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.

Una indeseable reacción de precipitación

La piedra caliza ( CaCO3) y la dolomita ( CaCO3 .MgCO3), que se encuentran bastante extendidas en la superficie de la Tierra, a menudo penetran en los suministros de agua. El carbonato de calcio es insoluble en agua. Sin embargo, en presencia de dióxido de carbono disuelto (de la atmósfera), el carbonato de calcio se transforma en bicarbonato de calcio soluble, Ca(HCO3)2:

CaCO3(s)  +  CO2(ac)  +  H2O(l)  -->  Ca²⁺(ac)  +  2HCO3^-(ac)

donde HCO3^-; es el ión bicarbonato.

El agua que contiene iones Ca²⁺ y/o Mg²⁺  se conoce como agua dura y el agua que prácticamente está libre de estos iones recibe el nombre de agua blanda. El agua dura es inadecuada para algunos usos domésticos e industriales.

Cuando el agua que contiene iones Ca²⁺ y HCO3^-;se calienta o se hierve, se invierte la reacción de disolución para producir precipitado de CaCO3.

  Ca²⁺(ac)  +  2HCO3^-(ac)  -->  CaCO3(s)  +  CO2(ac)  +  H2O(l)

y el dióxido de carbono gaseoso es expulsado de la disolución:

CO2(ac)   -->   CO2(g)

El carbonato de calcio sólido asi formado es el componente principal de la incrustación que se acumula en los calentadores, calderas, tuberías y cafeteras. Esta gruesa capa de incrustación reduce la transferencia de calor y disminuye la eficiencia y durabilidad de calentadores, tuberías y utensillos. En las tuberías domésticas de agua caliente puede restringir o bloquear totalmente el flujo de agua. Para eliminar estos depósitos, los plomeros utilizan un método sencillo que consiste en introducir una pequeña cantidad de ácido clorhídrico, que reacciona con el CaCO3 y lo disuelve.

Energía de ionización

La primera energía de ionización, (EI₁) también conocida como primer potencial de ionización, es:

La cantidad mínima de energía que se requiere para remover al electrón enlazado con menor fuerza en un átomo aislado para formar un ion con carga +1.

Por ejemplo para el calcio, la primera energía de ionización, (EI₁), es 590 kJ/mol:

Ca(g) + 590 kJ     --------> Ca⁺(g) + e

La segunda energía de ionización (EI₂), es la cantidad de energía que se requiere para desplazar al segundo electrón. En el caso del calcio se representa asi:

 Ca⁺(g) + 1145 kJ  -------> Ca²⁺(g) + e

Para un elemento dado, (EI₂) siempre es mayor que (EI₁) porque siempre es más dificil desplazar a un electrón de un ion con carga positiva que del átomo neutro correspondiente.

Las energías de ionización miden la fuerza con que los electrones se encuentran enlazados a los átomos. En la ionización siempre se requiere energía para eliminar a un electrón de la fuerza de atracción del núcleo. Las energías de ionización bajas indican que los electrones se eliminan con facilidad y por lo tanto, se forma fácilmente un ion positivo (catión).

El conocimiento de los valores relativos de las energías de ionización ayudan a predecir si es probable que el elemento forme compuestos ionicos o moleculares (covalentes). Los elementos con energía de ioniazación bajas forman compuestos ionicos al perder electrones, dando lugar a iones con carga positivas (cationes). Los elementos con energía de ionización intermedia, por lo general, forman compuestos moleculares compartiendo electrones con otros elementos. Los elementos con energía de ionización muy alta, por elemplo el grupo VIA y el VIIA, a menudo ganan electrones para formar iones con carga negativa (aniones).