Valoraciones redox

En las reacciones redox se transfieren electrones, mientras que en las reacciones ácido-base se transfieren protones. Del mismo modo en que un ácido se puede valorar con una base, un agente oxidante se puede valorar con un agente reductor, utilizando un procedimiento semejante. Así, por ejemplo, se puede añadir con cuidado una disolución que contenga un agente oxidante a una disolución que contenga un agente reductor. El punto de equivalencia se alcanza cuando el agente reductor es completamente oxidado por el agente oxidante.

Igual que las valoraciones ácido-base, las valoraciones redox por lo general requieren de un indicador que tenga un cambio de color nítido. En presencia de una gran cantidad de agente reductor, el color del indicador es característico de su forma reducida. El indicador adopta el color que tiene en su forma oxidada cuando está en presencia de un medio oxidante. En el punto de equivalencia, o cerca de este, ocurrirá un cambio de color nítido del indicador al pasar de una forma a otra, por lo que el punto de equivalencia puede identificarse fácilmente.

El dicromato de potasio (K₂Cr₂O₂) y el permanganato de potasio (KMnO₄) son dos agentes oxidantes muy comunes. Los colores de los aniones dicromato  y permanganato son muy diferentes de los colores que tienen las especies reducidas.

Estos agentes oxidantes se pueden utilizar por sí mismos como indicador interno de una valoración redox, ya que los colores de las formas oxidada y reducida son muy distintos.

Las valoraciones redox requieren del mismo tipo de cálculo (basados en el método del mol) que las neutralizaciones ácido-base. Sin embargo, la diferencia entre estas radica en que las ecuaciones y la estequiometria tienen a ser más complejas en las reacciones redox.

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.

Masa atómica

La masa de un átomo depende del número que contiene de electrones, protones y neutrones. El conocimiento de la masa de un átomo es importante para el trabajo en el laboratorio. Sin embargo los átomos son partículas extremadamente pequeñas ¡incluso la partículas más pequeña de polvo que puede apreciarse a simple vista contiene 1x10^16 átomos! Obviamente no es posible pesar un solo átomo, pero existen métodos experimentales para determinar su masa en relación con la de otro. El primer paso consiste en asignar un valor a la masa de un átomo de un elemento determinado para utilizarlo como referencia.

Por acuerdo internacional, la masa atómica (algunas veces conocida como peso atómico) es la masa de un átomo, en unidades de masa atómica (uma). Una unidad de mas atómica se define una masa exactamente igual a un doceavo de la masa de un átomo de carbono-12. El carbono-12 es el isótopo del carbono que tiene seis protones y seis neutrones. Al fijar la masa del carbono-12 como 12 uma se tiene el átomo que se utiliza como referencia para medir la masa atómica de los demás elementos. Por ejemplo, ciertos experimentos han demostrado que, en promedio, un átomo de hidrógeno tiene sólo 8,400% de la masa del átomo de carbono-12. De modo que, si la masa de un átomo de carbono-12 es exactamente 12uma, la masa atómica del hidrógeno debe ser 0,084 x 12,00uma, es decir 1.008uma. Con cálculos semejantes se demuestra que la masa atómica de oxígeno es 16,00uma  que la del hierro es 55,85 uma. A pesar de que no se conoce la masa promedio de un átomo de hierro, se sabe que es alrededor de 56 veces mayor que la masa de un átomo de hidrógeno.

Atomos, moléculas y iones

• La química moderna empezó con la teoría de Dalton, que establece que toda la materia está compuesta por partículas pequeñas e invisibles llamadas átomos; que todos los átomos del mismo elemento son idénticos; que los compuestos contienen átomos de diferentes elementos combinados en relación de numeros enteros, y que los átomos no se crean ni se destruyen durante las reacciones químicas (ley de la conservación de la masa).

• Los átomos  de los elementos que constituyen un compuesto particular siempre se combinan en la misma proporción en masa (ley de las proporciones definidas). Cuando dos elementos se combinan para formar mas de un compuesto, la masa del elemento que se combina con una cantidad fija de masa del otro elemento siempre es una relación de múmeros enteros pequeños (ley de las proporciones múltiples).

• Un átomo está constituído por un núcleo central muy denso, que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo a una distancia relativamente grande.

• Los protones están cargados positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones están cargados negativamente. Los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, que es alrededor 1.840 veces mayor que la masa del electrón.

• El número atómico de un elemento es el número de protones presentes en el núcleo de un átomo de ese elemento; determina su identidad. El núnmero de masa es la suma del número de protones y de neutrones presentes en el núcleo.

• Los isótopos son átomos de un mismo elemento, con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.

• En las fórmulas químicas se combinan los símbolos de los elementos que las forman, utilizando como subíndice números enteros para indicar el tipo y número de átomos contenidos en una unidad más baja de un compuesto.

• La fórmula molecular indica el número y tipo específico de átomos combinados en cada molécula de un compuesto. La fórmula empírica muestra la relación más sencilla de los átomos que forman una molécula.
• Los compuestos químicos pueden ser compuestos moleculares (en los que la unidad más pequeña son moléculas individuales discretas) o bien compuestos iónicos (en los cuales los iones positivos y negativos estan unidos por una atracción mutua). Los compuestos iónicos están formados por cationes y aniones, que se forman cuando los átomos pierden o ganan electrones, respectivamente.

• Los nombres de muchos compuestos inorganicos se deducen a partir de algunas reglas sencillas. Las fórmulas se pueden escribir a partir de los nombres de los compuestos.

Iones y compuestos iónicos

Algunos compuestos, como el cloruro de sodio, NaCl, están formados por iones. Un ión es un átomo o grupo de átomos que posee carga eléctrica. Los iones con carga positiva, como el ión sodio Na⁺, se denominan cationes, y los que tienen carga negativa, como el ion cloro Cl^-, se llaman aniones. Cuando se describe la fórmula de un solo ión, es preciso incluir siempre su carga.

Un átomo está formado por un núcleo, pequeño, denso y con carga positiva, rodeada de una distribución difusa de partículas con carga negativa llamada electrones. El número  de carga positiva en el núcleo define la identidad del elemento al cual corresponde el átomo. Los átomos eléctricamente neutros contienen el mismo número de electrones fuera del átomo, y de cargas positivas (protones) en el interior del núcleo. Los iones se forman cuando un átomo pierde o gana electrones. Un ion Na⁺ se forma cuando el átomo de sodio pierne un electrón, y el ión Cl^- se forma cuando el átomo de cloro gana un electrón.

El compuesto NaCl está formado por un conjunto extenso de iones  Na⁺ y Cl^-. Es posible identificar un par de iones Na⁺ y Cl^- como "molécula". De hecho, en el interior del cristal (aunque no en la superficie), cada ión Na⁺ está rodeado por seis iones Cl^- en forma equidistante, cada ión Cl^- está rodeado igualmente por seis Na⁺. Los iones Na⁺ y Cl^- se encuentran en relación 1:1, como indica la formula NaCl.

Los iones poliatómicos son grupos de átomos que llevan carga eléctrica; algunos ejemplos son: el amonio, NH4⁺, el ión sulfato, SO4^2-, y el ión nitrato, NO3^-.

Iones

Un ion es un átomo o un grupo de átomos que tiene una carga neta positiva o negativa. El número de protones, cargados positivamente, del núcleo de un átomo permanece igual durante los cambios químicos comunes (llamados reacciones químicas), pero se pueden perder o ganar electrones, cargados negativamente. La pérdida de uno o más electrones a partir de un átomo forma un catión, un ion con carga neta positiva. Por ejemplo, un átomo de sodio (Na) fácilmente puede perder un electrón para formar el catión sodio que se presenta como Na⁺:

Átomo de Na           ion Na⁺

11 protones              11 protones

11 electrones            10 electrones

Por otra parte, un anión es un ion cuya carga neta es negativa debido a un incremento en el número de electrones. Por ejemplo, un átomo de cloro (Cl) puede ganar un electrón para formar el ion cloruroCl^-:

Átomo de Cl          ion  Cl^-

17 protones            17 protones

17 electrones          18 electrones

Se dice que el cloruro de sodio (NaCl), la sal común de mesa, es un compuesto iónico porque está formado por cationes y aniones.

Un átomo puede perder o ganar más de un electrón. Como ejemplos de iones formados por la pérdida o ganancia de más de un electrón están : Mg²⁺, Fe³⁺, S^2- y N^3-. Estos iones, lo mismo que los iones Na⁺ y Cl^-, reciben el nombre de iones monoatómicos porque contienen solamente un átomo. Salvo algunas excepciones, los metales tienden a formar cationes y los no metales, aniones.

Además, es posible es posible combinar dos o más átomos y formar un ion que tenga una carga neta positiva o negativa. Los iones que contienen más de un átomo, como el caso de OH^- (ion hidroxilo), NH⁺, (ion amonio) se llaman iones poliatómicos.

La estructura del átomo

Con base en la teoría de Dalton, un átomo se define como la unidad básica de un elemento que puede intervenir en una combinación química. Dalton describió un átomo como una partícula extremadamente pequeña e indivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones iniciadas alrededor de 1850, y que continuaron hasta el siglo XX, demostraron claramente que los átomos tienen una estructura interna, es decir, que están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. Estas investigaciones condujeron al descubrimiento de tres partículas: electrones, protones y neutrones.