Reacciones redox y electroquímica
Todo se reduce a electrones que cambian de dueño. Si el proceso es espontáneo, ese trasiego produce corriente y tenemos una pila; si no lo es, hay que forzarlo con una fuente y tenemos una electrólisis. Es el bloque de la pregunta 5.
Ajuste por el método del ion-electrón
Problema 3B y apartado a) de la pregunta 5La idea. Se separa la reacción en dos mitades —la que pierde electrones (oxidación) y la que los gana (reducción)—, se ajusta cada una por separado y se suman después de igualar el número de electrones.
Oxidante y reductor: quién hace qué
Las dos palabras se confunden porque describen la misma pareja desde lados opuestos. La especie que se reduce (gana electrones y su número de oxidación baja) es el oxidante: oxida a la otra quitándole electrones. La que se oxida (cede electrones y su número de oxidación sube) es el reductor. No hay una sin la otra: los electrones que pierde el reductor son exactamente los que gana el oxidante.
| Oxidante | Reductor | |
|---|---|---|
| Electrones | Los gana | Los cede |
| Número de oxidación | Baja | Sube |
| Él mismo sufre una | Reducción | Oxidación |
| Los que más caen | $\text{MnO}_4^-$, $\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}$, $\text{HNO}_3$, $\text{Cl}_2$ | Metales ($\text{Zn}$, $\text{Al}$, $\text{Fe}$), $\text{Fe}^{2+}$, $\text{I}^-$ |
El guion, sin saltarse ningún paso
- Asigna números de oxidación y localiza quién sube y quién baja.
- Escribe las dos semirreacciones con las especies reales (iones, no sales enteras).
- Ajusta átomos distintos de H y O; después el oxígeno con $\text{H}_2\text{O}$ y el hidrógeno con $\text{H}^+$ (medio ácido).
- Ajusta la carga añadiendo electrones.
- Multiplica para igualar electrones y suma.
- Pasa a la ecuación molecular devolviendo los iones espectadores.
Las semirreacciones que más caen
Ajuste por el método del ion-electrón la reacción del aluminio con ácido sulfúrico: $\text{Al} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{H}_2$.
Ver la solución paso a paso
Quién se oxida y quién se reduce
El aluminio pasa de 0 a +3 (se oxida). El azufre entra y sale como sulfato, con +6: es espectador. El que se reduce es el hidrógeno, de +1 a 0.
Semirreacciones
Igualando a 6 electrones y sumando:
Ecuación molecular
Los 6 protones vienen de 3 $\text{H}_2\text{SO}_4$, cuyos 3 sulfatos acompañan a los dos $\text{Al}^{3+}$:
Del ajuste al cálculo: estequiometría redox
Una vez ajustada, la ecuación redox se usa como cualquier otra: sus coeficientes dan la relación de moles entre oxidante y reductor, y de ahí se pasa a masas, a volúmenes de disolución ($n = M\,V$) o a volúmenes de gas ($pV = nRT$). Es el apartado b) de casi todos los problemas de ajuste y la base de las valoraciones redox, en las que se añade poco a poco una disolución de concentración conocida (casi siempre el oxidante, $\text{KMnO}_4$ o $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$) hasta consumir exactamente la otra especie.
Si al valorar 25,0 mL de una disolución de $\text{Fe}^{2+}$ se gastan 20,0 mL de $\text{KMnO}_4$ 0,020 M: $n(\text{MnO}_4^-) = 0{,}020 \cdot 0{,}0200 = 4{,}0\cdot10^{-4}$ mol, luego $n(\text{Fe}^{2+}) = 5 \cdot 4{,}0\cdot10^{-4} = 2{,}0\cdot10^{-3}$ mol y $[\text{Fe}^{2+}] = 2{,}0\cdot10^{-3}/0{,}0250 = 0{,}080$ M.
Míralo
Pilas galvánicas y potenciales
Cuestión 2A y pregunta 5La idea. Con una tabla de potenciales normales de reducción se contesta cualquier "¿ocurre o no ocurre?": se reduce el par de mayor $E^\circ$ y se oxida el de menor.
| Ánodo | Cátodo | |
|---|---|---|
| Qué ocurre | Oxidación | Reducción |
| Signo en la pila | Negativo | Positivo |
| Signo en la electrólisis | Positivo | Negativo |
| La masa del electrodo | Disminuye | Aumenta |
| Los electrones circulan siempre del ánodo al cátodo por el hilo externo | ||
Cómo está hecha una pila: electrodos y puente salino
Una pila galvánica consta de dos semiceldas separadas, cada una con un electrodo sumergido en una disolución: en la pila Daniell, cinc en $\text{ZnSO}_4$ y cobre en $\text{CuSO}_4$. Si el par no tiene metal (por ejemplo, $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), se usa un electrodo inerte de platino o grafito, que solo conduce los electrones. En la superficie de los electrodos ocurre la transferencia: el ánodo de cinc se disuelve ($\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$) y sobre el cátodo se deposita cobre ($\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$). Los electrones pasan de uno a otro por el hilo externo.
El puente salino es un tubo con una disolución concentrada de un electrolito inerte ($\text{KCl}$, $\text{KNO}_3$) que une las dos disoluciones. Sirve para cerrar el circuito y mantener la neutralidad eléctrica de cada semicelda. Por él viajan iones: los aniones hacia el ánodo, donde aparecen cationes $\text{Zn}^{2+}$, y los cationes hacia el cátodo, donde se gastan los $\text{Cu}^{2+}$. Sin él, las cargas se acumulan y la corriente se detiene enseguida.
Una aplicación de examen: los ánodos de sacrificio
Para proteger una estructura de hierro se le suelda un metal más reductor, es decir, con $E^\circ$ más negativo que el del hierro. Ese metal se oxida en su lugar y el hierro hace de cátodo. Sirven el cinc ($-0{,}76$), el aluminio ($-1{,}67$) y el magnesio ($-2{,}38$); no la plata ni el cobre, que acelerarían la corrosión.
Se sumerge níquel ($E^\circ = -0{,}25$ V) en una disolución de $\text{Cu}^{2+}$ ($E^\circ = +0{,}34$ V). ¿Qué ocurre?
Electrólisis y leyes de Faraday
Problema 3A y apartado b) de la pregunta 5La idea. Una electrólisis es una reacción redox no espontánea ($E^\circ < 0$) que se fuerza con una fuente externa. La cantidad de sustancia que se transforma es proporcional a la carga que ha pasado.
Conviene hacerlo por pasos en lugar de aplicar la fórmula de memoria, porque así el número $n$ aparece solo:
Errores frecuentes
- Olvidar el número de electrones de la semirreacción (el "2" del $\text{Mg}^{2+}$).
- Escribir $\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + e^-$ sin el 2: el cloro es diatómico.
- Usar 6 HCl en vez de 14 al pasar de ecuación iónica a molecular con dicromato.
- Multiplicar $E^\circ$ por los coeficientes al igualar electrones.
- Afirmar que en una electrólisis $E^\circ > 0$: es un proceso no espontáneo.
- Deducir el sentido de los electrones por los signos "+" y "−", que se invierten entre pila y cuba.
Lo que hay que llevarse
- Ion-electrón: dos semirreacciones, O con agua, H con protones, cargas con electrones, igualar y sumar.
- La ecuación molecular necesita todos los iones espectadores: cuenta los átomos al terminar.
- Se reduce el par de mayor $E^\circ$; $E^\circ_{\text{pila}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ánodo}}$.
- Espontánea si $E^\circ > 0$, es decir, $\Delta G^\circ = -nFE^\circ < 0$.
- Ánodo = oxidación y cátodo = reducción siempre; lo que se invierte entre pila y cuba son los signos.
- Faraday paso a paso: $Q = It$, $\text{mol }e^- = Q/F$, y dividir por $n$.
- El tiempo, en segundos; la temperatura de los gases, en kelvin.
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