ECUACIONES QUÍMICAS REDOX

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ECUACIONES QUÍMICAS REDOX

  1. 1. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. REACCIONES DE OXIDO REDUCCION. Una de las propiedades más importantes de los elementos, es su estado de oxidación o número de oxidación. Existe una correlación definida entre los números de oxidación y los grupos en donde están localizados los elementos en la tabla periódica. Para predecir una fórmula química simplemente se unen los elementos con número de oxidación positivo a aquellos que tienen número de oxidación negativo, sin olvidar que la suma de todos los números de oxidación en la fórmula final debe ser igual a cero. Muchos elementos (principalmente los de transición) tienen más de un número de oxidación que hay que consultar con la tabla periódica. Comenzaremos por la asignación de los números de oxidación y para esto hay dos métodos. Método 1 Los electrones de valencia se encuentran como cuando se asignan cargas formales, excepto que ambos electrones de un par enlazante se asignan al átomo más electronegativo. Si los dos átomos enlazantes son idénticos, el par compartido se divide entre los dos. Método 2 No requiere la escritura de la estructura de Lewis, un proceso que puede ser tediosos en una molécula muy grande. La condición que siempre se cumple es: “Siempre que tenga lugar una oxidación, debe haber una reducción simultánea”. Programa Actualizado de Química I
  2. 2. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. La reducción es lo opuesto a la oxidación; la reducción es una ganancia de electrones, es el proceso mediante el cual se adicionan electrones. Como los electrones no se destruyen en las reacciones químicas sino que sólo se transfieren, debe haber un proceso de reducción asociado con uno de oxidación, por lo que anteriormente se dijo: se cumple la condición de un proceso simultáneo. Este tipo de reacciones con transferencia de electrones también es conocida como la: REACCION DE OXIDO REDUCCIÓN o REDOX Las reacciones redox se describen ahora en términos de ganancia o pérdida de electrones y éstas incluyen una variación en las cargas eléctricas en la especie reaccionante. ¿Qué es la oxidación y qué es la reducción? DEFINICIONES: OXIDACION: Es un proceso en el cual uno o más electrones son perdidos por un átomo, ión o una molécula. REDUCCION: Es un proceso en el cual se adicionan electrones. Además, se dice, si el número de oxidación de un elemento disminuye en la reacción, entonces se redujo. Para observar este proceso, se empleará una escala en la determinación Programa Actualizado de Química I
  3. 3. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. objetiva de la reacción química de un elemento que se ha oxidado o reducido, esto de acuerdo con el cambio observado en su número de oxidación. OXIDACION -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 REDUCCION Las reacciones que incluyen la donación o aceptación de los electrones por los átomos, iones o moléculas se denominan mitades de reacción, cada uno de los pasos de oxidación y reducción, reciben el nombre de: SEMIRREACCIONES. Las semireacciones explícitamente muestran los electrones implicados, como se muestra en el siguiente ejemplo: En la reacción: Hº2(g) + Clº2(g) 2 H+1 Cl-1 (g) La reacción de oxidación es: Hº2(g) 2 H+1 (g) + 1 e- La reacción de reducción es: Clº2(g) + 1 e- 2 Cl-1 (g ) Programa Actualizado de Química I
  4. 4. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. La reacción redox neta total puede escribirse como la suma de las mitades de reacción: Una para el oxidante que representa la ganancia de los electrones. Clº2(g) + 1 e- 2 Cl-1 (g) Una para el reductor que representa la pérdida de los electrones Hº2(g) 2 H+1 (g) + 1 e- La unión de las dos semirreacciones es: Clº2(g) + 1 e- 2 Cl-1 (g ) Hº 2 H2(g) _____________________________________ +1 + 1 e- Clº2(g) + Hº2(g) 2 H+1 Cl-1 (g) Como se puede observar la reacción redox neta total tiene por objetivo: 1.Balancear el número de cargas eléctricas o electrones que son transferidos. Programa Actualizado de Química I
  5. 5. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. 2.Balancear el número de átomos, iones o moléculas en los reactivos y en el producto (aplicando para esto LA LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA). En general, en una reacción redox, el agente oxidante acepta electrones y el agente reductor suministra los electrones. El agente oxidante SE REDUCE. El agente reductor SE OXIDA. Del ejemplo anterior en la primera semirreacción… Clº2(g) + 1 e- 2 Cl-1 (g) REDUCCION. El agente oxidante es el Clº2(g); el causante directo de que el átomo de hidrógeno pierda un electrón OXIDÁNDOSE de: Hº2(g) 2 H+1 (g) De la segunda semireacción: Hº2(g) 2 H+1 (g) + 1 e- OXIDACION. El agente reductor es el Hº2(g); el causante de que el átomo de cloro gane un electrón REDUCIÉNDOSE de: Clº2(g) 2 Cl-1 (g) Programa Actualizado de Química I
  6. 6. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Las reglas para LA ASIGNACIÓN DE LOS NÚMEROS DE OXIDACIÓN SON: 1.- Al flúor en sus compuestos se le asigna siempre el número de oxidación -1. 2.- Al oxígeno en sus compuestos se le asigna un número de oxidación -2. Excepciones: a).- Peróxidos y superóxidos. Estos compuestos contienen enlaces O-O. El número de oxidación de cada átomo de oxígeno en un peróxido es -1 y en un superóxido es -1/2. b).- Fluoruros de oxígeno. La regla 1 siempre prevalece. Así que el OF2 y O2F2 los números de oxidación de cada oxígeno son +2 y +1, respectivamente (la suma de los números de oxidación de todos los átomos que aparecen en la fórmula de un compuesto total es igual a O) 3.- Al hidrógeno en sus compuestos se le asigna un número de oxidación +1. Excepción: En los hidruros metálicos se le asigna un valor de -1. 4.- A los elementos combinados de los grupos IA,IIA y IIIA, se lees asigna virtualmente el número de oxidación +1, +2 y +3 respectivamente. 5.- En la fórmula de una sustancia o especie ( ión, átomo o molécula), la suma de los números de oxidación de todos los átomos en la fórmula iguala la carga eléctrica de la fórmula. Programa Actualizado de Química I
  7. 7. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. a).- Un átomo de cualquier elemento en el estado libre (no enlazado) tiene un número de oxidación de 0. b).- Cualquier ión sencillo (monoatómico) tiene un número de oxidación igual a su carga. c).- La suma de los números de oxidación de todos los átomos que aparecen en la fórmula de un ión poliatómico o complejo es igual a la carga eléctrica del ión. Iniciemos con las REACCIONES DE OXIDO REDUCCION. Las reacciones de oxido reducción constituyen una parte importante del mundo que nos rodea, las reacciones en solución acuosa se clasifican en tres clases: 1. De transferencia de electrones o de oxidación-reducción (redox). 2. De transferencia de protones, neutralización o ácido- base. 3. De precipitación o metátesis. ¿Qué es el estado de oxidación de un elemento ? El número o estado de oxidación es la carga eléctrica positiva o negativa asignada a cada átomo de un compuesto o ión monoatómico o poliatómico. El término “oxidación”, en el sentido original de la palabra indica una reacción con oxígeno elemental. Las reacciones de combustión en el aire, por ejemplo: Cº + Oº2 CO2(g) Y de corrosión: Programa Actualizado de Química I
  8. 8. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Feº + ½ O2 FeO Las anteriores reacciones químicas son reacciones típicas de oxido-reducción. Pero ahora, su significado de las reacciones de oxido- reducción incluyen reacciones que no implican al oxígeno; ampliándose el término para referirse a “cualquier reacción en la que una sustancia o especie pierde electrones”. Ejemplo: Naº Na+ + 1 e- Caºº Ca+2 + 2 e- Siguiendo con las semireacciones del hidrógeno y el cloro, se dice, que la sustancia que causa la oxidación se reduce en la reacción química, tomemos de base la siguiente reacción de oxido-reducción: Clº2(g) + Hº2(g) 2 H+1 Cl-1 (g) La oxidación se produce en: Hº2(g) 2 H+1 (g) OXIDACION. De aquí que la sustancia que causa la oxidación es el: Clº2(g). Programa Actualizado de Química I
  9. 9. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Es por consecuencia y recordando que es un proceso simultáneo, la semireacción que se reduce es: Clº2(g) 2 Cl-1 (g ) REDUCCION. De aquí que la sustancia que causa la reducción es el: Hº2(g). Otro ejemplo sería: Fe3+ + 1 e- Fe2+ REDUCCION. Sn2+ Sn4+ + 2 e- OXIDACION. El oxidante que representa ganancia de electrones es: Fe3+ + 1 e- Fe2+ El reductor que representa pérdida de electrones es: Sn2+ Sn4+ + 2 e- El agente oxidante es el Fe3+ puesto que acepta 1e- . El agente reductor es el Sn2+ puesto que dona 2e- . Para el ejemplo anterior: puesto que acepta 1e- .El agente oxidante es el Clº2(g) El agente reductor es el Hº2(g) puesto que dona 1e- . Programa Actualizado de Química I
  10. 10. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Como una conclusión: El agente oxidante se reduce y el agente reductor se oxida. BALANCE DE LA REACCION REDOX. Balancear una ecuación consiste en obtener coeficientes de cada un de las fórmulas de las sustancias anotadas en la ecuación química. Si los coeficientes son correctos, el número de átomos de cada elemento representado en el primer miembro de la ecuación es igual a los que están representados en el segundo miembro de ella. Clº2(g) + Hº2(g) 2 H+1 Cl-1 (g) Primer miembro. Segundo miembro. REACTIVOS o REACTANTES. PRODUCTOS. Los coeficientes los obtendremos por el método redox-no acuosa. El método del número de oxidación se describe como: 1.- Asigne a todos los átomos números de oxidación. Programa Actualizado de Química I
  11. 11. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. 2.- Observe qué átomos parecen perder electrones y cuáles ganan. Y determine cuántos electrones se pierden o ganan en total por unidad de fórmula. Ejemplo: HIO3 + HI I2 + H2O Paso 1 Asignación de los números de oxidación de acuerdo a las reglas anteriores. H1+ I5+ O-2 3 + H1+ I1- Iº2 + H1+ 2 O2- Paso 2 HIO3 5e- (GANA) HI 1e- (PIERDE) 3.- Si hay más de un átomo que pierde o gana electrones en una unidad fórmula, determine la pérdida o ganancia total de electrones por unidad de fórmula. 4.- Iguale la ganancia de electrones del agente oxidante con la pérdida por el agente reductor, introduciendo el coeficiente apropiado delante de la fórmula de cada uno en la parte izquierda de la ecuación (segundo miembro). Paso 4 I5+ + 5e- Iº REDUCCION.2 I1- Iº2 + 1e- OXIDACION. El agente oxidante: HIO3 El agente reductor: HI Programa Actualizado de Química I
  12. 12. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Intercambiando el número de electrones y colocándolos como coeficientes tenemos: 1 (I5+ + 5e- Iº )2 5 ( I1- Iº2 + 1e- ) La ecuación neta total considerando el producto del intercambio de electrones usados como coeficientes es: I5+ + 5e- Iº2 5I1- 5 Iº + 5e2 __________________________________ - I5+ + 5I1- NO SE CONSIDERAN PORQUE ES EL MIMO ELEMENTO PARA LA REACCION SIMULTANEA. 5.- Complete el balance de la ecuación por inspección. 5.1.- Primero balancee los átomos que han ganado o perdido electrones. 5.2.- Segundo los átomos diferentes al O y al H. 5.3.- Tercero los átomos de O. 5.4.- Cuarto finalmente los átomos de hidrógeno. Paso 5 HIO3 + HI I2 + H2O se anotan los números (coeficientes) de las fórmulas. (5.1) HIO3 + 5HI I2 + H2O (5.2) HIO3 + 5HI 3I2 + H2O El yodo. (5.3) HIO3 + 5HI 3I2 + 3H2O El oxígeno. (5.4) HIO3 + 5HI 3I2 + 3H2O El hidrógeno Programa Actualizado de Química I
  13. 13. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. No hay necesidad de aplicar el punto (5.4); pues ya está balanceada la ecuación. Muchas de las reacciones se pueden balancear por inspección (tanteo) hasta que ambos miembros de la reacción hay cantidades de todos y cada uno de los átomos participantes. Dos reglas deben recordarse: 1.Si los enlaces covalentes son compartidos por átomos idénticos, los electrones se dividen igualmente entre estos. Clº2 enlace covalente Cl ºº Cl 2.El número de oxidación de un ión complejo es igual a la suma algebraica de los números de oxidación de los átomos que los constituyen. AsO3- 4 ion trabajando con 3 cargas negativas. O = -2 Considerando la incógnita como el elemento de As tenemos.. X + (-2)(4) = -3 X - 8 = -3 X = 8 - 3 X = 5 El número de oxidación del As en la molécula de AsO3- 4 es 5+. Programa Actualizado de Química I
  14. 14. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. En la fórmula F2O O = +2 sustituyendo por la ecuación algebraica … 2X + 2 = 0 X = -2/2 X = -1 1- es el número de oxidación del flúor. La neutralidad electrónica se confirma al sustituir los datos. 2(-1) + 2 = 0 La siguiente regla fue la que se aplicó: “ El flúor tiene un número de oxidación de -1 en TODOS sus compuestos. Los otros halógenos (Cl, Br y I) tienen números de oxidación negativos cuando se presentan como iones haluros en los compuestos. Y cuando se combinan con oxígeno, por ejemplo en oxoácidos y axoaniones tienen número de oxidación positivos”. Para la molécula LiAlH4 En ésta molécula recordemos que: “El número de oxidación del hidrógeno es +1, excepto cuando está enlazado a metales en compuestos binarios (esto es, compuestos que contienen dos elementos) su número de oxidación cambia a -1” La molécula anterior cumple la regla al enlazarse el hidrógeno a un metal en y un compuesto binario, por lo que: Li = +1 (metal grupo IA) Programa Actualizado de Química I
  15. 15. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. H = -1 El aluminio tiene como número de oxidación: 1 + X + (-1)(4) = 0 1 + X - 4 = 0 X - 3 = 0 X = 3 Al = 3+ 3+ es su número de oxidación y pertenece al grupo IIIA (metal). Realicemos otro ejemplo más, en la molécula HgClF F = -1 Cl = -1 sustituyendo en la ecuación algebraica.. X + (-1) + (-1) = 0 X - 1 - 1 = 0 X - 2 = 0 X = 2 2+ es el número de oxidación del mercurio. El mercurio (Hg) es un metal de transición del grupo IIB y en la Tabla Periódica se indica: Hg2+,1+ “El flúor tiene un número de oxidación en todos sus compuestos” y “El cloro tiene el número de oxidación negativo cuando se presenta como ión haluro en los compuestos”. Es por esta razón que el cloruro fluoruro de mercurio (II); tiene el número de oxidación 2+ en el mercurio. Programa Actualizado de Química I
  16. 16. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Si consideramos el mismo ejemplo resuelto del HIO3 y del HI, pero balanceamos en masa, tenemos que: Paso 1 Asignación de los números de oxidación. H1+ I5+ O-2 3 + H1+ I1- Iº2 + H1+ 2O2- Paso 2 HIO3 5e- (GANA) REDUCCION. HI 1e- (PIERDE) OXIDACION. Paso 3 No se aplica para esta reacción. Paso 4 Las semireacciones son…. I5+ + 5e- Iº2 I1- Iº2 + 1e- Programa Actualizado de Química I
  17. 17. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Balanceando en masa: 2I5+ + 10e- Iº2 2I1- Iº2 + 2e- Balanceando el número de electrones de transferencia: 2(2I5+ + 10e- Iº )2 10(2I1- Iº2 + 2e- ) Resultado: 4I5+ + 20e- 2Iº2 20I1- 10Iº + 20e2 _____________________________________________ - 4I5+ + 20I1- NO SE CONSIDERA PORQUE ES EL MISMO ELEMENTO PARA LA REDOX Paso 5 HIO3 + HI I2 + H2O (5.1) 4HIO3 + 20HI I2 + H2O (5.2) 4HIO3 + 20HI 12I2 + H2O El yodo. (5.3) 4HIO3 + 20HI 12I2 + 12H2O El oxígeno. Programa Actualizado de Química I
  18. 18. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. (5.4) 4HIO3 + 20HI 12I2 + 12H2O El hidrógeno. No hay necesidad de aplicar (5.4) puesto que ya está balanceada la ecuación. Procedamos a realizar otro balance por oxido-reducción. Cu + HNO3 Cu(NO3)2 + H2O + NO Paso 1 Asignación de los números de oxidación Cuº + H1+ N5+ O2- 3 Cu2+ (N5+ O2- 3)2 + H1+ 2O2+ + N2+ O2- Paso 2 Cuº 2e- PIERDE. HN5+ O3 3e- GANA. Paso 3 No se aplica para esta reacción. Programa Actualizado de Química I
  19. 19. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Paso 4 Cuº Cu2+ + 2e- OXIDACION. N5+ + 3e- N2+ REDUCCION. El agente oxidante: HNO3 El agente reductor: Cuº Se intercambian el número de electrones colocándose como coeficientes en ambas semireacciones: 3(Cuº Cu2+ + 2e- ) 2(N5+ + 3e- N2+ ) 3Cuº Cu2+ + 6e- 2N5+ + 6e- 2N2+ ____________________________ 3Cuº + 2N5+ Cu2+ + N2+ Paso 5 Complete por inspección. Cu + HNO3 Cu(NO3)2 + H2O + NO (5.1) 3Cu + 2HNO3 3Cu(NO3)2 + H2O + 2NO Programa Actualizado de Química I
  20. 20. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. (5.2) Para los átomos del nitrógeno. REACTIVOS: 2 PRODUCTOS: 8 ; se procede a balancearlo. 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + H2O + 2NO (5.3) Para los átomos de oxígeno. REACTIVOS: 24 PRODUCTOS: 20 ; se procede al balance. 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO (5.4) Para los átomos de hidrógeno NO SE APLICA, YA ESTA BALANCEADA LA ECUACION. ALGUNAS CONSIDERACIONES. Si en la fórmula son varios los átomos que han sufrido oxidación o reducción, se multiplica el número de su subíndice por su número de oxidación para tener el total de valencias (con signo) oxidadas o reducidas. Para ilustrar lo anterior realicemos un ejemplo: Programa Actualizado de Química I
  21. 21. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. N3- H1+ 3 + Oº2 H1+ 2O2- + N2+ O2- N3- N2+ + 5e- OXIDACION. Oº2 + 2e- O2- REDUCCION. El subíndice del O2 es 2, el cual lo multiplicamos por el número de electrones: 2e- (2) = 4e- 4 es el coeficiente que siguiendo las reglas se coloca en el NH3 y en el NO. 4NH3 + 5Oº2 6H2O + 4NO El paso anterior se realiza de la siguiente forma: N3- N2+ + 5e- Oº2 + 4e- 2O2- 4(N3- N2+ + 5e- ) 5(Oº2 + 4e- 2O2- ) Programa Actualizado de Química I
  22. 22. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. 4N3- 4N2+ + 20e- 5Oº2 + 20e- 10O2- Colocando los coeficientes…. (5.1) 4NH3 + 5Oº2 H2O + 4NO (5.2) 4NH3 + 5Oº2 H2O + 4NO Para el nitrógeno. (5.3) 4NH3 + 5Oº2 6H2O + 4NO Para el oxígeno. (5.4) 4NH3 + 5Oº2 6H2O + 4NO YA ESTA BALANCEADA. Si el elemento oxidado y el elemento reducido están en la misma molécula, se anotan en el otro miembro de la ecuación los coeficientes determinados. Ejemplo: Ag2SO3 + H2O H2SO4 + Ag Programa Actualizado de Química I
  23. 23. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. Se asignan los estados de oxidación.. Ag1+ 2S4+ O2- 3 + H1+ 2O2- H1+ 2 S6+ O2- 4 + Agº (*) Se anotan en el otro miembro de la ecuación (*) Ag2SO3 + H2O H2SO4 + 2Ag O bien en las semireacciones: Ag1+ 2 + 1e- Agº (balancear en masa) Ag1+ 2 + 2e- 2Agº Ag1+ 2 + 2e- 2Agº OXIDACION. S4+ S6+ + 2e- REDUCCION. La ecuación neta total es: Ag1+ 2 + 2e- 2Agº Programa Actualizado de Química I
  24. 24. APUNTES BASICOS PARA LA ELECTROQUIMICA. Academia de Química. Profesor: LUISA REYNA MUÑIZ LOZANO. S4+ S6+ + 2e- _______________________________________ Ag1+ 2 + S4+ 2Agº + S6+ Colocando los coeficientes ….. Ag2SO3 + H2O H2SO4 + 2Ag YA ESTA BALANCEADA LA ECUACION. El agente oxidante y reductor es : Ag2SO3 Programa Actualizado de Química I

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