Ejercicios Resueltos de Química: Equilibrio Ácido-Base y Redox
Enviado por Chuletator online y clasificado en Química
Escrito el en 
español con un tamaño de 231,33 KB
Evaluación de Conceptos Fundamentales de Química
A continuación, se presentan afirmaciones sobre diversos temas de química, seguidas de su corrección detallada.
Verdadero o Falso Comentado
Una solución reguladora es una mezcla de un ácido o base fuerte con una sal de su conjugado que se usa para mantener un pH de trabajo. // FALSO
Corrección: Una solución reguladora (buffer) está compuesta por un ácido débil y su base conjugada (o viceversa, una base débil y su ácido conjugado), no fuerte. El propósito es resistir cambios significativos de pH ante la adición de pequeñas cantidades de ácido o base fuerte.
Ejemplo clásico: Ácido acético ($\text{CH}_3\text{COOH}$) y acetato de sodio ($\text{CH}_3\text{COONa}$).
Cuando se titula una solución de un ácido fuerte y otra de un ácido débil (ambas con la misma concentración y volumen) con la misma base fuerte, se gasta mayor volumen de base titulando el ácido débil. // FALSO
Corrección: Se gasta el mismo volumen de base, porque lo importante es la cantidad de sustancia (moles) necesaria para alcanzar el punto de equivalencia, no su fuerza. La curva de titulación es diferente (el punto de equivalencia del ácido débil se alcanza a pH básico), pero el volumen equivalente no cambia.
Una solución acuosa de fluoruro de bario ($\text{BaF}_2$) tiene pH 7. $\text{K}_a\_{\text{HF}} = 6.3 \times 10^{-4}$. // FALSO
Corrección: El ion $\text{F}^-$ proviene de un ácido débil (HF), por lo tanto, hidroliza en agua ($\text{F}^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HF} + \text{OH}^-$) y aumenta la concentración de $\text{OH}^-$. La solución es básica ($\text{pH} > 7$).
Los sólidos cristalinos y los sólidos amorfos son similares ya que ambos presentan estructura cristalina con un ordenamiento bien definido. // FALSO
Corrección: Los cristalinos sí tienen un ordenamiento definido a largo alcance; los amorfo no (ej: vidrio). Justamente esa es su diferencia principal.
El complejo tetrahidroxozincato(II) de sodio se escribe $[\text{Zn}(\text{OH})_4]\text{Na}_2$. // FALSO
Corrección: La fórmula correcta es: $\mathbf{\text{Na}_2[\text{Zn}(\text{OH})_4]}$. El anión complejo va entre corchetes y el sodio (catión) se escribe fuera.
En una celda electrolítica, circula corriente para inducir una reacción química no espontánea y de esta manera se produce la reducción en el ánodo (polaridad positiva) y la oxidación en el cátodo (polaridad negativa). // FALSO
Corrección: En una celda electrolítica:
- Ánodo (+): Ocurre la oxidación.
- Cátodo (−): Ocurre la reducción.
La afirmación invierte las reacciones asignadas a los electrodos.
Los metales alcalinotérreos tienden a formar enlaces covalentes al perder sus dos electrones de valencia. // FALSO
Corrección: Los metales alcalinotérreos (Grupo 2) tienden a perder sus dos electrones de valencia para formar iones $\text{M}^{2+}$, y sus compuestos son típicamente iónicos, no covalentes.
En los complejos octaédricos, los orbitales del metal que apuntan directamente a los ligandos experimentan menor repulsión, y por lo tanto, tienen una energía menor. // FALSO
Corrección: En los complejos octaédricos:
Orbitales $e_g$
- Son los orbitales $d_{z^2}$ y $d_{x^2-y^2}$.
- Apuntan directamente hacia los ligandos.
- Reciben mayor repulsión electrostática.
- Tienen mayor energía.
Orbitales $t_{2g}$
- Son los orbitales $d_{xy}$, $d_{xz}$, $d_{yz}$.
- Están situados entre los ejes.
- Reciben menor repulsión y tienen menor energía.
Por eso, la afirmación es incorrecta.
Problemas Prácticos de Estequiometría y Balanceo
Problema 1: Titulación y Cálculo de pH
Se mezclan a $25^{\circ}\text{C}$, $200.0 \text{ cm}^3$ de una solución de ácido sulfúrico ($\text{H}_2\text{SO}_4$) $0.05 \text{ M}$ con $80.0 \text{ cm}^3$ de hidróxido de sodio ($\text{NaOH}$) $0.2 \text{ M}$. Escribir la reacción correspondiente y calcular el pH resultante.
Desarrollo del Problema 1
La reacción de neutralización es:
$$\text{H}_2\text{SO}_4 (ac) + 2\text{NaOH} (ac) \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 (ac) + 2\text{H}_2\text{O} (l)$$
1. Cálculo de moles iniciales:
- Moles de $\text{H}_2\text{SO}_4$: $n_{\text{H}_2\text{SO}_4} = 0.2000 \text{ L} \times 0.05 \text{ mol/L} = 0.0100 \text{ moles}$.
- Moles de $\text{NaOH}$: $n_{\text{NaOH}} = 0.0800 \text{ L} \times 0.2 \text{ mol/L} = 0.0160 \text{ moles}$.
2. Determinación del reactivo limitante y moles restantes:
Según la estequiometría ($1:2$), los $0.0100$ moles de $\text{H}_2\text{SO}_4$ requieren $2 \times 0.0100 = 0.0200$ moles de $\text{NaOH}$. Como solo hay $0.0160$ moles de $\text{NaOH}$, el $\text{NaOH}$ es el reactivo limitante.
Moles de $\text{H}_2\text{SO}_4$ que reaccionan: $0.0160 \text{ moles } \text{NaOH} \times \frac{1 \text{ mol } \text{H}_2\text{SO}_4}{2 \text{ moles } \text{NaOH}} = 0.0080 \text{ moles } \text{H}_2\text{SO}_4$.
Moles de $\text{H}_2\text{SO}_4$ que sobran (en exceso): $0.0100 \text{ moles} - 0.0080 \text{ moles} = \mathbf{0.0020 \text{ moles de } \text{H}_2\text{SO}_4}$.
3. Cálculo de la concentración de $\text{H}^+$:
El $\text{H}_2\text{SO}_4$ es un ácido fuerte y se disocia completamente en su primer protón, y casi completamente en el segundo. Consideraremos la disociación total para el cálculo inicial:
$$\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 2\text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-}$$
Moles de $\text{H}^+$ generados por el exceso: $0.0020 \text{ moles } \text{H}_2\text{SO}_4 \times 2 = 0.0040 \text{ moles de } \text{H}^+$.
4. Cálculo del volumen total y pH:
Volumen total: $V_{\text{total}} = 200.0 \text{ cm}^3 + 80.0 \text{ cm}^3 = 280.0 \text{ cm}^3 = 0.2800 \text{ L}$.
Concentración de $\text{H}^+$: $[\text{H}^+] = \frac{0.0040 \text{ moles}}{0.2800 \text{ L}} \approx 0.014286 \text{ M}$.
$$\text{pH} = -\log[\text{H}^+] = -\log(0.014286) \approx \mathbf{1.84}$$
Problema 2: Balanceo de Reacción Redox
Balancear la siguiente reacción aplicando el método ión-electrón:
Dicromato de potasio + yoduro de potasio + ácido sulfúrico $\rightarrow$ sulfato de potasio + sulfato de cromo (III) + yodo + agua.
Reactivos: Dicromato de potasio $\rightarrow \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$; Yoduro de potasio $\rightarrow \text{KI}$; Ácido sulfúrico $\rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$.
Productos esperados: Sulfato de potasio $\rightarrow \text{K}_2\text{SO}_4$; Sulfato de cromo (III) $\rightarrow \text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3$; Yodo $\rightarrow \text{I}_2$; Agua $\rightarrow \text{H}_2\text{O}$.
Balanceo Ion-Electrón
La reacción en medio ácido involucra los iones principales:
Oxidación:
$$6\text{I}^- \rightarrow 3\text{I}_2 + 6e^-$$
Reducción:
$$\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 14\text{H}^+ + 6e^- \rightarrow 2\text{Cr}^{3+} + 7\text{H}_2\text{O}$$
Suma total (los electrones se cancelan):
$$\mathbf{\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 6\text{I}^- + 14\text{H}^+ \rightarrow 2\text{Cr}^{3+} + 3\text{I}_2 + 7\text{H}_2\text{O}}$$
Balanceo Molecular Final
Reemplazando iones por sus compuestos originales y ajustando los coeficientes estequiométricos:
$$\mathbf{\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + 6\text{KI} + 7\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{I}_2 + 4\text{K}_2\text{SO}_4 + 7\text{H}_2\text{O}}$$
*(Nota: El coeficiente del $\text{K}_2\text{SO}_4$ se ajusta para balancear el potasio y el sulfato restante: $2 \text{ K}$ del dicromato $+ 6 \text{ K}$ del yoduro $= 8 \text{ K}$ totales. $2 \text{ Cr}$ del dicromato forman $2 \text{ Cr}^{3+}$, que requieren $2 \times 3 = 6$ iones sulfato. Quedan $7 - 6 = 1$ ion sulfato para el $ ext{K}_2\text{SO}_4$ proveniente del $ ext{H}_2\text{SO}_4$ que no reaccionó con el cromo. El balance final es $4 \text{ K}_2\text{SO}_4$ para balancear el potasio y el sulfato).*
3
