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Reacciones redox

Celdas electroquímicas (pilas)

celda-electroquimica

Un proceso redox produce una transferencia de electrones, pues el agente reductor al oxidarse desprende electrones que son captados por el agente oxidante al reducirse. Si separamos físicamente el proceso de oxidación del de reducción y utilizamos un hilo conductor para que los electrones que cede la especie que se oxida lleguen hasta la especie que se reduce originaremos una corriente eléctrica en el hilo.

Se denominan celdas electroquímicas, celdas galvánicas o pilas a los dispositivos que son capaces de transformar la energía química originada en un proceso redox espontáneo en energía eléctrica.

Pila Daniell

Una pila es un dispositivo formado por:

  • Dos recipientes, en cada uno de los cuales se coloca una disolución de un electrolito y una barra metálica (del mismo metal que el electrolito disuelto en cada recipiente), denominados electrodos (o semiceldas o semipilas). En rigor, el electrodo es el metal que introducimos en la disolución, aunque habitualmente se extiende al conjunto formado por el metal y la disolución.

Una pila Daniell está formada por un electrodo de zinc (una barra de zinc en contacto con sulfato de zinc) y un electrodo de cobre (una barra de cobre en contacto con sulfato cúprico).

  • Un hilo conductor que une las dos barras metálicas y permite el flujo de electrones. A él va asociado algún instrumento de medida que permita detectar el paso de corriente (un voltímetro, por ejemplo).
  • Un puente salino que contiene una disolución acuosa de una sal formada por iones que no intervienen en el proceso redox y que permite mantener la neutralidad de las disoluciones.

En la siguiente imagen se muestra una pila de cobre y zinc:

Daniell_Cell

En cada electrodo tiene lugar una reacción redox:

  • Se denomina ánodo o electrodo negativo a aquel en el que tiene lugar la oxidación, en este caso la oxidación del zinc.
  • Se denomina cátodo o electrodo positivo a aquel en el que tiene lugar la reducción, en este caso la reducción del cobre.

La oxidación del Zn hace que aumente la carga positiva en su semicelda mientras que en la semicelda del Cu aumenta la carga negativa con la reducción: la semicelda con carga positiva se hace más positiva, y la semicelda negativa se hace más negativa, por lo que es necesario incorporar al dispositivo un puente salino para evitar que la reacción se pare.

El puente salino contiene una disolución de un electrolito inerte (como KCl), que no interviene en el proceso redox de nuestra pila, que se encarga de mantener constante la neutralidad eléctrica de las disoluciones: aporta aniones a la semicelda positiva y cationes a la semicelda negativa.

También es posible mantener la neutralidad eléctrica si para separar las dos semiceldas se utiliza una membrana porosa que permita la migración de iones:

pila-membrana-porosa

De manera abreviada, se puede representar una pila de la siguiente manera:

esquema-pila-daniell

Por convenio, a la izquierda se escribe el ánodo y a la derecha el cátodo. La doble barra que los separa simboliza el puente salino, mientras que la barra simple representa la separación entre dos fases distintas (la disolución y la barra metálica).

La diferencia de potencial entre los dos electrodos es la fuerza electromotriz de la pila, que será el factor que determine su espontaneidad.

Tipos de electrodos

  • Electrodo metálico de metal activo

Está formado por una barra de metal sumergida en una disolución de sus propios iones. El metal de la barra interviene en el proceso redox. Es el caso de los electrodos de la pila Daniell.

  • Electrodo metálico de metal inerte

En ocasiones la reacción redox tiene lugar entre los iones en disolución, sin intervención del electrodo metálico. Su función es conducir los electrones entre las semiceldas. Se emplean metales inertes, tales como el platino o el grafito.

  • Electrodo de gases

Cuando interviene un gas en un proceso redox es imprescindible utilizar un dispositivo que permita alojarlo en su interior y que contenga un conductor inerte (un hilo de platino, por ejemplo) que transporte los electrones.

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Ejercicios: valoraciones redox

Veamos un par de ejemplos de valoraciones redox con permanganato (permanganimetrías):

Ejercicio 1

Ejercicio-valoracion-redox-permanganato-1

Ejercicio 2

Ejercicio-valoracion-redox-permanganato-2

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Valoraciones redox

Una valoración redox nos permite determinar la concentración de una disolución al hacerla reaccionar en un proceso redox con otra cuya concentración es conocida.

permanganimetría

El momento en el que se ha completado la reacción entre oxidante y reductor se denomina punto de equivalencia, que puede determinarse a partir de la estequiometría de la reacción.

Equivalentes y normalidad

El número de equivalentes de una especie que interviene en una reacción redox es igual al número de electrones que pone en juego en dicho proceso. Teniendo esto en cuenta, se define la normalidad de una disolución como:

Redox-equivalentes

El agente reductor aporta electrones que son captados por el oxidante. El punto de equivalencia se alcanza cuando los equivalentes de oxidante coinciden con los equivalentes del reductor:

Nox · Vox = Nred · Vred

Punto final de la valoración

Se denomina punto final al momento en el cual se estima que una valoración ha terminado, pues la reacción entre oxidante y reductor ha concluido. Se puede determinar:

  • Mediante medidas potenciométricas: se observa un salto en la medida del potencial del medio en torno al punto de equivalencia.
  • Usando indicadores redox: sustancias que presentan una coloración diferente en sus formas oxidada y reducida. No obstante, algunos agentes valorantes como el permanganato potásico no precisan de la utilización de indicadores, pues el propio reactivo presenta colores diferentes en su forma oxidada y en la reducida.

Permanganimetría

Un tipo de valoraciones redox muy conocidas son las que tienen lugar en presencia de permanganato, ya que es un agente oxidante que presenta un color distinto en su forma oxidada (color púrpura) y en su forma reducida (incoloro). Se dice, entonces, que el permanganato es un autoindicador.

Una reacción típica es la que tiene lugar entre el permanganato y el agua oxigenada, como verás en los siguientes ejercicios.

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Ejercicios: ajuste de reacciones redox (método del ion-electrón)

En muchas ocasiones el ajuste de las reacciones redox es el primer paso para realizar cálculos relacionados con la estequiometría de las reacciones:

Ejercicio 1

Ejercicios-ajuste-redox-01

Ejercicio 2

Ejercicios-ajuste-redox-02

Ejercicio 3

Ejercicios-ajuste-redox-03

Ejercicio 4

ejercicios-ajuste-redox-04

Ejercicio 5

Ejercicios-ajuste-redox-05

Ejercicio 6

Si quieres practicar con unos ajustes más…

Ejercicios-ajuste-redox-06

Las valoraciones redox son una aplicación de estas reacciones. Puedes ver unos ejercicios aquí.

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Ejercicios: conceptos de oxidación y reducción

Hay que tener bien claros los conceptos de oxidación y reducción, así como los de oxidante, reductor, forma oxidada, forma reducida, número de oxidación… Son expresiones que debemos manejar con soltura y que intentaremos aclarar con estos ejercicios:

Ejercicio 1

Ejercicios-redox-01

Ejercicio 2

Ejercicios-redox-02

Ejercicios-redox-03

Más ejemplos tienes en las reacciones redox que se proponen en los siguientes ejercicios.