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MÓDULO 3 (Nivel: Tercero Medio)

Eje Temático: Química (Reactividad y equilibrio químico – Cinética – Reactividad en Química Orgánica)

Contenidos Curriculares:

Reactividad y equilibrio químico - Termodinámica y equilibrio químico - Reacciones ácido-base - Reacciones de óxido-reducción - Cinética Química

Reacciones de óxido-reducción en solución acuosa

Las reacciones de óxido-reducción o redox, son los procesos químicos en los que tiene lugar alguna variación en el estado de oxidación o número de oxidación. Esta variación es, a su vez, la consecuencia de una transferencia de electrones.

Estado de oxidación: se define como la carga iónica parcial existente sobre un átomo constituyente de una molécula o ión.

Reglas para determinar el Estado de oxidación, EDO:

  • El estado de oxidación del átomo en un elemento es cero. Ejemplos: O en O2, H en H2, Al en el metal, etc. En todos ellos el EDO=0.
  • El EDO de un ión monoatómico es idéntico a su carga. Por ejemplo, para el Cu2+ el EDO del Cu es +2, para el Cl-, el EDO del Cl es –1.
  • Los metales alcalinos siempre que estén formando parte de un compuesto tienen EDO +1, y los metales alcalinos térreos tienen EDO +2 cuando están formando parte de un compuesto.
  • Los halógenos, cuando forman parte de una sal binaria, tienen EDO –1 y los no metales calcógenos, cuando forman parte de una sal binaria, tienen EDO –2.
  • El estado de oxidación del hidrógeno, cuando está formando parte de un compuesto, tiene EDO +1, excepto en los hidruros metálicos donde el EDO es –1.
  • El estado de oxidación del oxígeno en los compuestos es –2, con excepción de los peróxidos; por ejemplo, en el peróxido de hidrógeno o agua oxigenada, H2O2, o en los peróxidos de los metales alcalinos, de fórmula general M2O2 y en los peróxidos de los metales alcalino térreos, de fórmula MO2 donde el EDO del oxígeno es –1.
  • La suma de los estados de oxidación de los átomos componentes de una molécula neutradebe ser igual a cero, e igual a la carga en el caso de los iones poliatómicos.

Ejemplos: Hallar el número de oxidación del carbono en el carbonato de calcio (CaCO3) y del cromo en el ión Dicromato Cr2O7-2.

            CaCO3

 

             Ca       C       O3

             (+2)  +  (X)  +  3(-2)   = 0

 

            2  +  X - 6  = 0     

              X = +4            

 

 

            Cr2 O7-2

 

            Cr2          O7-2

            2 X  +  7(-2)  =  -2

 

            2 X  -  14     =  -2

            2X  =  12

             X  = +6

 

 

Es importante tener claro los conceptos de oxidante, reductor, semirreacción de oxidación y semirreacción de reducción.

Agente Reductor: es la sustancia que contiene el elemento cuyo EDO aumenta. Esta sustancia se oxida y reduce a la otra sustancia.

Agente Oxidante: es la sustancia que contiene el elemento cuyo EDO disminuye. Esta sustancia se reduce y oxida a la otra sustancia.

Semirreacción de oxidación: es el proceso en que un elemento aumenta su EDO, para lo que es necesario que el agente reductor ceda electrones.

Semirreacción de reducción: es el proceso en que un elemento disminuye su EDO, para lo que es necesario que el agente oxidante capte electrones.

Equilibrio de ecuaciones redox

Para el equilibrio de las ecuaciones de oxido-reducción se utiliza el método de ión electrón, para lo cual se debe efectuar un equilibrio de masa que asegure que en los dos miembros de la ecuación exista el mismo número de átomos de cada elemento. Además, deberá haber un equilibrio de cargas eléctricas con el fin de lograr que el número de electrones cedidos en la oxidación del reductor sea igual al de los electrones ganados en la reducción del oxidante.

Reglas para el equilibrio de ecuaciones redox por el método de ión electrón:

- Se escribe la ecuación en forma iónica.

- Se identifican las semirreacciones de oxidación y de reducción y se escribe cada una por separado.

- Se igualan los átomos de cada elemento, excepto hidrógeno y oxígeno, que requieren de una forma especial.

- Igualación de los átomos de oxígeno.

  • En una solución acuosa en medio ácido: por cada átomo de oxígeno que falte, se agrega una molécula de agua.
  • En una solución acuosa en medio alcalino: por cada átomo de oxígeno que falte, se agregan dos iones OH-, y al otro miembro una molécula de agua.

- Igualación de los átomos de hidrógeno.

  • En una solución acuosa en medio ácido: por cada átomo de hidrógeno que falte se agrega un ion hidrógeno.
  • En una solución acuosa en medio alcalino: por cada átomo de hidrógeno que falte, se agrega un ion OH-en el mismo lado y la misma cantidad  de. agua,  en el  otro miembro. 

- Equilibrio de cargas eléctricas: se agregan los electrones necesarios para que el número de cargas eléctricas en los dos miembros de cada semirreacción sea el mismo.

- Se iguala el número de electrones en las dos semirreacciones y se suman para obtener la reacción iónica global.

Ejemplos:         a)   Fe  +  Cu+2                       Fe+3  +  Cu

 

                          Fe                     Fe+3  +        /2

+

                         Reductor

                                    Cu+2  +           Cu      /3

                                   Oxidante

                         

                         2Fe                     2 Fe+3  + 6 ē

                                     

                        3Cu+2  + 6 ē              3 Cu   

                                  

 Ecuación global     2Fe  +  3Cu+2      2Fe+3  +  3Cu

 

                        b)  Equilibrar la siguiente ecuación química en medo ácido

 

                         NO2-   +   Cl-              NO   +   Cl2

 

+

                        NO2-  +  2H+  +  1 ē       NO  + H2O      / 2

                             2Cl-                                      Cl2  + 2 ē      / 1

                       

                                    2NO2- +  4H+  +  2Cl-  2NO  + 2H2O + Cl2

 

Pilas

 

La pila o celda electroquímica es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea, durante el curso de la reacción los electrones fluyen externamente desde el ánodo al cátodo a través de un alambre conductor externo. Veamos el caso del desplazamiento del ión Cu+2  por el Zn, cuya reacción es:

 

                                   Cu+2 (Aq)  +  Zn                     Cu  +  Zn+2 (Aq)

 

 

Al establecer el contacto de los iones Cu con Zn, se produce la transmisión de electrones.

 

flujo

 

Esta distribución particular de electrodos Zn y Cu y de disoluciones  ZnSO4 y CuSO4 se conoce como celda de Daniell. Está formada de la siguiente forma: Un recipiente que contiene una solución de sulfato de cobre (CuSO4), en la cual se encuentra introducida una lamina de cobre.

La otra solución contiene una solución de sulfato de zinc (ZnSO4), dentro de la cual contiene una lamina de zinc.

 

Cuando el circuito se cierra usando conductores metálicos se observa un flujo de corriente desde la lámina de zinc hacia la de cobre. En la superficie de la lamina de zinc (se produce la oxidación como ánodo) y en la lamina de cobre se realiza la reducción (cátodo).