Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12

19Los metales: reacciones con los ácidos y corrosión

En un puerto, el casco de acero de un viejo pesquero está surcado de regueros anaranjados de herrumbre. En el muelle, una verja recubierta de cinc lleva treinta años bajo la lluvia y sigue teniendo un brillo gris apagado. En un museo, un anillo de oro enterrado durante tres mil años brilla como el día en que se hizo. Los metales no se enfrentan al mundo todos de la misma manera: a unos los atacan el agua, el aire y los ácidos, y a otros apenas.

Lo que ya sabes

Los iones son átomos con carga; los metales dan cationes como $\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Zn^{2+}}$ , $\ce{Al^{3+}}$ , que se identifican mediante ensayos de precipitación (Capítulo 17). Una disolución ácida contiene muchos iones $\ce{H+(aq)}$ (Capítulo 18). El hidrógeno arde con un pop agudo en la boca de un tubo de ensayo (Capítulo 10).

El casco de un barco viejo: el acero se está oxidando.

19.1 Los metales en ácido clorhídrico

En el laboratorio — Tres metales en ácido

El profesor echa un trocito de hierro, uno de cinc y uno de cobre en tres tubos de ensayo con ácido clorhídrico diluido. Del hierro y del cinc suben burbujas, despacio del hierro y con viveza del cinc, y los metales van desapareciendo poco a poco; al cobre no le pasa nada. El gas, recogido en un tubo pequeño, da un pop agudo: es hidrógeno. Con hidróxido de sodio, el líquido del primer tubo da un precipitado verde (iones $\ce{Fe^{2+}}$ ), y el del segundo, uno blanco (iones $\ce{Zn^{2+}}$ ).

Hierro, cinc y cobre en ácido clorhídrico diluido: el hierro y el cinc desprenden hidrógeno; el cobre no reacciona.

Proposición 19.1 (Metal más ácido)

Muchos metales (el hierro, el cinc, el aluminio, el magnesio) reaccionan con los iones $\ce{H+}$ de un ácido: el metal desaparece en forma de iones metálicos, que quedan disueltos, y se desprende hidrógeno gaseoso. El cobre, la plata y el oro no reaccionan con el ácido clorhídrico.

19.2 Escribir la ecuación con iones

Definición 19.2 (Ion espectador)

Un ion que está presente en una disolución durante una reacción pero no interviene en ella, y que se encuentra sin cambios al final, es un ion espectador. Se omite en la ecuación.

Ejemplo 19.3 (El hierro y el cinc en ácido clorhídrico)

El ácido clorhídrico contiene iones $\ce{H+(aq)}$ y $\ce{Cl-(aq)}$ . Los iones cloruro se encuentran sin cambios al final: son espectadores. Las ecuaciones son

\ce{Fe(s) + 2H+(aq) -> Fe^{2+}(aq) + H2(g)}, \qquad \ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}.

Están ajustadas tanto en átomos como en cargas: $+2$ en cada miembro.

Método 19.4 (Escribir la ecuación de un metal con un ácido)

Reactivos: el metal (s) y los iones $\ce{H+(aq)}$ .
Productos: el ion metálico (aq), con su carga habitual, y el hidrógeno $\ce{H2(g)}$ .
Ajustar los átomos y comprobar después que la carga total es la misma en los dos miembros.

Para el aluminio: $\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ ; carga $+6$ en cada miembro.

Seguridad

El hidrógeno que se desprende es extremadamente inflamable. La reacción la hace el profesor en tubos de ensayo pequeños, lejos de cualquier llama salvo la que se usa para el ensayo del pop.

19.3 La corrosión

Definición 19.5 (Corrosión y herrumbre)

La corrosión es el ataque lento de un metal por las sustancias que lo rodean (el oxígeno, el agua, los ácidos, las sales), que convierte el metal en iones o en compuestos como los óxidos. La corrosión del hierro y del acero produce herrumbre, un óxido de hierro hidratado, pardo y quebradizo, que se desprende en escamas y deja que el ataque siga más adentro.

Proposición 19.6 (Lo que necesita el hierro para oxidarse)

El hierro solo se oxida cuando le llegan a la vez el oxígeno y el agua. La sal disuelta en el agua, como en las carreteras a las que se echa sal en invierno o junto al mar, acelera la oxidación.

En el laboratorio — Tres clavos, una semana

Se colocan tres clavos de hierro limpios en tres tubos de ensayo: el primero con aire seco y un desecante que elimina el vapor de agua; el segundo en agua hervida para eliminar el aire disuelto, cubierta con una capa de aceite; el tercero, mitad en agua del grifo y mitad en el aire. Al cabo de una semana, solo el tercer clavo está oxidado.

El experimento de los tres clavos: el hierro solo se oxida donde le llegan juntos el agua y el oxígeno, aquí en la superficie del agua.

Ejemplo 19.7 (El aluminio y el cobre se protegen solos)

El oxígeno del aire ataca enseguida el aluminio, pero la fina capa de óxido que se forma se adhiere al metal y lo aísla del aire: las ventanas de aluminio duran décadas. El cobre, atacado lentamente por el aire, el agua y el dióxido de carbono, se cubre de una costra verde, la pátina, que también se adhiere y protege el metal de debajo. La herrumbre, en cambio, se desprende en escamas.

La estatua de la Libertad: su piel de cobre está cubierta de una pátina verde. Foto: Elcobbola, dominio público.

19.4 Proteger los metales

Definición 19.8 (Galvanizado)

El galvanizado consiste en recubrir el acero con una capa de cinc, sumergiéndolo en cinc fundido. El aire y el agua atacan el cinc en lugar del acero de debajo: incluso donde el recubrimiento está rayado, el cinc cercano se corroe primero y el acero se libra.

Proposición 19.9 (Formas de proteger el hierro y el acero)

mantener lejos el agua y el aire: pintura, aceite, grasa, un recubrimiento de plástico;
galvanizar: una capa de cinc que se corroe en lugar del acero;
usar acero inoxidable, una aleación de hierro con cromo, que se protege a sí misma con una fina capa de óxido aislante;
fijar bloques de cinc a los cascos de los barcos: el cinc se va consumiendo poco a poco en lugar del acero y se sustituye de vez en cuando (cómo funciona se explica en un volumen universitario).

19.5 Ejercicios

Ejercicio 19.1 ★

¿Qué gas se desprende cuando el cinc reacciona con el ácido clorhídrico? ¿Cómo se identifica?

Solución

Solución de Ejercicio 19.1.

Hidrógeno: una astilla encendida en la boca del tubo da un pop agudo.

Ejercicio 19.2 ★

¿Cuáles de estos metales reaccionan con el ácido clorhídrico diluido: el hierro, el cobre, el cinc, el oro, el aluminio?

Solución

Solución de Ejercicio 19.2.

Reaccionan el hierro, el cinc y el aluminio; el cobre y el oro, no.

Ejercicio 19.3 ★

¿Qué necesita el hierro para oxidarse?

Solución

Solución de Ejercicio 19.3.

Oxígeno y agua, los dos a la vez.

Ejercicio 19.4 ★

¿Qué es un ion espectador? Nombra el ion espectador cuando el hierro reacciona con el ácido clorhídrico.

Solución

Solución de Ejercicio 19.4.

Un ion presente durante una reacción que no interviene en ella. Con el ácido clorhídrico: el ion cloruro $\ce{Cl-}$ .

Ejercicio 19.5 ★★

Escribe la ecuación de la reacción del magnesio con los iones $\ce{H+}$ de un ácido (el ion magnesio es $\ce{Mg^{2+}}$ ). Comprueba las cargas.

Solución

Solución de Ejercicio 19.5.

$\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^{2+}(aq) + H2(g)}$ ; carga $+2$ en cada miembro.

Ejercicio 19.6 ★★

Después de que el hierro haya reaccionado con el ácido clorhídrico, ¿cómo puedes mostrar que la disolución contiene iones hierro(II)?

Solución

Solución de Ejercicio 19.6.

Añadir hidróxido de sodio: un precipitado verde de $\ce{Fe(OH)2}$ indica iones hierro(II).

Ejercicio 19.7 ★★

Mira la figura de los tres clavos. ¿Por qué el agua del segundo tubo se ha hervido y se ha cubierto con aceite?

Solución

Solución de Ejercicio 19.7.

Al hervirla se elimina el aire disuelto en el agua, y el aceite impide que el aire vuelva a disolverse: el clavo tiene agua, pero no oxígeno.

Ejercicio 19.8 ★★

¿Por qué un coche se oxida más deprisa en una ciudad donde se echa sal en las calles en invierno?

Solución

Solución de Ejercicio 19.8.

La sal disuelta en el agua que salpica el coche acelera la oxidación.

Ejercicio 19.9 ★★

¿Por qué las ventanas de aluminio no se corroen hasta desaparecer, aunque el aluminio reaccione con el oxígeno del aire?

Solución

Solución de Ejercicio 19.9.

La capa de óxido que se forma se adhiere al metal y lo aísla del aire: el ataque se detiene en la superficie.

Ejercicio 19.10 ★★

Da tres maneras de proteger de la herrumbre el cuadro de acero de una bicicleta.

Solución

Solución de Ejercicio 19.10.

Pintarlo, aceitarlo o engrasarlo, galvanizarlo (o fabricarlo de acero inoxidable).

Ejercicio 19.11 ★★★

Escribe y comprueba la ecuación de la reacción del aluminio con los iones $\ce{H+}$ de un ácido. ¿Cuántas moléculas de hidrógeno se forman por cada 200 átomos de aluminio?

Solución

Solución de Ejercicio 19.11.

$\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ : 2 Al y 6 H en cada miembro, carga $+6$ en cada miembro. Para 200 átomos de Al: $200 \times \frac{3}{2} = 300$ moléculas de hidrógeno.

Ejercicio 19.12 ★★★

Un cubo de acero galvanizado tiene una raya que llega hasta el acero. Explica por qué el acero del fondo de la raya tarda mucho en oxidarse.

Solución

Solución de Ejercicio 19.12.

El cinc de alrededor de la raya se corroe en lugar del acero: mientras quede cinc cerca, el acero se libra.

19.6 Problema: ¿Qué espesor tiene el cinc?

Problema 19.1

Problema de fin de semana — disolver el recubrimiento de cinc de una chapa galvanizada para averiguar qué espesor tenía

Una chapa de acero galvanizado, un cuadrado de $10.0\,\mathrm{cm}$ de lado, está recubierta de cinc por las dos caras (se desprecian los bordes). En un laboratorio, el profesor la pesa, $125.6\,\mathrm{g}$ , y luego la sumerge en ácido clorhídrico que contiene un aditivo que impide que el ácido ataque el acero. Cuando deja de burbujear, la chapa se enjuaga, se seca y se vuelve a pesar: $113.5\,\mathrm{g}$ . La masa de $1\,\mathrm{cm}^{3}$ de cinc es $7.13\,\mathrm{g}$ .

Parte I — La reacción.

Escribe la ecuación de la reacción del cinc con los iones $\ce{H+}$ del ácido.
¿Qué gas produce el burbujeo? Describe su ensayo.
¿Qué ensayo mostraría después los iones cinc en la disolución?
Nombra los iones espectadores.

Parte II — El cinc.

¿Qué masa de cinc se ha disuelto?
¿Por qué el burbujeo indica que todavía no se ha disuelto todo el cinc?
¿Qué le pasaría al acero si el ácido no contuviera el aditivo? ¿Qué ensayo lo mostraría entonces?
¿Por qué el cinc protege el acero de la chapa mientras sigue ahí?

Parte III — El espesor.

¿Cuál es la superficie total recubierta de la chapa, en $\mathrm{cm}^{2}$ ?
¿Qué volumen ocupaba el cinc?
Deduce el espesor de la capa de cinc, en centímetros.
Expresa ese espesor en micrómetros ( $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,000\,\text{µ}\mathrm{m}$ ).

Solución

Solución de Problema 19.1.

1. $\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}$ .

2. Hidrógeno: un pop agudo con una astilla encendida.

3. El hidróxido de sodio da un precipitado blanco de $\ce{Zn(OH)2}$ .

4. Los iones cloruro $\ce{Cl-}$ .

5. $125.6 - 113.5 = 12.1\,\mathrm{g}$ .

6. Se desprende hidrógeno mientras el cinc reacciona con el ácido; cuando ya no queda cinc, el burbujeo se detiene.

7. El hierro del acero también reaccionaría, dando hidrógeno e iones $\ce{Fe^{2+}}$ ; el hidróxido de sodio daría entonces un precipitado verde.

8. El cinc es atacado en lugar del acero y mantiene el agua y el aire lejos de él.

9. $2 \times 10.0 \times 10.0 = 200\,\mathrm{cm}^{2}$ .

10. $12.1 \div 7.13 \approx 1.70\,\mathrm{cm}^{3}$ .

11. $1.70 \div 200 = 0.0085\,\mathrm{cm}$ .

12. $0.0085 \times 10\,000 = 85\,\text{µ}\mathrm{m}$ : la capa de cinc tenía unos $85\,\text{µ}\mathrm{m}$ de espesor.

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