AsignaturadeQumicaAsignaturadeQumica.EscueladeIngenieraMineraeIndustrialdeAlmadn

MiguelGarcadeConsuegraRanchalGradoenIngenieraIndustrialMecnica

ndice1. Reaccionesdeoxidacinreduccin.Conceptode

oxidanteyreductor.y2. Nmerodeoxidacin.Normasparadeterminarel

nmerodeoxidacin.3 Ajustedeecuacionesredox:Mtododelion electrn3. Ajustedeecuacionesredox:Mtododelionelectrn.

1. Etapasdelajusteenmediocido.2. Etapasdelajusteenmedioalcalino.p j

4. Celdasgalvnicas.LapilaDaniell.5. Potencialesdeelectrodo.

P i ld ld f l i6. Potencialdeceldaofuerzaelectromotriz.7. Espontaneidaddelasreaccionesredox.8 EcuacindeNernst8. EcuacindeNernst.

1.Reaccionesdeoxidacind i C t d id treduccin.Conceptodeoxidantey

reductorreductor Una reaccin de xidoreduccin se caracterizaporque hay una transferencia de electrones enporque hay una transferencia de electrones, endonde una sustancia gana electrones y otra sustanciapierde electronespierde electrones. Agente reductor: elemento qumico que suministraelectrones de su estructura qumica al medio,electrones de su estructura qumica al medio,aumentando su estado de oxidacin, es decir, siendooxidado.

Agente oxidante: elemento qumico que tiende a captaresos electrones, quedando con un estado de oxidacini f i l d i i d d idinferior al que tena, es decir, siendo reducido.

2.Nmerodeoxidacin.Normasd t i l dparadeterminarelnmerode

oxidacinoxidacin. La cuantificacin de un elemento qumico se realizamediante su nmero de oxidacinmediante su nmero de oxidacin.

El nmero de oxidacin es un nmero entero querepresenta el nmero de electrones que un tomo ponerepresenta el nmero de electrones que un tomo poneen juego cuando forma un enlace determinado.

Durante el proceso de oxidacin el nmero de Durante el proceso de oxidacin, el nmero deoxidacin del elemento aumenta. En cambio, durantela reduccin el nmero de oxidacin de la especie quela reduccin, el nmero de oxidacin de la especie quese reduce disminuye.

2.Nmerodeoxidacin.Normasd t i l dparadeterminarelnmerode

oxidacin El nmero de oxidacin:

oxidacin.

Aumenta si el tomo pierde electrones (el elementoqumico que se oxida), o los comparte con un tomo quet t d i t ltenga tendencia a captarlos.

Disminuye cuando el tomo gana electrones (elelemento qumico que se reduce) o los comparte con unelemento qumico que se reduce), o los comparte con untomo que tenga tendencia a cederlos.

Normas para determinar elNormasparadeterminarelnmerodeoxidacin.1. El nmero de oxidacin de un elemento libre es cero.

Ej. Los metales no disueltos (Cu, Zn, Al) o los gasesj ( , , ) gdiatmicos (O2, Cl2, F2).

2. En los iones de un nico tomo, el estado de oxidacino nmero de oxidacin de dicho tomo coincide cono nmero de oxidacin de dicho tomo coincide conla carga del in.

Ej. En el caso de los alcalinos catinicos el estado de oxidacines +1 (Li+ Na+ K+ ) y en el caso de los alcalinotrreos +2es +1 (Li+, Na+, K+) y en el caso de los alcalinotrreos +2(Ca+2, Mg+2). Del mismo modo ser para los demsmetales, por ejemplo, en el Fe(II) el estado de oxidacin es+2 y en el Fe(III) +3.+2 y en el Fe(III) +3.

3. El nmero de oxidacin del flor, F, es siempre 1, porser el tomo ms electronegativo que existe.

Normas para determinar elNormasparadeterminarelnmerodeoxidacin.4. El nmero de oxidacin del oxgeno es siempre 2,

con dos excepciones:con dos excepciones: Cuando el oxgeno se combina con flor, su nmero

de oxidacin es +2de oxidacin es +2. Cuando el oxgeno se halla formando un perxido,

como el perxido de hidrgeno o agua oxigenada,como el perxido de hidrgeno o agua oxigenada,H2O2, su nmero de oxidacin es 1.

5. El nmero de oxidacin del hidrgeno es siempre5 g p+1, excepto en los hidruros metlicos que es 1.

Ej. Hidruro sdico, HNaj ,

Normas para determinar elNormasparadeterminarelnmerodeoxidacin.6. Algunos elementos tienen distinto estado de

oxidacin en funcin del compuesto que estnoxidacin en funcin del compuesto que estnformando.

Ej El estado de oxidacin del nitrgeno en el monxidoEj. El estado de oxidacin del nitrgeno en el monxidode nitrgeno, NO, es +2, mientras que el estado deoxidacin del nitrgeno en el dixido de nitrgeno,g g ,NO2, es +4.

Normas para determinar elNormasparadeterminarelnmerodeoxidacin.7. La suma algebraica de los nmeros de oxidacin

de los elementos de un compuesto ha de serde los elementos de un compuesto ha de serigual a su carga, es decir: Si es un compuesto neutro, la suma algebraica de susp g

nmeros de oxidacin ser cero. Si es un catin o un anin ser igual a la carga del in.

P j l l d l i l t ClO ( )Por ejemplo, en el caso del anin perclorato, ClO3(),la suma algebraica de los nmeros de oxidacin ser 1.En este caso, el oxgeno tiene estado de oxidacin 2,gpor lo que (2)3 = 6. De este modo, para que la sumaalgebraica sea 1, el estado de oxidacin del cloro ha deser +5ser +5.

3.Ajustedeecuacionesredox:Mt d d l i l t E diMtododelionelectrn.Enmedioacidoacido1. Escribir la ecuacin en forma inica.2. Escribir las semirreacciones de oxidacin y reduccin.y3. Ajustar los tomos de oxgeno aadiendo molculas de

agua H2O.Aj t l t hid di d i H4. Ajustar los tomos hidrgeno aadiendo iones H+.

5. Ajustar las cargas aadiendo electrones e.6 Multiplicar cada semirreaccin por un nmero para6. Multiplicar cada semirreaccin por un nmero para

igualar la cantidad de electrones transferidos.7. Sumar las semirreacciones para obtener la ecuacin

inica global ajustadainica global ajustada.8. Aadir los iones espectadores para obtener la ecuacin

molecular global ajustada.g j

3.Ajustedeecuacionesredox:Mt d d l i l t E diMtododelionelectrn.Enmedioalcalino1. Escribirlaecuacinenformainica.2. Escribirlassemirreaccionesdeoxidacinyreduccin.

alcalinoy

3. AjustarlostomosdeoxgenoaadiendoelDOBLEdeionesOHenelladoconmenosoxgenos.

4 Ajustarloshidrgenos(yoxgenos)aadiendomolculasde4. Ajustarloshidrgenos(yoxgenos)aadiendomolculasdeH2O.

5. Ajustarlascargasaadiendoelectronese.6 Multiplicarcadasemirreaccin porunnmeroparaigualarla6. Multiplicarcadasemirreaccin porunnmeroparaigualarla

cantidaddeelectronestransferidos.7. Sumarlassemirreaccionesparaobtenerlaecuacininica

globalajustada globalajustada.8. Aadirlosionesespectadoresparaobtenerlaecuacin

molecularglobalajustada.

4.Celdasgalvnicas.LapilaDaniell.g p Es una celda electroqumica que obtiene la energaelctrica a partir de reacciones redox espontneaselctrica a partir de reacciones redox espontneasque tienen lugar dentro de la misma. Por lo general,consta de dos metales diferentes conectados por unconsta de dos metales diferentes conectados por unpuente salino, o semiceldas individuales separadospor una membrana porosa.p p

LapilaDaniell. Consiste de un nodo de zinc metlico central inmerso en una vasija de barro

poroso que contiene una disolucin de sulfato de zinc. La vasija porosa, a suvez est sumergida en una disolucin de sulfato de cobre contenida en una

pvez, est sumergida en una disolucin de sulfato de cobre contenida en unavasija de cobre de mayor dimetro, que acta como ctodo de la celda. El uso deuna barrera porosa evita que los iones de cobre de la disolucin de sulfato decobre alcancen el nodo de zinc y sufran una reduccin directa Esto haracobre alcancen el nodo de zinc y sufran una reduccin directa. Esto haraineficaz la celda porque se llegara al equilibrio, por transferencia directa deelectrones entre Zn y Cu2+, sin generar la corriente elctrica que se obtiene alobligar a los electrones a ir por el circuito exterior.obligar a los electrones a ir por el circuito exterior.

Las semirreaciones (o hemirreacciones) que tienen lugar son:

Electrodo(signo) Procesoqumico Semirreaccion Potencial(V)Electrodo(signo) Procesoqumico Semirreaccion Potencial(V)

nodo(electrodonegativo) OxidacindelZn

Zn(s) Zn2+(aq)+2e E=0,76V

Ctodo(electrodopositivo) ReduccindelCu

2+ Cu2+(aq)+2eCu(s) E=+0,34V

5.Potencialesdeelectrodo Una celda electroqumica se encuentra formada por dosreacciones de semicelda, cada una de las cuales tiene un,potencial de electrodo caracterstico asociado a ella. Lospotenciales de electrodos miden la fuerza impulsora de lasdos semirreacciones cuando por convenio ambas sedos semirreacciones cuando, por convenio ambas seescriben como reducciones.

Para obtener el potencial de celda:p Si Ecelda resulta positivo la reaccin es espontanea en ladireccin escrita. En cambio, si Ecelda es negativa, la

i t l tid t ireaccin ser espontanea en el sentido contrario.

6 Potencial de celda o fuerza6.Potencialdeceldaofuerzaelectromotriz. El potencial de electrodo es el potencial de una celdaelectroqumica que contiene un electrodo de referenciaelectroqumica que contiene un electrodo de referencia.

El potencial de celda puede ser positivo o negativodependiendo de la energa de los electrones del electrodo.dependiendo de la energa de los electrones del electrodo.Cuando esta energa es mayor que la del electrodo estndarde hidrogeno, el potencial del electrodo es negativo;cuando la energa de los electrones del electrodo es menor,el potencial es positivo.

7 Espontaneidad de las reacciones7.Espontaneidaddelasreaccionesredox En una celda electroqumica toda la energa qumica setransforma en energa elctrica La carga elctrica totaltransforma en energa elctrica. La carga elctrica totalque pasa a travs de la celda se calcula por:

F>Constante deFaraday

C l f l t i l i d l ld l

F>Constante deFaradayN>Nmerodemolesdee.

Como la fem es el potencial mximo de la celda y eltrabajo elctrico es la cantidad mxima de trabajo (W)que se puede hacer se llega a:que se puede hacer, se llega a:

7 Espontaneidad de las reacciones7.Espontaneidaddelasreaccionesredox La energa libre es la energa libre para hacer trabajo, esosignifica que el cambio de energa libre representa lasignifica que el cambio de energa libre representa lacantidad mxima de trabajo til que se obtiene de lareaccin: Si la energa libre de Gibbs G, es negativa, significa que hayenerga libre y por lo tanto la reaccin es espontanea. Para que

E ld d b itiocurra eso, Ecelda debe ser positivo. De lo contrario la reaccin no procede.

En valores negativos de la energa libre muy prximo a cero En valores negativos de la energa libre muy prximo a cero,es muy posible que tampoco proceda por el fenmeno desobretensin (aumento de tensin elctrica).sobretensin (aumento de tensin elctrica).

7 Espontaneidad de las reacciones7.Espontaneidaddelasreaccionesredox Una reaccin espontanea puede ser utilizada paragenerar energa elctrica Es lo que hace una pila degenerar energa elctrica. Es lo que hace una pila decombustible.

En una celda electroqumica la relacin entre la En una celda electroqumica, la relacin entre laconstante de equilibrio K, y la energa libre de Gibbs sepuede expresar de la siguiente forma:puede expresar de la siguiente forma:

D j E Despejamos Ecelda:

8.EcuacindeNernst. La ecuacin de Nernst se utiliza para calcular elpotencial de reduccin de un electrodo fuera de laspotencial de reduccin de un electrodo fuera de lascondiciones estndar (concentracin 1 M, presin de 1atm temperatura de 298 K 25 C)atm, temperatura de 298 K 25 C).

Se llama as en honor al cientfico alemn WaltherNernst que fue quien la formul en 1889Nernst, que fue quien la formul en 1889.

8.EcuacindeNernst. E es el potencial corregido del electrodo. E el potencial en condiciones estndar (los potenciales se encuentranE el potencial en condiciones estndar (los potenciales se encuentran

tabulados para diferentes reacciones de reduccin). R la constante de los gases.

( ) T la temperatura absoluta (escala Kelvin). n la cantidad de mol de electrones que participan en la reaccin. F la constante de Faraday (aproximadamente 96500 C/mol) F la constante de Faraday (aproximadamente 96500 C/mol). Ln(Q) es el logaritmo neperiano deQ que es el cociente de reaccin.