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.

Ecuaciones moleculares y ecuaciones iónicas

La ecuación: 

Pb(NO3)2 (ac)  +  2NaI(ac)   -->   PbI2(s)   +   2NaNO3(ac) 

la denominamos ecuación molecular porque las fórmulas de los compuestos están escritas como si todas las especies existieran como moléculas o entidades completas. Una ecuación molecular es útil porque aclara la identidad de los reactivos (es decir, nitrato de plomo y yoduro de sodio). Si se quisiera llevar a cabo esta reacción en el laboratorio, ésta es la ecuacion molecular que debería utilizarse. Sin embargo, una ecuación molecular no describe con exactitud lo que realmente está sucediendo a nivel microscópico.

Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, se separan por completo en los cationes y aniones que los componen. Por ello, para que las ecuaciones se apeguen más a la realidad, deberán indicar de la disociación de los compuestos iónicos en sus aniones. Así la ecuación se escribiría:

Pb²⁺(ac)  +  2NO3^-(ac)  +  2Na⁺(ac)  +  2I^-(ac)   -->   PbI2(s)   +   2Na⁺(ac)  + 2NO3^-(ac)

Esta ecuación ejemplifica una ecuación iónica, en la que se muestran las especies disueltas como iones libres. Una ecuación iónica también incluye a los iones espectadores, es decir, los iones que no participan en la reacción global, en este caso los iones Na⁺ y NO3^-. Como los iones espectadores aparecen en ambos lados de la ecuación y no cambian durante la reacción química, se pueden cancelar. Para centrarse en los cambios que ocurren, se escribe la ecuación iónica neta, que únicamente muestra las especies que realmente participan en la reacción:

Pb²⁺(ac)  +  2I^-(ac)   -->  PbI2(s) 

Los siguientes pasos resumen el proedimiento para escribir ecuaciones iónicas y iónicas netas.

• Escriba la ecuación molecular balanceada para la reacción.
• Vuelva a escribir la ecuación para indicar los iones disociados que se forman en la disolución. Se supone que todos son electrólitos fuertes que, en solución, están completamente disociados en cationes y aniones. Este procedimiento conduce a la ecuación iónica.
• Indique y cancele los iones espectadores en ambos lados de la ecuación para obtener la ecuación iónica neta.

Cantidades de reactivos y productos

Una pregunta que se plantea en el laboratorio y en la industria química es: "¿qué cantidad de productos se obtendrá a partir de cantidades específicas de las materias primas (reactivos)?". O bien, en algunos casos la pregunta se plantea de manera inversa: "¿qué cantidad de materia prima se debe utilizar para obtener una cantidad específica del producto?". Para interpretar una reacción en forma cuantitativa es necesario aplicar el conocimiento de las masas molares y el concepto de mol. La estequiometría es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química.

Independientemente de que las unidades utilizadas para los reactivos (o productos) sean moles, gramos, litros (para los gases) y otras unidades, para calcular la cantidad de producto formado en una ecuación se utilizan moles. Este método se denomina metodo del mol, que significa que los coeficientes estequiométricos en una reacción química se pueden interpretar como el número de moles de cada sustancia. Por ejemplo, la combustion del monóxido de carbono en el aire produce dióxido de carbono:

2CO(g)  +  O2(g)  -->  2CO2(g)

Para los cálculos estequiométricos esta ecuación puede leerse como: "2 moles de monóxido de carbono gaseoso se combinan con 1 mol de oxígeno gaseoso para formar dos moles de dióxido de carbono gaseoso".

El método del mol consta de los siguintes pasos:

1. Escriba las fórmulas correctas para todos los reactivos y productos y haga el balance de la ecuación resultante.
2. Convierta en moles las cantidades de algunas o todas las sustancias conocidas (generalmente los reactivos).
3. Utilice los coeficientes de la ecuación balanceada para calcular el número de moles de las cantidades buscadas o desconocidas (generalmente los productos) en el problema.
4. Utilizando los números calculados de moles y masas molares convierta las cantidades ddesconocidas en las unidades que se requieran (generalmente en gramos).
5. Verifique que la respuesta sea razonable.

Tres tipos de cálculo basado en el método del mol

El paso 1 es un requisito previo para cualquier cálculo estequiométrico. Se debe conocer la identidad de los reactivosy de los productos, y sus relaciones de masa deben considerar la ley de la conservación de la masa (es decir, se debe tener una ecuación balanceada). El paso 2 es el punto crítico para convertir los gramos (u otras unidades) de las sustancias en números de moles. Esta conversion permite analizar la reacción real solo en término de moles.

Para completar el paso 3, es necesario balancear la ecuación lo que ya se hizo en el paso 1. El punto clave aquí es que en una ecuación balanceada, los coeficientes indican la relacion en la cual las moles de una sustancia reaccionan o forman moles de otras sustancias. El paso 4 es semejante al paso 2, excepto que ahora se refiere a las cantidades buscadas en el problema. El paso 5 con frecuencia se subestima, pero es muy importante.

Balance de ecuaciones químicas

Supongamos que desea escribir una ecuación para explicar una reacción química que se acaba de realizar en el laboratorio. ¿Cómo se procede? Puesto que se conocen los reactivos, es posible escribir sus fórmulas químicas. Es más difícil establecer la identidad de los productos. Con frecuencia, es posible predecir el o los productos de reacciones sencillas. En reacciones más complicadas en las que hay tres o más productos, los químicos necesitarán otras pruebas para establercer la presencia de compuestos específicos.

Una vez que se han identificado los reactivos y productos, y que se han escrito sus fórmulas correctas, se acomodan según la secuencia convencional: los reactivos a la izquierda, separados por una flecha de los productos, que se colocan del lado derecho. Es muy probable que la ecuación que se ha escrito en este momento este sin "balancear", es decir que el número de cada tipo de átomos sea diferente en ambos lados de la flecha. En general el balance de una ecuación química se verifica mediante los siguientes pasos:

• Se identifican todos los reactivos y productos, y se escriben sus fórmulas correctas, del lado izquierdo y derecho de la ecuación, respectivamente.
• El balance de la ecuación se emplea probando diferentes coeficientes para igualar el número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación. Se pueden cambiar los coeficientes (los números que anteceden a la fórmula), pero no los subíndices (los números que forman parte de la fórmula). Si se cambian los subíndices se cambia la identidad de la sustancia. Por ejemplo 2NO2  significa "dos moléculas de dióxido de nitrógeno". Pero si se duplican los subíndices se tiene N2O4, que es la fórmula del tetróxido de dinitrógeno, un compuesto totalmente diferente.
• Primero se buscan los elementos que aparecen una sola vez en cada lado de la ecuación y con igual número de átomos: las fórmulas que contengan estos elementos deben tener el mismo coeficiente. Por lo tanto no es necesario ajustar los coeficientes de dichos elementos en este momento. A continuación se buscan los elementos que aparecen solo una vez en cada lado de la ecuación pero con diferente número de átomos. Se hace el balance de estos elementos. Por último, el de los elementos que aparecen en dos o más fórmulas del mismo lado de la ecuación.
• Se verifica la ecuación obtenida para asegurarse de que hay el mismo número total de cada tipo de átomos en ambos lados de la ecuación.

Considere un ejemplo específico. En el laboratorio se pueden preparar pequeñas cantidades de oxígeno gaseoso calentando clorato de potasio (KClO3). Los productos son oxígeno (O2) y cloruro de potasio (KCl), a partir de esta información se escribe:

KClO3  -->  KCl  +  O2

(Para simplificar se omiten los estados físicos de reactivos y productos). Los tres elementos (K, Cl y O) aparecen una sola vez en cada lado de la ecuación pero unicamente K y Cl tienen igual número de átomos en ambos lados de la ecuación. Asi KClO3 y KCl deben tener el mismo coeficiente. El siguiente paso consiste en lograr que el número de átomos de O sean igual en ambos lados de la ecuación. Debido a que hay tres átomos de O del lado izquierdo y dos del lado derecho de la ecuación, estos átomos se igual colocando un 2 a la izquierda de KClO3 y un 3 a la izquierda de O2.

2KClO3  -->  KCl  +  3O2

Por último se igualan los átomos de K y Cl colocando un 2 a la izquierda de KCl:

2KClO3  -->  2KCl  +  3O2

Como verificación final se puede hacer una hoja de balance para reactivos y productos en donde los números entre paréntesis indican el número de átomos de cada elemento.

Reactivos    Productos
K(2)               K(2)
Cl (2)              Cl (2)
O (6)              O (6)

Observer que el balance de esta ecuación también puede efectuarse con coeficientes que sean múltiplo de 2 (para KClO3), 2 (para KCl) y 3 (para O2); por ejemplo:

4KClO3  -->  4KCl  +  6O2

Sin embargo, para el balance de una ecuación se utiliza el conjunto de coeficientes de números enteros más sencillos.

Determinación experimental de fórmulas empíricas

El hecho de que sea posible determinar la fórmula empírica de un compuesto conociendo su composición porcentual, permite identificar experimentalmente los compuestos. El procedimiento es el siguiente. Primero, el análisis químico indica el número de gramos de cada elemento presente en una determinada cantidad del compuesto. Después, las cantidades en gramos se convierten a números de moles. Por ultimo se determina la formula empírica como muestra el siguiente ejemplo.

Considere el compuesto etanol. Cuando el estanol se quema en un aparato se forma dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Debido a que el gas del aparato no contiene carbono ni hidrógeno, se concluye que tanto el carbono (C) como el hidrógeno (H) estaban presentes en el etanol y que también podría haber oxígeno (O). (El oxígeno molecular se agrego en el proceso de combustión, pero parte del oxígeno también puede provenir de la muestra original de etanol).

Las masas de CO2 y H2O producidas pueden determinarse midiendo el aumento en la masa de los abserbentes de CO2 y H2O, respectivamente.Suponga que en un experimento la combustión de 11,5 g de etanol produjo 20,0 g de CO2 y 13,5 g de H2O. Se puede calcular la masa de carbono e hidrógeno en la muestra original de 11,5 g de etanol como sigue:

 Masa de C = 22.0 g de CO2 x(1 mol de CO2/ 44,01 gCO2)x(1mol C/1mol CO2)x(12,01g C /1molC)
                   = 6,00 g C

Masa de H = 13,5 g de H2O x(1mol H2O/12,02g H2O)x(2mol H/1mol H2O)x(1,008g H/ 1mol H)
                  = 1,51 g H

Asi, 11,5 g de etanol contienen 6,00 g de carbono y 1,51 g de hidrógeno. El resto debe ser oxígeno, cuya masa es:

Masa de O = masa de la muestra - (masa de C + masa de H)
                  = 11,5 g - (6,00 g + 1,51 g)
                  = 4,0 g

El número de moles de cada uno de los elementos presentes en 11,5 g de etanol es

Moles de C = 6,00 g C  x (1molC/12,01g C) = 0,500 mol C

Moles de H = 1,51 g H x (1molH/1,008g H) = 1,05 mol H

Moles de O = 4,0 g O x (1molO/16,00g O) = 0,25 mol O

Por lo tanto, la fórmula empírica del etanol es C0,5H1,5O0,25 (el número de moles se redondea a dos cifras significativas). Debido a que el número de átomos debe ser un entero, los subíndices se dividen entre 0,25, que es menor de ellos, y se obtiene la fórmula empírica C2H6O.

Ahora se entiende mejor la palabra "empírica", que literalmente significa "basada solo en la observación de mediciones". La fórmula empírica del etanol se determina por el análisis del compuesto en función de los elementos que lo forman. No es necesario conocer como se encuentran unidos los átomos entre sí en el compuesto.