Índice de [Reacciones en disolución acuosa] o Regresar a Teoría
Este conjunto de ejercicios resueltos se centra en las reacciones
en disolución acuosa y en cómo la molaridad permite cuantificar, con
precisión estequiométrica, las especies que participan en ellas. A
partir de procesos de ionización simple, se analiza la relación entre concentración
de soluto y concentración de iones, así como la diferencia entre cantidad
de sustancia (moles) y concentración, aspecto clave al distinguir propiedades
intensivas y propiedades extensivas. Luego se avanza hacia
situaciones más completas: mezclas de disoluciones, formación de
precipitados, neutralizaciones ácido–base, gravimetrías y titulaciones
redox, donde la identificación del reactivo limitante y la
contabilidad de masa y carga determinan los resultados. Los
problemas incluyen aplicaciones químicas y contextos reales (sangre, agua
dura, análisis de sales, vinagre), reforzando el vínculo entre cálculo
y laboratorio. Resolveremos cada ejercicio mediante dos técnicas
complementarias: el método de factores de conversión y un enfoque de álgebra
simbólica inspirado en los teoremas de Viète, útil para generalizar diluciones,
mezclas y equivalencias.
Química de Brown 15ed.
Reacciones de ionización simple
Muestra 4.12 ¿Cuál es la concentración molar de
cada ion presente en una disolución acuosa 0.025 M de nitrato de
calcio, Ca(NO₃)₂?
Práctica 4.12 ¿Cuál es la relación entre la
concentración de iones potasio (K⁺) y la concentración de
iones carbonato (CO₃²⁻) en una disolución 0.015 M
de carbonato de potasio, K₂CO₃? (a) 1 : 0.015 (b) 0.015 : 1 (c) 1 : 1 (d)
1 : 2 (e) 2 : 1
4.27 ¿Cuántos moles
de protones (H⁺) están presentes en 35.0 mL de una
disolución 4.50 M de ácido nítrico, HNO₃?
4.30a ¿Cuál tendrá la mayor concentración de iones
sodio: 0.25 M NaCl, 0.15 M Na₂CO₃ o 0.075 M Na₃PO₄?
4.30b ¿Cuál contendrá el mayor número de moles de
iones sodio: 20.0 mL de 0.15 M NaHCO₃ o 15.0 mL de 0.04 M Na₂S?
4.31a-c Ignorando reacciones de protólisis, indica la concentración de cada ion o molécula presente en las siguientes disoluciones: (a) 0.35 M de K₃PO₄ (b) 5 × 10⁻⁴ M de CuCl₂ (c) 0.0184 M de CH₃CH₂OH [brown.15ed.4.31.a-c]
4.31d Ignorando reacciones de protólisis, indica la concentración de cada ion o molécula presente en las siguientes disoluciones :una mezcla de 35.0 mL de 0.010 M de Na₂CO₃ y 50.0 mL de 0.200 M de K₂SO₄ Supón que los volúmenes son aditivos. [brown.15ed.4.30.d]
4.77a ¿El número de moles de iones presentes
en una disolución es una propiedad intensiva o una propiedad
extensiva?
4.77b ¿Cuál de las siguientes cantidades contiene más
iones Zn²⁺: 0.10 mol de ZnCl₂ o una disolución 0.10
M de ZnCl₂? Explica tu razonamiento.
4.84 En cada uno de los siguientes pares, indica cuál tiene la mayor concentración de ion cloruro (Cl⁻): (a) una disolución 0.10 M de AlCl₃ o una disolución 0.25 M de LiCl (b) 150 mL de una disolución 0.05 M de MnCl₃ o 200 mL de una disolución 0.10 M de KCl (c) una disolución 2.8 M de HCl o una disolución preparada disolviendo 23.5 g de KCl en agua para formar 100 mL de disolución [brown.15ed.4.84]
4.85a Calcula la concentración de cada ion en las siguientes disoluciones obtenidas por mezcla: 32.0 mL de una disolución 0.30 M de KMnO₄ con 15.0 mL de una disolución 0.60 M de KMnO₄ [brown.15ed.4.85]
4.85b Calcula la concentración de cada ion en las siguientes disoluciones obtenidas por mezcla:60.0 mL de una disolución 0.100 M de ZnCl₂ con 5.0 mL de una disolución 0.200 M de Zn(NO₃)₂ [brown.15ed.4.85.b]
4.85c Calcula la concentración de cada ion al mezclar 4.2 g de cloruro de calcio (CaCl₂) con 150.0 mL de una disolución 0.02 M de cloruro de potasio (KCl). Supón que los volúmenes son aditivos. [brown.15ed.4.85.c]
Estequiometría de reactivo limitante conocido
de la disolución a la masa
Muestra 4.15 ¿Cuántos gramos de Ca(OH)₂ se
necesitan para neutralizar 25.0 mL de una disolución 0.100 M de HNO₃?
Práctica 4.15 ¿Cuántos miligramos de sulfuro de
sodio (Na₂S) se necesitan para reaccionar completamente con 25.00 mL
de una disolución acuosa 0.0100 M de nitrato de cadmio, Cd(NO₃)₂, y
formar un precipitado de CdS(s)? (a) 13.8 mg (b) 19.5 mg (c) 23.5 mg (d)
32.1 mg (e) 39.0 mg
4.35 El agua dura contiene Ca²⁺,
Mg²⁺ y Fe²⁺, los cuales forman una costra con el jabón. Los
ablandadores de agua reemplazan estos iones por Na⁺.
Si 1500 L de agua dura contienen 0.020 M de Ca²⁺
y 0.0040 M de Mg²⁺, ¿cuántos gramos de NaCl
se necesitan para reemplazar estos iones? Ten en cuenta que debe mantenerse el balance
de carga. (a) 1800 g (b) 2100 g (c) 3500 g (d) 4200 g
4.37d Si se requieren 45.3 mL de una disolución 0.108 M de HCl para neutralizar una disolución de KOH, ¿cuántos gramos de KOH deben estar presentes? [brown.15ed.4.37.d]
4.38 Se derrama ácido sulfúrico sobre una mesa de laboratorio. El ácido puede neutralizarse espolvoreando bicarbonato de sodio (NaHCO₃), que reacciona según: 2 NaHCO₃(s) + H₂SO₄(aq) → Na₂SO₄(aq) + 2 H₂O(l) + 2 CO₂(g) El bicarbonato se añade hasta que cesa la efervescencia debida a la formación de CO₂(g). Si se derramaron 27 mL de una disolución 6.0 M de H₂SO₄, ¿cuál es la masa mínima de NaHCO₃ que debe añadirse para neutralizar el ácido? [brown.15ed.4.38]
4.89 ¿Qué masa de NaCl se necesita para precipitar los iones Ag⁺ presentes en 45.0 mL de una disolución 0.2500 M de AgNO₃? [brown.15ed.4.89]
4.90d Si se requieren 42.7 mL de una disolución 0.208 M de HCl para neutralizar una disolución de Ca(OH)₂, ¿cuántos gramos de Ca(OH)₂ deben estar presentes? [brown.15ed.4.90.d]
de la masa a la volumen de disolución
4.37b ¿Qué volumen de una disolución 0.128
M de HCl se necesita para neutralizar 2.87 g de Mg(OH)₂?
de la masa a la molaridad de disolución
4.37c Si se requieren 25.8 mL de una
disolución de AgNO₃ para precipitar todos los iones Cl⁻
presentes en una muestra de 785 mg de KCl (formando AgCl), ¿cuál es la molaridad
de la disolución de AgNO₃?
4.90b ¿Cuántos mililitros de una disolución 0.125 M de H₂SO₄ se necesitan para neutralizar 0.200 g de NaOH? [brown.15ed.4.90.b]
4.90c Si se requieren 55.8 mL de una disolución de BaCl₂ para precipitar todos los iones sulfato presentes en una muestra de 752 mg de Na₂SO₄, ¿cuál es la molaridad de la disolución de BaCl₂? [brown.15ed.4.90.c]
4.91 El olor característico del vinagre se debe al ácido acético (CH₃COOH), que reacciona con el hidróxido de sodio según: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) → H₂O(l) + NaCH₃COO(aq) Si 3.45 mL de vinagre requieren 42.5 mL de una disolución 0.115 M de NaOH para alcanzar el punto de equivalencia en una titulación, ¿cuántos gramos de ácido acético hay en 1.00 cuarto (qt) de este vinagre? [brown.15ed.4.91]
Molaridad a la molaridad
Muestra
4.16 Un método comercial para pelar papas consiste en sumergirlas por un
corto tiempo en una disolución de NaOH y luego retirar la cáscara
mediante aspersión. La concentración de NaOH suele estar entre 3 y 6 M,
por lo que la disolución debe analizarse periódicamente. En uno de estos
análisis, se requieren 45.7 mL de una disolución 0.500 M de H₂SO₄
para neutralizar 20.0 mL de la disolución de NaOH. ¿Cuál es la concentración
de la disolución de NaOH?
Práctica 4.16 ¿Cuál es la molaridad de una
disolución de HCl si 27.3 mL de esta neutralizan 134.5 mL
de una disolución 0.0165 M de Ba(OH)₂? (a) 0.0444 M (b) 0.0813 M (c)
0.163 M (d) 0.325 M (e) 3.35 M
Molaridad a al volumen
4.37a ¿Qué volumen de una disolución 0.115 M de HClO₄ se necesita para neutralizar 50.00 mL de una disolución 0.0875 M de NaOH? [brown.15ed.4.37.a]
4.90a ¿Cuántos mililitros de una disolución 0.120
M de HCl se necesitan para neutralizar completamente 50.0 mL de una
disolución 0.101 M de Ba(OH)₂?
Molaridad en
gravimetrías
Muestra 4.17 La cantidad de Cl⁻
en el suministro municipal de agua se determina titulando la muestra con Ag⁺.
La reacción de precipitación que ocurre durante la titulación es: Ag⁺(aq)
+ Cl⁻(aq)
→ AgCl(s) (a) ¿Cuántos gramos de ion cloruro hay en una muestra de agua si
se requieren 20.2 mL de una disolución 0.100 M de Ag⁺
para reaccionar con todo el cloruro presente? (b) Si la muestra tiene una masa
de 10.0 g, ¿qué porcentaje en masa de Cl⁻
contiene?
Práctica 4.47 Un misterioso polvo blanco es
encontrado en una escena del crimen. Un análisis químico simple concluye que el
polvo es una mezcla de azúcar y morfina (C₁₇H₁₉NO₃), una base débil
similar al amoníaco. El laboratorio toma 10.00 mg del polvo, lo disuelve
en 100.00 mL de agua y lo titula hasta el punto de equivalencia
con 2.84 mL de una disolución estándar 0.0100 M de HCl. ¿Cuál es
el porcentaje de morfina en el polvo blanco? (a) 8.10 % (b) 17.3 % (c) 32.6 % (d) 49.7 % (e) 81.0 %
4.41 Una muestra de 0.5895 g de hidróxido
de magnesio impuro se disuelve en 100.0 mL de una disolución 0.2050
M de HCl. El ácido en exceso requiere 19.85 mL de una disolución 0.1020
M de NaOH para su neutralización. Calcula el porcentaje en masa de
Mg(OH)₂ en la muestra, suponiendo que es la única sustancia que reacciona
con el HCl.
4.94 Una muestra de 1.248 g de roca caliza se pulveriza y luego se trata con 30.00 mL de una disolución 1.035 M de HCl. El ácido en exceso requiere 11.56 mL de una disolución 1.010 M de NaOH para su neutralización. Calcula el porcentaje en masa de carbonato de calcio (CaCO₃) presente en la roca, suponiendo que es la única sustancia que reacciona con el HCl. [brown.15ed.4.94]
Estequiometría de reactivo limitante desconocido
Integrativo 4 Una muestra de 70.5 mg de fosfato de
potasio se añade a 15.0 mL de una disolución 0.050 M de nitrato
de plata, AgNO₃, produciéndose un precipitado. (a) Escribe la ecuación
molecular de la reacción. (b) ¿Cuál es el reactivo limitante? (c)
Calcula el rendimiento teórico, en gramos, del precipitado formado.
4.40 Se mezclan 105.0 mL de una disolución 0.300
M de NaOH con 150.0 mL de una disolución 0.060 M de AlCl₃. (a)
Escribe la ecuación química balanceada de la reacción. (b) ¿Qué precipitado
se forma? (c) ¿Cuál es el reactivo limitante? (d) ¿Cuántos gramos de precipitado se forman? (e) ¿Cuál es la concentración
de cada ion que permanece en disolución?
4.93 Se prepara una disolución mezclando 1.5 g de LiOH con 23.5 mL de una disolución 1.000 M de HNO₃. (a) Escribe la ecuación química balanceada de la reacción que ocurre entre los solutos. (b) Calcula la concentración de cada ion que permanece en disolución. (c) ¿La disolución resultante es ácida o básica? [brown.15ed.4.93]
Especiales
4.39 Una muestra de 4.36 g de un hidróxido de metal alcalino desconocido se disuelve en 100.0 mL de agua. Se añade un indicador ácido–base y la disolución se titula con HCl(aq) 2.50 M. El punto de equivalencia se alcanza tras añadir 17.0 mL del ácido. (a) ¿Cuál es la masa molar del hidróxido? (b) ¿Cuál es la identidad del catión alcalino: Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺ o Cs⁺? [brown.15ed.4.39]
4.92 Una muestra de 8.65 g de un hidróxido de un metal alcalinotérreo desconocido (grupo 2) se disuelve en 85.0 mL de agua. Se añade un indicador ácido–base y la disolución resultante se titula con una disolución 2.50 M de HCl(aq). El indicador cambia de color, señalando que se ha alcanzado el punto de equivalencia, después de añadir 56.9 mL de la disolución de ácido clorhídrico. (a) ¿Cuál es la masa molar del hidróxido metálico? (b) ¿Cuál es la identidad del catión metálico: Ca²⁺, Sr²⁺ o Ba²⁺? [brown.15ed.4.92]
4.80 Una persona que sufre hiponatremia tiene una concentración de iones sodio (Na⁺) en sangre de 0.118 M y un volumen total de sangre de 4.6 L. ¿Qué masa de cloruro de sodio (NaCl) sería necesario añadir para elevar la concentración de Na⁺ hasta 0.138 M, suponiendo que no hay cambio en el volumen sanguíneo? [brown.15ed.4.80]
Química de Chang 10ed
Reacción de ionización
simple
Estequiometría de reactive limitante conocido
de la disolución a la masa
Práctica 4.10 ¿Cuántos gramos de KHP se necesitan para neutralizar 18.64 mL de una disolución 0.1004 M de NaOH? [chang.10ed.p.4.10]
4.79 ¿Cuántos gramos de NaCl se requieren para precipitar la mayor parte de los iones Ag⁺ de 2.50 × 10² mL de una disolución 0.0113 M de AgNO₃? Escribe la ecuación iónica neta de la reacción. [chang.10ed.4.79]
4.92 El SO₂ presente en el aire es uno de los principales responsables del fenómeno de la lluvia ácida. Su concentración puede determinarse titulando con una disolución patrón de permanganato según: 5 SO₂ + 2 MnO₄⁻ + 2 H₂O → 5 SO₄²⁻ + 2 Mn²⁺ + 4 H⁺ Calcula el número de gramos de SO₂ en una muestra de aire si se requieren 7.37 mL de una disolución 0.00800 M de KMnO₄ para la titulación. [chang.10ed.4.92]
4.98 El oxalato de calcio (CaC₂O₄), componente principal de los cálculos renales, es insoluble en agua. Por esta razón puede usarse para determinar la cantidad de iones Ca²⁺ en fluidos como la sangre. El oxalato de calcio aislado de la sangre se disuelve en ácido y se titula con una disolución estandarizada de KMnO₄, como se indica en el Problema 4.95. En una prueba se encuentra que el oxalato de calcio aislado de una muestra de 10.0 mL de sangre requiere 24.2 mL de una disolución 9.56 × 10⁻⁴ M de KMnO₄ para la titulación. Calcula el número de miligramos de calcio por mililitro de sangre. [chang.10ed.4.98]
de la masa al volumen de disolución
de la masa a la molaridad de disolución
Ejemplo 4.10 En un experimento de titulación, un
estudiante encuentra que se requieren 23.48 mL de una disolución de NaOH
para neutralizar 0.5468 g de KHP (ftalato ácido de potasio). ¿Cuál es la
concentración (en molaridad) de la disolución de NaOH?
4.80 La concentración de iones Cu²⁺ en el agua (que también contiene iones sulfato) descargada por cierta planta industrial se determina añadiendo un exceso de una disolución de sulfuro de sodio (Na₂S) a 0.800 L del agua. La ecuación molecular es: Na₂S(aq) + CuSO₄(aq) → Na₂SO₄(aq) + CuS(s) Escribe la ecuación iónica neta y calcula la concentración molar de Cu²⁺ en la muestra de agua si se forman 0.0177 g de CuS(s). [chang.10ed.4.80]
4.85 Se requiere un volumen de 18.68 mL de una
disolución de KOH para neutralizar 0.4218 g de KHP. ¿Cuál es la concentración
(en molaridad) de la disolución de KOH?
Molaridad vs molaridad
Ejemplo 4.12 Se requiere un volumen de 16.42 mL de una disolución 0.1327 M de KMnO₄ para oxidar 25.00 mL de una disolución de FeSO₄ en medio ácido. ¿Cuál es la concentración (en molaridad) de la disolución de FeSO₄? La ecuación iónica neta es: 5 Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8 H⁺ → Mn²⁺ + 5 Fe³⁺ + 4 H₂O [chang.10ed.e.4.12]
4.86 Calcula la concentración (en molaridad) de una disolución de NaOH si se requieren 25.0 mL de dicha disolución para neutralizar 17.4 mL de una disolución 0.312 M de HCl. [chang.10ed.4.86]
4.91 El hierro(II) puede oxidarse mediante una disolución ácida de K₂Cr₂O₇ según la ecuación iónica neta: Cr₂O₇²⁻ + 6 Fe²⁺ + 14 H⁺ → 2 Cr³⁺ + 6 Fe³⁺ + 7 H₂O Si se requieren 26.0 mL de una disolución 0.0250 M de K₂Cr₂O₇ para titular 25.0 mL de una disolución que contiene Fe²⁺, ¿cuál es la concentración molar de Fe²⁺? [chang.10ed.4.91]
4.94 La concentración de una disolución de peróxido de hidrógeno (H₂O₂) puede determinarse convenientemente por titulación con permanganato de potasio estandarizado en medio ácido, según: 2 MnO₄⁻ + 5 H₂O₂ + 6 H⁺ → 5 O₂ + 2 Mn²⁺ + 8 H₂O Si se requieren 36.44 mL de una disolución 0.01652 M de KMnO₄ para oxidar 25.00 mL de una disolución de H₂O₂, calcula la molaridad de la disolución de H₂O₂. [chang.10ed.4.94]
Molaridad a volumen
Ejemplo 4.11 ¿Cuántos mililitros de una
disolución 0.610 M de NaOH se necesitan para neutralizar 20.0 mL
de una disolución 0.245 M de H₂SO₄?
Práctica 4.11 ¿Cuántos mililitros de una
disolución 1.28 M de H₂SO₄ se necesitan para neutralizar 60.2 mL
de una disolución 0.427 M de KOH?
Práctica 4.12 ¿Cuántos mililitros de una disolución 0.206 M de HI se necesitan para reducir 22.5 mL de una disolución 0.374 M de KMnO₄, de acuerdo con la siguiente ecuación: 10 HI + 2 KMnO₄ + 3 H₂SO₄ → 5 I₂ + 2 MnSO₄ + K₂SO₄ + 8 H₂O [chang.10ed.p.4.12]
4.87 Calcula el volumen, en mL, de una disolución 1.420 M de NaOH requerido para titular las siguientes disoluciones: (a) 25.00 mL de una disolución 2.430 M de HCl (b) 25.00 mL de una disolución 4.500 M de H₂SO₄ (c) 25.00 mL de una disolución 1.500 M de H₃PO₄ [chang.10ed.4.87]
4.88 ¿Qué volumen de una disolución 0.500 M
de HCl se necesita para neutralizar cada una de las siguientes
disoluciones? (a) 10.0 mL de una disolución 0.300 M de NaOH (b) 10.0
mL de una disolución 0.200 M de Ba(OH)₂
4.96 Una muestra de 15.0 mL de una disolución de ácido oxálico requiere 25.2 mL de una disolución 0.149 M de NaOH para su neutralización. Calcula el volumen de una disolución 0.122 M de KMnO₄ necesario para reaccionar con una segunda muestra de 15.0 mL de la disolución de ácido oxálico. (Sugerencia: el ácido oxálico es diprótico; usa la ecuación redox del Problema 4.95). [chang.10ed.4.96]
Molaridad vs gas
Molaridad en
gravimetrías
4.93 Una muestra de mineral de hierro (que contiene
únicamente iones Fe²⁺) con masa 0.2792 g se
disuelve en ácido diluido, y todo el Fe(II) se convierte en Fe(III). La
disolución requiere 23.30 mL de una disolución 0.0194 M de K₂Cr₂O₇
para la titulación. Calcula el porcentaje en masa de hierro en el
mineral. (Sugerencia: usa la ecuación balanceada del Problema 4.91).
4.95 El ácido oxálico (H₂C₂O₄) está presente
en muchas plantas y vegetales. Si se requieren 24.0 mL de una disolución
0.0100 M de KMnO₄ para titular hasta el punto de equivalencia 1.00 g
de una muestra de H₂C₂O₄, ¿cuál es el porcentaje en masa de H₂C₂O₄ en la
muestra? La ecuación iónica neta es: 2 MnO₄⁻
+ 16 H⁺
+ 5 C₂O₄²⁻
→ 2 Mn²⁺
+ 10 CO₂ + 8 H₂O
Estequiometría de reactivo limitante desconocido
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