jueves, 24 de junio de 2021

Reacciones redox

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Reacciones en la que siempre hay dos elementos que cambian sus estados de oxidación al pasar por la reacción química, formando dos semirreacciones. La primera es la semireacciones de reducción en la que una sustancia gana electrones y se hace más negativo (o menos positivo que es lo mismo).

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Recuerde que debe cumplirse la ley de la conservación de la carga, por lo que hay cuatro cargas negativas totales en ambos lados de la ecuación, los coeficientes estequiométricos o números grandes a la izquierda de las fórmulas multiplican el valor de la carga.

La otra es la de oxidación en la que una sustancia pierde electrones y se hace más positivo (o menos negativo). El que gana electrones se denomina agente oxidante “elementos cercanos al flúor generalmente” y el que pierde electrones se denomina agente reductor.

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La representación de la perdida de electrones se manifiesta porque estos salen como producto en una ecuación química.

Las reacciones redox reciben su nombre de la fusión de dos conceptos, la oxidación y la reducción. Redox es un nombre que surge de la fusión de otros dos más conocidos, la oxidación y la reducción. Todos conocemos macroscópicamente que es una oxidación, pues hemos observado como el hierro en contacto con el aire o el agua es oxidado, el producto es el óxido de hierro, una sustancia granular y ocre completamente diferente del hierro metálico. Sin embargo, el concepto de reducción es más complicado y poco intuitivo.

Las reacciones redox siempre requieren de dos especies, un agente oxidante que adquiere los electrones (oxígeno) y un agente reductor que los pierde (hierro). Las reacciones son muy exotérmicas y pueden liberar luz y calor. Esto se debe a que los elementos en su estado de pureza se encuentran en estados de alta energía a pesar de verse (más complejos), la reacción ocurre cuando el producto (trióxido de dihierro) posee un estado de energía menor que el de los reactivos. Se libera mucho calor al universo. Si bien el microsistema se hace más complejo (generando una molécula de óxido de hierro), la entropía del universo aumenta debido a la energía que se ha cedido al universo.

Pero ¿Qué es una oxidación? Recordemos que, el oxígeno es el segundo elemento con mayor electronegatividad en la tabla periódica, por lo que tiene una gran tendencia a atraer sus propios electrones, así como los electrones de cualquier otro elemento que se encuentre cerca de él (excepto por otro átomo de oxígeno y por el átomo del flúor). De allí sabemos que el oxígeno despoja de electrones a los otros átomos, y ese es precisamente el proceso de oxidación.

La oxidación es un proceso de perdida de electrones, dado que los electrones portan cargas negativas, el elemento oxidado se hace más positivo “Li → Li++e-”. La reducción es el proceso opuesto, en el cual el elemento gana electrones “O+2e- → O2-”., tornándose menos positivo. En general la cantidad de electrones que un elemento cede o capta es igual a alguno de los estados de oxidación. Por ejemplo, todos los metales del grupo 1 poseen estados de oxidación 0 y +1, lo cual implica que solo pueden perder electrones en cantidad de 1. Los elementos del grupo dos tienen estados de oxidación 0 y +2, lo cual implica que solo pueden perder 2 electrones.

Tanto la reducción como la oxidación ocurren de manera acoplada y casi que simultánea, no puede existir una oxidación sin que ocurra una reducción, tal como cuando alguien da, existe alguien que recibe.

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En la reacción anterior tenemos un proceso neto completo, el cual es la suma de dos semireacciones. Los cuatro hierros pueden oxidarse desde el estado de oxidación 0 al estado de oxidación +3, para formar dos cationes hierro(3+) liberando 12 electrones(1-) en el proceso “4Fe → 4Fe3++12e-”. Por otro lado el oxígeno se reduce pasando del estado de oxidación 0 al estado de oxidación -2 para formar el anión oxido(2-), para lo cual requiere como mínimo 4 electrones. Para que una molécula de dioxígeno se pueda oxidar complemente se necesitan 4 electrones, mientras que un átomo de hierro metálico solo puede liberar como máximo 3 electrones. Al modificar los indicadores moleculares de cada elemento podemos llegar a un estado en que hay 6 electrones liberados por 4 átomos de hierro que son absorbidos por 6 átomos de oxígeno “6 O +12 e- → 6 O2-”.

Como puede notarse, en los procesos redox se combinan los conceptos de ionicidad y estados de oxidación, pero es importante no confundirlos, por ejemplo, en la reacción “4Fe+3O2→ 2Fe2O3” el producto posee al hierro y al oxígeno con estados de oxidación diferentes que sus respectivos reactivos, pero no se marca una ionicidad, ya que al formar la molécula del trióxido de dihierro las cargas de los iones respectivos se cancelan.

Dependiendo de su función en un proceso redox, cada una de las dos especies químicas involucradas que poseen cambios de estado de oxidación se las puede clasificar como agente oxidante y agente reductor. La regla de oro que siempre debe de tener en cuenta es que, si hay un agente oxidante, siempre hay otro reductor, o en términos más simples, si nota que un elemento ha cambiado de estado de oxidación en una reacción, eso significa que otro elemento también lo ha hecho con una cantidad de cargas proporcional a alguno de sustentados de oxidación y cantidad de átomos.

De esta forma podemos definir a los agentes oxidantes los elementos o compuestos que despojan de electrones a otras sustancias y en el proceso se reducen. El más común es el oxígeno y de allí el nombre, sin embargo, existen otros, como el flúor que es aún más oxidante que el oxígeno. Otros agentes oxidantes son sustancias con alta electronegatividad, como todos los elementos halógenos. Los agentes oxidantes pueden identificarse como compuestos, por ejemplo, el ácido clorhídrico es un agente fuertemente oxidante, pero esta capacidad oxidativa depende de portar un elemento oxidante con alta electronegatividad. El más potente de los agentes oxidantes es el flúor, pero por tal razón raro encontrarlo libre en la atmósfera, tienen a oxidar tanto que se encuentra férreamente unido a los elementos que ha oxidado formando los fluoruros.

Por el contrario, los agentes reductores son los elementos que causan la reducción, en general son donadores de electrones y poseen bajas electronegatividades. Los metales son casi siempre agentes reductores. Debemos recordar que, agente oxidante y agente reductor se adjudica comparando las electronegatividades, pues un mismo elemento puede ser un agente oxidante en algunas reacciones y un agente reductor en otras. Uno de los parámetros que más nos permite predecir es la electronegatividad, aunque existen excepciones.

En la reacción “4Fe+3O2→ 2Fe2O3” el hierro es el agente reductor, donando 12 electrones, que captura el dioxígeno quien es en consecuencia el agente oxidante.

1.    Las moléculas elementales son especies formadas por un solo elemento tienden a presentarse en estado de oxidación cero. Inicialmente los gases nobles que están formados por átomos simples, los gases diatómicos presentan el estado de oxidación cero. La razón para señalar tan vehementemente estas reglas, es que muchos estudiantes empiezan a escribir números tabla periódica en mano, adjudicándole al dioxígeno el estado de -2 aun cuando se encuentra en su estado de gas diatómico que debe representarse como estado de oxidación 0, un error muy común que confunde e impide ver el cambio en el estado de oxidación de las reacciones redox.

2.    Los estados de oxidación aparecen cuando tenemos una molécula formada por diferentes elementos. Solo los iones manifiestan los estados de oxidación como cargas reales que deben escribirse obligatoriamente. En las moléculas solo escribimos los estados de oxidación cuando necesitamos saber los estados de oxidación de los elementos en una reacción química.

3.    En una molécula diatómica compuesta por diferentes elementos, el elemento más electronegativo tendrá la carga negativa, y el menos electronegativo la carga positiva. A partir de esta enunciamos reglas más específicas:

4.    El flúor siempre trabaja con un estado de oxidación de -1 a menos que esté formando su gas diatómico.

5.  El oxígeno siempre trabaja con -2 a menos que forme una molécula con flúor, esté formando su gas diatómico, esté formando un peróxido o un super-óxido.

6. En las sales diatómicas y sus ácidos hídricos correspondientes con halógenos “grupo de flúor” y anfígenos “grupo del oxígeno”, las cuales son generalmente sales, el halógeno o anfígeno trabaja con su MENOR estado de oxidación, que puede ser -2 o -1.

7.   El hidrógeno trabajará con estado de +1, solo si el otro elemento posee mayor electronegatividad. De lo contrario será -1 como en los hidruros.

8.   En compuestos orgánicos el carbono va en estado de oxidación 0.

9.  Los elementos alcalinos como el potasio “K” siempre trabajan con el estado +1 a menos que estén en estado metálico puro.

10.                      Los elementos alcalinotérreos siempre trabajan con el estado de oxidación +2, a menos que estén en su estado metálico puro.

11.                      En los ácidos ternarios, los hidróxidos y en las sales ternarias, el único elemento con cargas negativas es el oxígeno.

12.                      En caso de que el elemento no caiga en las categorías anteriores (generalmente por tener más de un solo número de oxidación) se revisa la carga de la molécula. En moléculas neutras la carga neta es siempre de 0, por lo que se calculan las cargas.

En el metabolismo de todos los seres vivos, los procesos redox tienen una importancia capital, ya que están involucrados en la cadena de reacciones químicas de la fotosíntesis y de la respiración aeróbica. En ambas reacciones existe una cadena transportadora de electrones formada por una serie de complejos enzimáticos, entre los que destacan los citocromos; estos complejos enzimáticos aceptan (se reducen) y ceden (se oxidan) pares de electrones de una manera secuencial, de tal manera que el primero cede electrones al segundo, éste al tercero, etc., hasta un aceptor final que se reduce definitivamente; durante su viaje, los electrones van liberando energía que se aprovecha para sintetizar enlaces de alta energía en forma de ATP.

Si bien en sentido último todo depende del flujo de electrones, existen métodos holísticos para evaluar el estado de oxidación de una molécula orgánica como un todo y es mediante la presencia de agentes reductores y agentes oxidantes. Una molécula orgánica se oxida cuando pierde agentes reductores, gana agentes oxidantes o es degradada “digerida” a compuestos más simples. De manera opuesta una molécula se reduce cuando gana agentes reductores, pierde agentes oxidantes o su masa se incrementa por adición de cadenas de carbonos. Los agentes reductores más comunes son el hidrógeno y otras cadenas de carbono. Los agentes oxidantes más comunes con el oxígeno y los grupos oxigenados, así como el flúor, el azufre o el nitrógeno. Otros elementos se los puede clasificar como oxidante o reductor según se comporten como hidrógeno u oxígeno. Por ejemplo, los metales son agentes reductores porque se comportan como el hidrógeno y los halógenos/anfígenos restantes son agentes oxidantes al ser análogos al oxígeno o al flúor.

La combustión es una reacción química de reducción-oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego. En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente oxígeno en forma de dioxígeno gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente, por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.

Los tipos más frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. En una reacción completa todos los elementos tienen el mayor estado de oxidación. Los productos que se forman son el dióxido de carbono (CO2) y el agua, el dióxido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecer óxidos de nitrógeno (NOx), dependiendo de la temperatura y la cantidad de oxígeno en la reacción.

En los metales una consecuencia muy importante de la oxidación es la corrosión, fenómeno de impacto económico muy negativo, dado que los materiales adquieren o modifican sus propiedades según a los agentes que estén expuestos, y como actúen sobre ellos. Combinando las reacciones de oxidación-reducción (redox) en una celda galvánica se consiguen las pilas electroquímicas. Estas reacciones pueden aprovecharse para evitar fenómenos de corrosión no deseados mediante la técnica del ánodo de sacrificio y para la obtención de corriente eléctrica continua.

Por lo general en un planeta desprovisto de vida todos los gases altamente oxidantes como el difluor y el dioxígeno reaccionan con los metales y no metales presentes, precipitando en forma de minerales o permaneciendo como atmósferas débilmente oxidantes. El dioxígeno libre en la atmósfera es una anormalidad en el universo, y en nuestro planeta Tierra se presenta principalmente porque en la fotosíntesis del tipo II los seres vivos se encargan de oxidar la molécula de agua, generando iones protio(1+) para generar un potencial electro-osmótico, y liberan el dioxígeno gaseoso como gas de desecho. Sin embargo, una vez liberado, el dioxígeno gaseoso es tan reactivo como lo dice la teoría, y esa es precisamente la razón por la cual en nuestra atmósfera podemos hacer fogatas, es el dioxígeno liberado en la atmósfera lo que permite la combustión, así como otros procesos oxidantes como el embolismo aeróbico.

El procedimiento es muy simple una vez se tienen las habilidades de escribir correctamente los estados de oxidación de los elementos dentro de cualquier molécula. Primero, se debe escribir el estado de oxidación de todos los elementos involucrados en la reacción química. La reacción será redox si encuentras al menos un elemento, ya que forzosamente eso implica que hay al menos dos elementos que cambian de estado de oxidación. SIEMPRE deben ser 2, si hay más de dos elementos cambiando de estado de oxidación es probable que la reacción esté mal planteada.

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