Evolución del Concepto de Oxidación-Reducción

Definición Inicial

Oxidación: Proceso en el cual una especie química gana oxígeno.

Reducción: Proceso en el cual una especie química pierde oxígeno.

Estos procesos son simultáneos: una oxidación conlleva una reducción, y viceversa.

Definición en Términos de Electrones

Oxidación: Proceso en el cual una especie química pierde electrones.

Reducción: Proceso en el cual una especie química gana electrones.

Definición Más Amplia

Toda reacción implica que una sustancia o especie química se oxida y que otra se reduce. Desde otro punto de vista, se puede decir que una sustancia (oxidante) oxida a otra y que una sustancia (reductor) reduce a otra.

Un elemento (átomo) se oxida cuando experimenta una pérdida total o parcial en el control de los electrones de valencia.

Un elemento (átomo) se reduce cuando experimenta una ganancia total o parcial en el control de los electrones de valencia.

Número de Oxidación

Reglas para Asignar los Números de Oxidación

1. El número de oxidación de los átomos neutros libres, de los átomos de los metales y de los átomos de moléculas homonucleares es cero.
2. El número de oxidación de un ion monoatómico es igual a la carga del ion.
3. Los elementos del grupo 1 presentan siempre número de oxidación +1 y los del grupo 2 el número de oxidación +2.
4. El hidrógeno presenta número de oxidación +1, excepto en hidruros metálicos donde es -1.
5. El oxígeno presenta número de oxidación -2 excepto en el fluoruro de oxígeno donde es +2.
6. El flúor presenta siempre número de oxidación -1.
7. Los halógenos Cl, Br e I presentan número de oxidación -1, excepto el Cl cuando se combina con O y F; el Br cuando se combina con O, F o Cl y el I cuando se combina con O, F, Cl y Br.
8. La suma de los números de oxidación de los átomos en una fórmula debe ser igual a la carga total de la fórmula.

Un átomo se oxida si su número de oxidación aumenta.

Un átomo se reduce si su número de oxidación disminuye.

Una reacción química es redox si, en el curso de la misma, algunos de los átomos cambian el número de oxidación.

Ajuste de una Reacción Redox por el Método del Número de Oxidación

Los métodos de ajuste redox se basan en que el número total de electrones ganados por los elementos químicos que se reducen debe ser igual al número total de electrones que se ceden por los elementos químicos que se oxidan.

Valoraciones Redox

En el punto de equivalencia de la valoración, las cantidades relativas de las sustancias que han reaccionado guardan la misma relación que los coeficientes estequiométricos de estas sustancias en la ecuación de la reacción ajustada.

Pilas

Pila Galvánica

Es un dispositivo que genera corriente eléctrica a partir de una reacción redox. Consta de dos semipilas. En una se produce la oxidación de una especie química y en la otra la reducción de otra especie química.

Nombre y Signo de los Electrodos

Se denomina ánodo al electrodo donde se produce la oxidación y cátodo al electrodo donde se produce la reducción. En una pila, el ánodo es el electrodo (-) y el cátodo el (+).

Puente Salino

Tiene dos funciones:

1. Cerrar el circuito, ya que permite la circulación de iones K+ y Cl- a su través.
2. Mantener la neutralidad eléctrica de las disoluciones de cada semipila.

Fuerza Electromotriz de una Pila

La diferencia de potencial máxima que proporciona una pila se denomina fuerza electromotriz de la pila y se representa por E_pila. En la pila Daniell, si las disoluciones tienen una concentración de 1,0 mol L^-1, la fuerza electromotriz es de +1,10 V.

El potencial de electrodo estándar de una semipila, E⁰, es el potencial estándar de la pila formada por esta semipila y el electrodo normal de hidrógeno. Es una medida del potencial de reducción de la especie que se reduce.

La fem de una pila se puede calcular a través de los potenciales estándar de reducción: E⁰_pila = E⁰_cátodo – E⁰_ánodo.

La fem estándar de una pila y la variación de entalpía libre estándar de la reacción están relacionadas por la ecuación: ΔG⁰ = -zFE⁰_pila

Pila Electrolítica

Al igual que en la pila galvánica, el electrodo donde se produce la reducción se llama cátodo y el electrodo donde se produce la oxidación se denomina ánodo. En este caso, el cátodo es el negativo y el ánodo es el positivo.

La electrólisis es un proceso en el que se consume energía eléctrica para forzar que ocurra una reacción redox no espontánea. Se realiza en una cuba electrolítica, que tiene dos electrodos. El ánodo es el electrodo positivo, donde se produce la oxidación; el cátodo es el electrodo negativo, donde se produce la reducción.

La electrólisis se utiliza industrialmente para obtener metales que tienen iones difíciles de reducir (por ejemplo, el sodio, el manganeso o el aluminio), para purificar metales y para galvanizarlos (recubrimiento electrolítico).

Espontaneidad de una Pila

Siempre que el potencial sea > 0, la reacción será espontánea y se producirá.

W_elect = qE = nFE. F es la carga de un mol de electrones = 96500 C/mol.

ΔG = ΔH – TΔS = Q – W – Q.

ΔG = -W_elect = nFE. ΔG = -nFE

Ecuación de Nernst

Pueden construirse pilas en las que las disoluciones no tengan valor estándar: E = E⁰ – (0,059/n) * log K_c