Madrid)
18 ejercicios oficiales de Reacciones redox y electroquímica de los exámenes de Química de la PAU de Madrid, con el enunciado y un simulacro con corrección.
En un laboratorio de materiales se estudia la corrosión del cobre en presencia de ácido nítrico diluido, porque esta reacción es la responsable tanto de la disolución de cobre metálico en procesos industriales como de la generación de óxidos de nitrógeno contaminantes. En el proceso de corrosión, el cobre metálico reacciona con el ácido nítrico dando lugar a nitrato de cobre(II), óxido de nitrógeno(II) y agua.
Datos. E° (V): (Cu²⁺/Cu) = 0,34; (NO₃⁻/NO) = 0,96. A 25 °C, Ks(Cu(OH)₂) = 2,2·10⁻²⁰.
a) (1 punto) Ajuste la reacción molecular por el método del ion electrón, indicando cuáles son las semirreacciones de oxidación y reducción.
b) (0,5 puntos) A partir de la reacción del apartado anterior, un estudiante propone reproducir el proceso de corrosión del cobre en una celda electroquímica formada por un electrodo de Cu y otro electrodo inerte de platino, ambos sumergidos en una disolución de HNO₃ 1 M. Identifique el ánodo y el cátodo especificando en qué electrodo tiene lugar la oxidación y en cuál la reducción y calcule el potencial estándar de la pila.
c) (1 punto) Por motivos medioambientales, es importante reducir la cantidad de iones Cu²⁺ presentes en disoluciones acuosas. Se sabe que si añadimos una disolución de NaOH de pH = 9,0, se puede formar un precipitado de Cu(OH)₂, lo que permite eliminar el cobre por filtración. Escriba la ecuación química del equilibrio de solubilidad de Cu(OH)₂, indicando el estado físico de cada especie. Determine la concentración molar de iones Cu²⁺ a partir de la cual comienza a precipitar Cu(OH)₂ al añadir la disolución de NaOH de pH = 9,0 a 25 °C.
El cromo es uno de los metales tóxicos más comunes en la Tierra, responsable de la contaminación de aguas superficiales y subterráneas debido a su uso intensivo en diversas industrias. Entre sus aplicaciones destaca la utilización del dicromato de potasio en la producción de productos pirotécnicos, productos para impresión, en baterías eléctricas, como inhibidor de corrosión, en la industria cerámica o en la obtención de pigmentos.
Una planta industrial que utiliza mineral cromita para la obtención del dicromato descarga aguas residuales que podrían generar contaminación por Cr⁶⁺ en un río cercano. El Cr⁶⁺ es un contaminante peligroso, ya que es mutagénico, carcinogénico y tóxico, y se propaga fácilmente a través de los sistemas acuáticos superficiales y las aguas subterráneas, debido a su alta solubilidad en agua. Para mitigar el daño ambiental, se propone hacer reaccionar el dicromato de potasio con ácido etanodioico (H₂C₂O₄) dando lugar a Cr³⁺ y dióxido de carbono.
Responda razonadamente a las siguientes cuestiones.
Tabla. Potenciales de reducción a 25 °C.
• F₂/F⁻: E° = 2,87 V
• MnO₄⁻/Mn²⁺: E° = 1,51 V
• PbO₂/Pb²⁺: E° = 1,46 V
• Cr₂O₇²⁻/Cr³⁺: E° = 1,33 V
• Fe³⁺/Fe²⁺: E° = 0,77 V
Datos. Masas atómicas (u): H = 1; O = 16; Cr = 52.
a) (1 punto) Formule y ajuste por el método del ion electrón las semirreacciones de oxidación y reducción, y la reacción iónica que tienen lugar. Indique las especies oxidante y reductora.
b) (0,75 puntos) Justifique qué par o pares redox de la Tabla pueden producir también la eliminación de Cr⁶⁺ en medio ácido de manera espontánea. Calcule el potencial del/los sistema/s redox que proponga.
c) (0,75 puntos) El Cr³⁺ y otros cationes metálicos se pueden recuperar de los vertidos del proceso industrial mediante precipitación y decantación en medio básico, por ejemplo, como hidróxido de cromo(III). Sabiendo que a 25 °C la solubilidad de dicho hidróxido es 0,0013 mg·L⁻¹: i) Formule el equilibrio de solubilidad del hidróxido de cromo(III) en agua, indicando el estado de agregación de cada especie. ii) Determine su producto de solubilidad.
El dicromato de potasio reacciona con el cloruro de hierro(II) en disolución de ácido clorhídrico, obteniéndose como productos: cloruro de cromo(III), cloruro de hierro(III), cloruro de potasio y agua.
Datos. Masas atómicas (u): O = 16,0; K = 39,1; Cr = 52,0.
a) (1 punto) Formule y ajuste por el método del ion electrón las semirreacciones de oxidación y reducción. Indique las especies oxidante y reductora. Ajuste la reacción iónica y la molecular.
b) (1 punto) Determine qué masa de dicromato de potasio se necesitará para que reaccione completamente con 50 mL de disolución de cloruro de hierro(II) 0,60 M.
Considere los potenciales de reducción que se indican y conteste razonadamente:
Datos. E°(V): Mn²⁺/Mn = −1,18; Fe²⁺/Fe = −0,44; Pb²⁺/Pb = −0,125; Ag⁺/Ag = 0,80; Au³⁺/Au = 1,52.
a) (1 punto) Combinando dos electrodos de los especificados, justifique cuáles forman la pila con el potencial más positivo. Escriba las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo, y calcule el potencial de dicha pila.
b) (1 punto) Se dispone de dos recipientes con disoluciones de nitrato de plata y nitrato de manganeso(II) y en cada uno se introduce una barra de hierro. ¿En cuál de ellos se formará una capa del otro metal sobre la barra de hierro? Razone la respuesta.
Se electroliza 1,0 L de disolución acuosa de nitrato de plata 0,10 M haciendo pasar, a través de ella, una corriente de 0,50 A y obteniéndose una masa de plata de 4,03 g, depositada en el cátodo.
Datos. R = 0,082 atm·L·mol⁻¹·K⁻¹; F = 96485 C·mol⁻¹; masa atómica (u): Ag = 108,0.
a) (0,5 puntos) Sabiendo que en el ánodo se desprende O₂, escriba las reacciones que tienen lugar en el cátodo y en el ánodo y la reacción molecular.
b) (1 punto) Calcule cuál ha sido el tiempo de duración de la electrólisis, expresado en horas, así como la concentración molar de iones plata que quedan en disolución, una vez finalizada la electrólisis. Suponga que el volumen de la disolución no varía durante la electrólisis.
c) (0,5 puntos) Determine el volumen de oxígeno, en mL, obtenido en el ánodo, durante la electrólisis, medido en condiciones de presión y temperatura de 1,0 atm y 0 ºC, respectivamente.
La reacción de oxidación del sulfato de hierro(II) con el dicromato de potasio, en medio ácido sulfúrico, produce sulfato de hierro(III), sulfato de cromo(III), sulfato de potasio y agua.
a) (1 punto) Utilizando el método del ion electrón escriba ajustadas las semirreacciones de oxidación y reducción y las reacciones iónica y molecular.
b) (1 punto) Calcule los mL de disolución 0,050 M de K₂Cr₂O₇ que son necesarios para oxidar 50 mL de una disolución 0,30 M de sulfato de hierro(II).
Para depositar totalmente el cobre en una célula electrolítica que contiene 800 mL de una disolución acuosa de sulfato de cobre(II), se hace pasar una corriente de 1,50 A durante 3 horas.
Datos. F = 96485 C·mol⁻¹. Masa atómica (u): Cu = 63,5.
a) (0,5 puntos) Escriba la reacción que tiene lugar en el cátodo.
b) (0,75 puntos) Calcule los gramos de cobre depositados.
c) (0,75 puntos) Una vez depositado todo el cobre, calcule el pH de la disolución, sabiendo que la reacción que tiene lugar es: 2 Cu²⁺ (ac) + 2 H₂O (l) → 2 Cu (s) + O₂ (g) + 4 H⁺. Suponga que al finalizar la electrólisis el volumen de la disolución se ha mantenido constante y que en el H₂SO₄ se disocian completamente los dos protones.
Una muestra que contiene sulfuro de calcio se trata con ácido nítrico concentrado hasta reacción completa, según: CaS + HNO₃ → NO + SO₂ + Ca(NO₃)₂ + H₂O
Datos. Masas atómicas (u): S = 32; Ca = 40. R = 0,082 atm·L·mol⁻¹·K⁻¹.
a) (1 punto) Escriba y ajuste por el método del ion electrón las reacciones de oxidación, reducción, iónica y molecular.
b) (1 punto) Sabiendo que al tratar 35 g de la muestra con exceso de ácido se obtienen 20,3 L de NO, medidos a 30 ºC y 780 mm Hg, calcule la riqueza en CaS de la muestra.
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.
Datos. Masas atómicas (u): O = 16,0; S = 32,0; Cu = 63,5. R = 0,082 atm·L·mol⁻¹·K⁻¹.
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 SO₂ que reacciona con 7,0 g de sulfato de cobre(II), a 1,0 atm y 25 °C.
A través de una celda electrolítica que contiene una disolución acuosa de CdSO₄, se hace pasar una corriente de 2,50 A durante 90 minutos, observándose que se deposita Cd y se desprende oxígeno molecular.
Datos. E°(V): Cd²⁺/Cd = –0,40; O₂/H₂O = 1,23. F = 96485 C·mol⁻¹. Masa atómica (u): Cd = 112,4.
a) (1 punto) Escriba las reacciones que se producen en el ánodo y en el cátodo, y la reacción iónica y molecular, ajustadas por el método del ion electrón, indicando el estado de las especies.
b) (1 punto) Calcule los gramos de Cd depositados.
El clorato de potasio, en medio ácido, reacciona con aluminio formándose tricloruro de aluminio, cloro molecular, cloruro de potasio y agua.
Datos. Masas atómicas (u): O = 16,0; Al = 27,0; Cl = 35,5; K = 39,1.
a) (0,5 puntos) Formule y ajuste las semirreacciones de oxidación y reducción que tienen lugar.
b) (0,75 puntos) Ajuste las reacciones iónica y molecular por el método del ion-electrón.
c) (0,75 puntos) Calcule el volumen de una disolución de clorato de potasio de concentración 1,67 g·L⁻¹ que se necesita para oxidar 0,54 g de aluminio.
a) (1 punto) Dibuje el esquema de una pila utilizando como electrodos una barra de cadmio y otra de plata. Identifique todos los elementos que la forman, e indique el sentido del movimiento de los electrones.
b) (1 punto) Escriba las reacciones que tienen lugar en el cátodo y en el ánodo, y calcule el potencial de la pila.
El permanganato de potasio reacciona con el ácido clorhídrico produciendo cloruro de potasio, cloruro de manganeso(II), agua y cloro molecular.
Datos. Masas atómicas (u): H = 1,0; O = 16,0; Cl = 35,5; K = 39,1; Mn = 55,0.
a) (1 punto) Ajuste las reacciones iónica y molecular utilizando el método del ion-electrón. Indique las especies oxidante y reductora.
b) (1 punto) Determine el volumen de ácido clorhídrico comercial del 36% de riqueza en peso y densidad 1,18 g·mL⁻¹ que se necesitará para que reaccionen completamente 5,00 g de permanganato de potasio.
Una pila en medio básico tiene la siguiente notación:
Mn²⁺ (ac, 1 M) │ MnO₂ (s) ││ Au³⁺ (ac, 1 M) │ Au (s)
Datos. E⁰ (V): MnO₂/Mn²⁺ = 1,23; Au³⁺/Au = 1,50.
a) (1 punto) Escriba ajustadas por el método ion-electrón las semirreacciones de oxidación y reducción, indicando el ánodo, el cátodo y qué especies actúan como oxidante y reductora.
b) (1 punto) Determine el potencial de la pila y prediga la espontaneidad del proceso redox.
Se construye una pila formada por un electrodo de zinc, sumergido en una disolución 1 M de Zn(NO₃)₂ y conectado por un puente salino con un electrodo de cobre, sumergido en una disolución 1 M de Cu(NO₃)₂.
Datos. E⁰ (V): Zn²⁺/Zn = −0,76; Cu²⁺/Cu = 0,34.
a) (0,5 puntos) Ajuste las reacciones que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo, y la reacción iónica global.
b) (0,5 puntos) Escriba la notación de la pila y detalle para qué sirve el puente salino.
c) (0,5 puntos) Indique en qué sentido circula la corriente en el conductor eléctrico.
d) (0,5 puntos) Indique en qué electrodo se deposita cobre.
Se puede obtener cloro gaseoso en la oxidación del ácido clorhídrico con ácido nítrico, produciéndose también dióxido de nitrógeno y agua.
Dato. R = 0,082 atm·L·mol⁻¹·K⁻¹.
a) (1 punto) Indique cuál es la especie oxidante y cuál la reductora. Ajuste la reacción iónica global y la reacción molecular por el método del ion-electrón.
b) (1 punto) Sabiendo que el rendimiento de la reacción es del 82%, calcule el volumen de cloro que se obtiene a 25 °C y 1,0 atm, cuando reaccionan 600 mL de una disolución 2,00 M de HCl con ácido nítrico en exceso.
Se hacen reaccionar dicromato de potasio y yoduro de potasio en presencia de ácido sulfúrico, dando lugar a sulfato de cromo (III), yodo y sulfato de potasio.
Dato. Masa atómica: I = 127.
a) (0,75 puntos) Formule las semirreacciones de oxidación y reducción e indique las especies oxidante y reductora.
b) (0,5 puntos) Ajuste la reacción iónica y molecular global por el método del ion-electrón.
c) (0,75 puntos) Determine el volumen de una disolución 0,25 M de dicromato de potasio que se necesita para obtener 5,0 g de yodo.
Responda las siguientes cuestiones a partir de la reacción de oxidación-reducción (no ajustada): Cu²⁺ (ac) + H₂O → Cu (s) + O₂ (g).
Datos. E⁰ (V): Cu²⁺/Cu = 0,34; O₂/H₂O = 1,23. F = 96485 C. Masa atómica: Cu = 63,5.
a) (0,5 puntos) Razone si la reacción se produce de forma espontánea.
b) (0,75 puntos) Escriba las semirreacciones de oxidación y reducción, indicando en qué electrodo se deposita el cobre y en cuál se desprende oxígeno.
c) (0,75 puntos) Determine cuánto cobre se deposita si se hace pasar una corriente de 0,50 amperios a través de 1,0 L de disolución de CuSO₄ 0,2 M durante 4 horas.