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9. Reacciones oxidación-reducción. Contenidos. Conceptos básicos. Estado de oxidación; oxidación y reducción; semirreacción; ajuste de reacciones redox; valoraciones redox Electroquímica. Serie electromotriz: semirreacciones y potenciales de electrodo. Aplicaciones.

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9 reacciones oxidaci n reducci n

9. Reacciones oxidación-reducción

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

contenidos
Contenidos

Conceptos básicos.

Estado de oxidación; oxidación y reducción; semirreacción; ajuste de reacciones redox; valoraciones redox

Electroquímica.

Serie electromotriz: semirreacciones y potenciales de electrodo.

Aplicaciones.

Reacciones espontáneas: pilas.

Fuerza electromotriz y energía libre.

Efecto de la concentración sobre el voltaje: Ecuación de Nernst.

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

bibliograf a recomendada
Bibliografía recomendada
  • Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003).
    • Secciones 3.4, 5.4, 5.5, 21.1, 21.2, 21.3, 21.4

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

conceptos b sicos

Conceptos básicos

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

estado de oxidaci n
Estado de oxidación
  • Estado de oxidación (o número de oxidación) de un átomo en una molécula
    • Es un número que se le asigna y que indica de modo aproximado la estructura electrónica de ese átomo en esa molécula
    • Regla general de asignación de estados de oxidación (e.o.):
      • se imagina la situación límite (no real) de que los electrones de un enlace se hayan transferido completamente al átomo más electronegativo del enlace
      • el estado de oxidación de cada átomo es la carga que tiene tras esta operación mental
        • e.o. positivo: el átomo pierde total o parcialmente electrones en la molécula respecto al átomo aislado neutro
        • e.o. negativo: el átomo gana total o parcialmente electrones en la molécula respecto al átomo aislado neutro

[Lectura: Petrucci 3.4]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

estado de oxidaci n1
Estado de oxidación
  • Reglas básicas de asignación de estados de oxidación:
    • Los e.o. de los átomos en sus compuestos de determinan aplicando las reglas siguientes, en orden, hasta donde sea necesario:
    • El e.o. de un átomo individual sin combinar químicamente con otros elementos es 0
    • La suma de los e.o. de todos los átomos de una molécula neutra es 0; la de todos los átomos de un ión es la carga del ión
    • En sus compuestos, los metales alcalinos (Grupo 1) tienen e.o. +1 y los alcalinotérreos (Grupo 2) tienen e.o. +2
    • En sus compuestos, el e.o. del F es -1
    • En sus compuestos, el e.o. del H es +1
    • En sus compuestos, el e.o. del O es -2
    • En sus compuestos binarios con metales, los elemetos del Grupo 17 (F, Cl, ...) tienen e.o. -1, los del Grupo 16 (O, S, ...) tienen e.o. -2, y los del Grupo 15 (N, P, ...) tienen e.o. -3

[Lectura: Petrucci 3.4]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

estado de oxidaci n2
Estado de oxidación

Ejemplos:

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

oxidaci n reducci n y reacci n de oxidaci n reducci n o redox
Oxidación, reducción y reacción de oxidación-reducción o redox
  • Oxidación:
    • aumento del e.o. o pérdida de electrones
  • Reducción:
    • disminución del e.o. o ganancia de electrones
  • Reacción redox o de oxidación-reducción:
    • reacción de transferencia de electrones, en la que algunos elementos se oxidan y otros se reducen
  • Oxidante:
    • reactivo que gana electrones y se reduce
  • Reductor:
    • reactivo que cede electrones y se oxida

[Lectura: Petrucci 5.4]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

oxidaci n reducci n y reacci n de oxidaci n reducci n o redox1
Oxidación, reducción y reacción de oxidación-reducción o redox

gana electrones

pierde electrones

y se oxida de +2 a +4

y se reduce de +3 a 0

es el oxidante

es el reductor

se reduce a

se oxida a

gana electrones

pierde electrones

y se oxida de 0 a +2

y se reduce de +1 a 0

es el oxidante

es el reductor

se reduce a

se oxida a

[Lectura: Petrucci 5.4]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

oxidaci n reducci n y reacci n de oxidaci n reducci n o redox2
Oxidación, reducción y reacción de oxidación-reducción o redox

: (coenzima de función metabólica) dinucleótido de nicotinamida-adenina

: forma oxidada del

: forma reducida del

gana electrones

pierde electrones

y se oxida de -2 a 0

y se reduce de +1 a -1

es el oxidante

es el reductor

se reduce a

se oxida a

[Lectura: Petrucci 5.4]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

semirreacciones
Semirreacciones
  • Semirreacciones de reducción y de oxidación:
    • cada una de las dos partes en que se separa una reacción redox y en las que se aíslan la reducción (ganancia de e-) y la oxidación (pérdida de e-)

Reacción redox global

semirreacción de reducción

semirreacción de oxidación

Reacción redox global

semirreacción de reducción

semirreacción de oxidación

[Lectura: Petrucci 5.4]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

ajustes de reacciones redox
Ajustes de reacciones redox
  • Método del ión-electrón
    • Descomponer los compuestos en sus iones –los que se formarían en disolución acuosa-.
    • Identificar elementos que cambian su número de oxidación y escribir semirreacciones iónicas de oxidación y de reducción.
    • Ajustar las semirreacciones como si éstas tuviesen lugar en medio ácido, con la ayuda de H+ y de H2O.
      • Ajustar los átomos que no sean H ni O
      • Ajustar los O, utilizando H2O
      • Ajustar los H, utilizando H+
      • Ajustar la carga utilizando e-
    • Sumar las semirreacciones ponderadas de modo que se equilibre el número de electrones.
      • Los H+ y H2O auxiliares se eliminarán automáticamente en este paso.
    • Completar la reacción con los compuestos o iones que no participan en las oxidaciones y reducciones.
    • Obtener los compuestos que se habían disociado en iones en el paso 1. a partir de esos mismos iones

[Lectura: Petrucci 5.5]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

ajustes de reacciones redox globales
Ajustes de reacciones redox globales

Ejemplo:

1.

2+3.

3.2

3.3

3.4

4.

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

ajustes de reacciones redox globales1
Ajustes de reacciones redox globales

Ejemplo:

5.

6.

[Recomendación: Petrucci ejemplo 5.6]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

valoraciones redox
Valoraciones redox
  • Determinación de la concentración de un reactivo en una disolución por medio de una reacción redox (ajustada)
    • El punto de equivalencia se determina por un cambio brusco: cambio de color, aparición de precipitado, ...
    • Ejemplo: Valoración redox de MnO4- (permanganato) con HSO3- (bisulfito) en medio ácido

violeta

incoloro

Problema:

desconocida

conocido

Valorante:

conocida

Se añaden gotas de un ácido fuerte, p.ej.

Se determina el punto de equivalencia por cambio de color: de violeta a incoloro. Se mide

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

electroqu mica

Electroquímica

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

slide17

paso del tiempo

paso del tiempo

¿Podemos prever si se dará o no una reacción redox? (poder oxidante y reductor)

• ΔG

• Potenciales de electrodo (un criterio adicional, sencillo, derivado del anterior)

[Lectura: Petrucci 21.1]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

semic lulas electroqu micas
Semicélulas electroquímicas

¿Podemos separar las semirreacciones de oxidación y de reducción?

reducción:

oxidación:

electrodo de

electrodo de

semicélula

semicélula

[Lectura: Petrucci 21.1]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

c lulas electroqu micas
Células electroquímicas

Un instrumento para separar las semirreacciones de oxidación y de reducción en recipientes distintos

reducción:

oxidación:

+0,422 V

potenciómetro

puente salino

semicélula

semicélula

Ánodo

Cátodo

(oxidación)

(reducción)

[Lectura: Petrucci 21.1]

ánodo

cátodo

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

c lulas electroqu micas1
Células electroquímicas

-1,098 V

potenciómetro

puente salino

semicélula

semicélula

reducción:

oxidación:

[Lectura: Petrucci 21.1]

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

c lulas electroqu micas2
Células electroquímicas

reducción:

oxidación:

+1,098 V

potenciómetro

puente salino

semicélula

semicélula

Ánodo

Cátodo

(oxidación)

(reducción)

[Lectura: Petrucci 21.1]

ánodo

cátodo

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

electroqu mica1
Electroquímica
  • Se diseña una célula electroquímica para que se dé cierta reacción redox:
    • Si el voltaje es positivo la reacción se da.
    • Si el voltaje es negativo se da la reacción inversa.
    • Si el voltaje es nulo no se da ni la reacción directa ni la inversa (se dan ambas en igual medida: hay equilibrio químico).

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

c lulas electroqu micas3
Células electroquímicas

Ejemplo: El aluminio metálico desplaza al ion zinc(II) de sus disoluciones acuosas.

a) Escribe las semirreacciones de reducción y oxidación y la ecuación global.

b) ¿Cuál es la notación de la célula electroquímica en la que tiene lugar esa reacción?

reducción:

oxidación:

global:

célula electroquímica:

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales de electrodo

Potenciales de electrodo

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales de electrodo escala internacional
Potenciales de electrodo (escala internacional)
  • El voltaje medido en una célula electroquímica es la diferencia de potencial entre sus electrodos, o fuerza electromotriz FEM.
    • Una dif. de potencial de 1 V indica que se realiza un trabajo de 1 J por cada 1 C de carga que pasa por el circuito eléctrico; o que hay suministrar una energía de 1 J para que pase 1 C de carga (según el convenio de signos)
  • Podríamos calcular FEM de células electroquímicas hipotéticas si conociésemos los potenciales de sus electrodos, por resta.
  • No existe una escala absoluta de potenciales de electrodo.
  • Se define una escala arbitraria de potenciales de electrodo, por convenio internacional, por medio de:

1) asignar potencial cero a un electrodo concreto, el electrodo estándar de hidrógeno, y

2) elegir el signo de la FEM de modo que a mayor valor del potencial mayor tendencia a reducirse (mayor poder oxidante).

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales de electrodo escala internacional1
Potenciales de electrodo (escala internacional)
  • Electrodo de referencia:

electrodo estándar de hidrógeno (EEH)

  • (signo de los) Potenciales de reducción
  • Potencial de reducción de una semicélula cualquiera (un electrodo):
    • Se construye una célula con ella y con un EEH y se mide el voltaje
    • Se observa si este electrodo actúa de ánodo o de cátodo

electrodo en el que hay reducción

electrodo en el que hay oxidación

si en la semicélula hay reducción (cátodo):

si en la semicélula hay oxidación (ánodo):

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales de electrodo escala internacional2
Potenciales de electrodo (escala internacional)
  • Un potencial de reducción >0 indica una mayor capacidad para reducirse que el EEH
    • en el electrodo habrá una reducción y en el EEH una oxidación
    • cuanto más positivo el potencial de reducción, mayor poder oxidante
    • cuanto más arriba en la escala de potenciales de reducción, mayor poder oxidante
  • Un potencial de reducción <0 indica una menor capacidad para reducirse que el EEH
    • en el electrodo habrá una oxidación y en el EEH una reducción
    • cuanto más abajo en la escala de potenciales de reducción, menor poder oxidante, o mayor poder reductor
  • Sólo se tabulan los potenciales de electrodos en condiciones estándar a 298K:
    • potenciales estándar de electrodo, o de reducción, a 298K

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales de reducci n a 298k
Potenciales de reducción a 298K

Preparación

Observación

cátodo (reducción)

ánodo (oxidación)

Conclusión

(no se tabula)

+0,319 V

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales de reducci n a 298k1
Potenciales de reducción a 298K

Preparación

Observación

cátodo (reducción)

ánodo (oxidación)

Conclusión

(no se tabula)

cátodo (reducción)

ánodo (oxidación)

Conclusión

(SE TABULA)

cátodo (reducción)

ánodo (oxidación)

Conclusión

(SE TABULA)

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales de reducci n a 298k2
Potenciales de reducción a 298K

Preparación

Observación

ánodo (oxidación)

cátodo (reducción)

Conclusión

(SE TABULA)

-0,763 V

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales est ndar de reducci n a 298k
Potenciales estándar de reducción a 298K

poder reductor(tendencia a oxidarse)

poder oxidante(tendencia a reducirse)

http://www.uam.es/departamentos/ciencias/quimica/aimp/luis/Docencia/QB/Otro_material/Potenciales_estandar_reduccion.htm

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

potenciales est ndar de reducci n a 298k1
Potenciales estándar de reducción a 298K

Electrodo

Semirreacción de reducción

Ej.: La batería de zinc-cloro tiene como reacción neta: Zn(s)+Cl2(g)ZnCl2(ac). ¿Cuánto vale el voltaje o FEM de la pila voltaica estándar a 298K?

Ej.: Semirreacciones, reacción global y voltaje de las pilas estándar cobre-plata y cobre-zinc a 298K?

Red:

Red:

Ox:

Ox:

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

relaciones e cel g k eq

Relaciones Ecel-ΔG-Keq

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

relaci n e cel g
Relación Ecel-ΔG
  • -ΔG es el trabajo que se puede obtener de un proceso a P y T constantes. (Cuando la energía interna se convierte en trabajo, es necesario convertir parte de ella en calor.)
  • La carga que circula por una célula electroquímica en la que se transfieren n mol de e-, es:
  • El trabajo eléctrico que realiza una pila es:
  • Luego:
  • Reacción (a P,T ctes) espontánea si ; es decir, si

Si una reacción redox tiene Ecel>0 en unas condiciones de concentraciones y temperatura dadas, es espontánea en esas condiciones.

Si tiene Ecel<0, la reacción inversa es espontánea en esas condiciones.

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

relaci n e cel k eq
Relación Eºcel-Keq

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

efecto de las concentraciones sobre la fuerza electromotriz

Efecto de las concentraciones sobre la fuerza electromotriz

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

ecuaci n de nernst variaci n de la fem de una pila con las concentraciones
Ecuación de NernstVariación de la FEM de una pila con las concentraciones

Los voltajes de las células electroquímicas de las diapositivas 19 y 21 no coinciden con las diferencias entre los potenciales de reducción estándar (diap.32) a 298K.

¿Cómo cambian los potenciales con las concentraciones?

Ecuación de Nernst

(variación de la fuerza electromotriz de una pila con la concentración)

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

ecuaci n de nernst variaci n de la fem de una pila con las concentraciones1
Ecuación de NernstVariación de la FEM de una pila con las concentraciones

Los voltajes de las células electroquímicas de las diapositivas 19 y 21 no coinciden con las diferencias entre los potenciales de reducción estándar (diap.32) a 298K.

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

ecuaci n de nernst variaci n de la fem de una pila con las concentraciones2
Ecuación de NernstVariación de la FEM de una pila con las concentraciones

En una pila formada por las semipilas

¿Qué reacción se producirá espontáneamente en condiciones estándar a 298K?

¿Y en condiciones bioquímicas estándar a 298K (pH=7)?

Si...

Red:

Ox:

por lo que en condiciones estándar se da espontáneamente esa reacción

por lo que en condiciones bioquímicas estándar se da espontáneamente la reacción opuesta

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

fundamento del ph metro
Fundamento del pH-metro

En cualquier célula electroquímica en que H+ intervenga en una semicélula, el voltaje varía linealmente con el pH de dicha semicélula

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

fundamento del ph metro1
Fundamento del pH-metro

En cualquier célula electroquímica en que H+ intervenga en una semicélula, el voltaje varía linealmente con el pH de dicha semicélula

Química (1S, Grado Biología) UAM 9. Reacciones de oxidación-reducción

uso del ph metro
Uso del pH-metro

1) Calibrado

Dos disoluciones reguladoras de pH conocido

2) Medida

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