Volumen de NO en una reacción con reactivo impuro y rendimiento

, por F_y_Q

En el laboratorio se puede producir \ce{NO} gaseoso haciendo reaccionar cobre metálico con ácido nítrico diluido, según la siguiente ecuación química:

\ce{3Cu(s) + 8HNO3 (ac) -> 2NO(g) + 3Cu(NO3)2(ac) + 4H2O(l)}

a) Indica cuál es el agente oxidante en esta reacción redox.

b) ¿Qué volumen de ese gas, a 20^oC y 750 mm Hg, se puede preparar a partir de 35 g de cobre y 0.6 moles de ácido nítrico? Considera comportamiento de gas ideal para el óxido de nitrógeno.

c) ¿Cuál sería ese volumen si el cobre a emplear contuviera un 10\% en peso de impurezas no reactivas y se supiera que el rendimiento máximo de la técnica es del 75.6\%?

Datos: Cu = 63.5 ; R = 0.082\ \frac{atm\cdot L}{K\cdot mol}


SOLUCIÓN:

a) El oxidante es el nitrógeno porque es el elemento que se reduce, mientras que el reductor es el cobre porque se oxida.

b) Es necesario determinar cuál de los reactivos es el limitante. Para ello convierte a moles la masa de cobre y la comparas con los moles de \ce{HNO3}:

35\ \cancel{g}\ \ce{Cu}\cdot \frac{1\ mol}{63.5\ \cancel{g}} = 0.55\ mol\ \ce{Cu}

Tienes casi los mismos moles de \ce{Cu} que de \ce{HNO3} pero la estequiometría nos indica que son necesarios 8 moles del ácido por cada 3 moles del metal, por lo que el reactivo limitante es el ácido. Debes referir los cálculos al ácido:

0.6\ \cancel{mol\ \ce{HNO3}}\cdot \frac{2\ mol\ \ce{NO}}{8\ \cancel{mol\ \ce{HNO3}}} = 0.15\ mol\ \ce{NO}

Ahora debes convertir esos moles en volumen usando la ecuación de los gases ideales:

PV = nRT\ \to\ V = \frac{0.15\ \cancel{mol}\cdot 0.082\ \frac{\cancel{atm}\cdot L}{\cancel{K}\cdot \cancel{mol}}\cdot 293\ \cancel{K}}{\frac{750}{760}\ \cancel{atm}} = \fbox{\color{red}{\bm{3.65\ L\ NO}}}

c) Si el cobre tiene impurezas, la masa de cobre que reacciona es menor. La puedes calcular restándole el 10\% a la masa inicial y luego calculas los moles:

(35 - 3.5)\ \cancel{g}\ \ce{Cu}\cdot \frac{1\ mol}{63.5\ \cancel{g}} = 0.5\ mol\ \ce{Cu}

Esta masa de cobre sigue siendo suficiente como para que el reactivo limitante siga siendo el ácido, por lo que no se afectan en nada los cálculos anteriores debido a la pureza del cobre.
Lo que sí debes tener en cuenta es el rendimiento del proceso. Solo tienes que aplicar el porcentaje del rendimiento al cálculo del apartado anterior para poder obtener el nuevo volumen:

3.65\ L\ \ce{NO}\cdot 0.756 = \fbox{\color{red}{\bm{2.76\ L\ NO}}}