Concentración de disoluciones

Para estudiar la estequiometría en disoluciones, es necesario conocer la cantidad de los reactivos presentes en una disolución y saber controlar las cantidades utilizadas de reactivos para llevar a cabo una reacción en disolución acuosa.

La concentración de una disolución es la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolvente o de disolución. La concentración de una disolución se puede expresar en muchas formas distintas, para este texto consideraremos una de las unidades más utilizadas en la química, la molaridad (M), o concentración molar, que es el número de moles de soluto en 1 litro (L) de disolución. La molaridad se define por la ecuación:

M = molaridad = (moles de soluto / litros soln)

donde "soln" significa "disolución". Así, una disolución 1.46 molar de glucosa (C6H12O6), escrita como 1.46 M de C6H12O6 contiene 1.46 moles de soluto (C6H12O6) en 1 L de la disolución; una disolución 0.52 molar de urea [(NH3)2CO)], escrita como 0.52 M de (NH3)2CO), contiene 0.52 moles de (NH3)2CO) (el soluto) en 1 L de disolución y así sucesivamente.

Por supuesto que no siempre se trabaja con volúmenes de disolución exactamente de 1 L. Esto no represente problema alguno si se hace la conversión del volúmen de la disolución a litros. Así, una disolución de 500 mL que contiene 0.730 moles de C6H12O6 también tiene una concentración 1.46 M:

M = molaridad = (0.730 mol / 0.500 L)

                        = 1.46 mol / L  = 1.46 M

Como se puede ver, la unidad de molaridad es moles por litro, por lo que una disolución de 500 mL, que contiene 0.730 moles de C6H12O6 equivalen a 1.46 mol/L, o 1.46 M. Observe que, al igual que la densidad, la concentración es una propiedad intensiva, por lo que su valor no depende de la cantidad de disolución.

Número de oxidación

Las definiciones de oxidación y reducción, en términos de pérdida y ganancia de electrones, se aplican a la formación de compuestos iónicos como el CaO y a la reducción de iones Cu²⁺por Zn. Sin embargo, estas definiciones no se aplican a la formación del cloruro de hidrógeno (HCl) ni del dióxido de azufre (SO2):

H2(g)  +  Cl(g)  -->  2HCl(g)

S(s)  +  O2(g)  -->  SO2(g)

Como el HCl y el SO2 no son compuestos iónicos, sino moleculares, en realidad no se transfieren electrones durante la formación de estos compuestos, lo que si sucede en el caso del CaO. No obstante, los químicos tratan estas reacciones como reacciones redox porque experimentalmente se observa que hay una transferencia parcial de electrones (de H al Cl en el HCl, y de S al O en el SO2).

Para tener un seguimiento de los electrones en las reacciones redox, es conveniente asignar números de oxidación a los reactivos y productos. El número de oxidación de un átomo, también llamado estado de oxidación, significa el número de cargas que tendría un átomo en una molécula (o en un compuesto iónico) si los electrones fueron transferidos completamente. Por ejemplo, las ecuaciones anteriores para la formación de HCl y se podrían escribir como:

0           0       ,      +1-1

H2(g)  +  Cl(g)  -->  2HCl(g)

0           0       ,      +4-2

S(s)  +  O2(g)  -->  SO2(g)

Los números colocados encima de los símbolos de los elementos son los números de oxidación. En ninguna de las dos reacciones hay cargas en los átomos de las moléculas de reactivos. Por tanto, su número de reacción es cero. Sin embargo, para las moléculas de los productos se supone que ha habido una transferencia completa de electrones y los átomos ganaron o perdieron electrones. Los números de oxidación reflejan el número de electrones "transferidos".

Los números de oxidación permiten identificar los elementos que se han oxidado y reducido. Los elementos que muestran un aumento en el número de oxidación, el hidrógeno y el azufre en los ejemplos anteriores, se han oxidado. El cloro y el oxígeno se han reducido, porque los números de oxidación son menores que al inicio de la reacción. Observe que la suma de los números de oxidación del H y del Cl en el HCl (+1 y -1) es cero. Asimismo, si se añaden cargas (+4) en el S y en los dos átomos de O [2 X (-2)], el total es cero. La razón de esto es que las moléculas de HCl y SO2 son neutras y por lo tanto se deben cancelar las cargas.

Reacciones de oxidación-reducción

Mientras que las reacciones ácido-base se caracterizan por un proceso de transferencia de protones, las reacciones de oxidación-reducción, o reacciones redox, se consideran como reacciones de transferencia de electrones. Las reacciones de oxidación-reducción forman una parte importante del mundo que nos rodea. Abarcan desde la combustión de combustibles fósiles hasta la acción de blanqueadores domésticos. Asimismo, la mayoría de los elementos metálicos y no metálicos se obtienen a partir de sus minerales por procesos de oxidación o de reducción.

Muchas reacciones redox importantes se llevan a cabo en agua, pero esto no implica que todas las reacciones redox sucedan en medio acuoso. Considere, por ejemplo, la formación de óxido de calcio (CaO) a partir de calcio y oxígeno.

2Ca(s)  +  O2(g)  -->  2CaO(s)

El óxido de calcio (CaO) es un compuesto iónico formado por iones Ca²⁺ y O². En esta reacción, dos átomos de Ca ceden o transfieren cuatro electrones a dos átomos de O (en el O2). Por conveniencia, este proceso se visualiza como dos etapas, una implica la pérdida de cuatro electrones por los dos átomos de Ca, y la otra, la ganancia de los cuatro electrones por una molécula de O2.

2Ca  -->  2Ca²⁺  +  4e^-

O2  +  4e^-  -->  2O^2-

Cada una de estas etapas se denominan semirreacción, y explícitamente muestran los electrones  transferidos en la reacción redox. La suma de las semirreaciones produce la reacción global.

2Ca  +  O2  +  4e^-  -->  2Ca²⁺  + 2O^2- +  4e^-

o, si se cancelan los electrones que aparecen en ambos lados de la ecuación.

2Ca  +  O2  -->  2Ca²⁺  + 2O^2-

Por último, los iones Ca y O se combinan para formar CaO;

2Ca²⁺  + 2O^2-  -->  2CaO

Por convenio, no se muestran las cargas en las fórmula de un compuesto iónico por lo que el óxido de calcio normalmente se presenta como CaO y no como 2Ca²⁺O^-. 

El término reacción de oxidación se refiere a la semirreacion que implica la pérdida de electrones. Antiguamente, los químicos empleaban el término "oxidación" para expresar la combinación de elementos con oxígeno. Sin embargo, actualmente tiene un significado más amplio ya que también incluye reacciones en las que no participa el oxígeno. Una reacción de reducción es una semirreacción que implica una ganancia de electrones. En la formación de óxido de calcio, el calcio de oxida. Se dice que actúa como agente reductor porque dona electrones al oxígeno y hace que se reduzca. El oxígeno se reduce y actúa como un agente oxidante porque acepta electrones del calcio y hace que este se oxide.Observe que la magnitud de la oxidación en una reacción redox debe ser igual a la magnitud de la reducción, es decir, el número de electrones que pierde un agente reductor debe ser igual al número de electrones ganados por un agente oxidante.