Reacciones Redox

Habilidades para Desarrollar

• Describir lo que ocurre en una reacción redox
• Identificar patrones redox en la tabla periódica

Las reacciones redox son reacciones en las que los electrones cambian de lealtad. Lealtad significa lealtad o compromiso con un grupo, como tu lealtad a tu familia o tu país. Si decides salir de tu casa y convertirte en ciudadano de un nuevo país, has cambiado de lealtad. Por supuesto, podrías ser capaz de compartir tu lealtad entre tu antiguo país y tu nuevo país siendo ciudadano de ambos países al mismo tiempo. Esto es similar a lo que hacen los electrones. Tienen lealtad a un núcleo, y a veces durante una reacción desplazarán la lealtad a un núcleo diferente. Podrían cambiar la lealtad por completo, si el nuevo núcleo es mucho mejor para ellos que el antiguo, o podrían cambiar parcialmente, y compartir su lealtad entre los dos. (Además, los electrones, como las personas, pueden pasar algún tiempo cerca de núcleos a los que no pertenecen, al igual que puedes visitar países donde no vives, y luego volver cerca de su núcleo principal, ¡aunque los viajes de los electrones son mucho más cortos que los nuestros!)

Patrones Redox en la Tabla Periódica

Todos los átomos neutros tienen una población de electrones igual a su número de protones. Los átomos, al igual que los países, siempre tienen ciudadanos de élite a los que tratan muy bien (poder, dinero...) y estos ciudadanos de élite son demasiado cómodos para cambiar lealtad a menos que sean secuestrados o algo así. A diferencia de los países, los átomos siempre tienen sólo un pequeño número de ciudadanos no elitistas, entre 0 y 8, aproximadamente, pero generalmente no más de 3 o 4. Estos electrones no elitistas cambiarán fácilmente la lealtad si obtienen una mejor oferta.

¿Cuáles son las partes buenas de la tabla periódica? El flúor es como el cielo para los electrones, básicamente nunca se irán. Si el flúor está aceptando inmigrantes, los electrones saldrán de cualquier otro lugar para trasladarse a F. El oxígeno es el segundo mejor. (El flúor nos parece desagradable porque no queremos que nuestros electrones ciudadanos nos dejen por flúor. ¡Tenemos trabajos para que ellos hagan!) Los gases nobles son naciones distantes, sus poblaciones de electrones casi nunca cambian. Sus ciudadanos no quieren irse, y tampoco quieren inmigrantes molestos. En general, la esquina superior derecha de la tabla periódica son buenas naciones cómodas para vivir. La parte inferior izquierda es un lugar tan malo para vivir que los electrones destruirán propiedades en su prisa por irse. (Mira este video para ver un ejemplo) Esto muestra “nivel de vida” a través de la tabla periódica. Los elementos rojos tenderán a mantener sus propios electrones y atraer electrones de otros núcleos; los elementos amarillos tenderán a perder sus electrones no elitistas.

Las sustancias iónicas son como alianzas entre naciones con niveles de vida realmente diferentes. Los electrones no elitistas del metal intentarán cambiar la lealtad al no metal. En las sustancias moleculares, también llamadas covalentes, los electrones tendrán doble ciudadanía, aunque podrían tener una lealtad ligeramente mayor a un núcleo que a otro, porque se trata de alianzas entre núcleos no metálicos igualmente cómodos.

Otra ilustración de los patrones redox en la tabla periódica. Los elementos que existen en la naturaleza con carga negativa son aquellos que suelen aceptar inmigrantes (electrones). En tanto los elementos que existen en la naturaleza con una carga positiva son aquellos que suelen perder electrones.

Estados de oxidación: redox desde la perspectiva de los núcleos

Con todos estos electrones duales ciudadanos, con lealtad parcial a varios núcleos, puede llegar a ser difícil contar la población de electrones en cada núcleo. El número de oxidación es un procedimiento para contar. En este procedimiento, los electrones se cuentan como pertenecientes completamente a los núcleos a los que sienten la mayor lealtad. Se cuenta el número de electrones que sienten lealtad primaria a cada núcleo, y se resta el número de protones en ese núcleo. Pero hay atajos para que esto sea más rápido usando reglas de valencia. Por ejemplo, en CO ₂, el oxígeno tiene una valencia normal de 2. Esto significa que puede aceptar 2 electrones extra ciudadanos por núcleo, por lo que tiene un número de oxidación de -2. Por lo tanto, debido a que hay 2 núcleos O, el carbono pierde 4 electrones ciudadanos, quienes transfieren su lealtad primaria a O. Así, el carbono tiene un número de oxidación de +4, porque tiene 4 electrones verdaderamente leales menos que los protones.

Cómo contar los estados de oxidación:

• En forma elemental, todos los núcleos tienen oxidaciones número 0
• En iones de un solo núcleo, el número de oxidación es la carga
• Los núcleos alcalinos siempre tienen un número de oxidación de +1, a menos que estén en forma metálica
• Los núcleos alcalinotérreos siempre tienen un número de oxidación de +2, a menos que estén en forma metálica
• El oxígeno casi siempre tiene un número de oxidación de -2, a menos que esté en una unidad O-O como el peróxido
• Los no metales tienen números de oxidación negativos cuando se unen a metales y números de oxidación positivos cuando se unen a O o F.
• Los halógenos tienen un número de oxidación de -1 a menos que estén unidos a O o F. F es siempre -1 a menos que estén en forma elemental.
• La suma de todos los números de oxidación de una molécula o ion es su carga global (0 si es neutra, +2 si es un catión dipositivo, etc.)

Tipos de Reacciones Redox

La oxidación se refiere a un proceso en el que algo pierde electrones, y tiene su número de oxidación incrementado. Esto suele suceder a los compuestos que reaccionan con el gas oxígeno, razón por la cual se le llama oxidación. La reducción se refiere a un proceso en el que algo gana electrones, y su número de oxidación se reduce. En realidad no es precisamente de donde vino la palabra. Cuando un óxido metálico se reduce al metal elemental y a un compuesto elemental no metálico o no metálico, la masa de sólido disminuye debido a que el no metal generalmente sale como un gas. Esta reducción en la cantidad es de donde viene la palabra. Cuando se piensa en ello, para que una cosa se oxide, hay que reducir otra cosa (porque los electrones no pueden aparecer de la nada), razón por la cual a menudo usamos la palabra combinada redox.

Un ejemplo de una reacción redox con los números de oxidación por encima de sus respectivos elementos (es decir, Mn en _{MnO 2} tiene un número de oxidación de +4).

Muchos de los tipos de reacción que ya hemos visto involucran redox. Por ejemplo, la combinación de elementos es una reacción redox. Las reacciones de descomposición suelen ser reacciones redox. Las reacciones de combustión son reacciones redox. (La disolución/precipitación y ácido-base no son reacciones redox.) Los ejemplos de redox que ya has visto involucran electrones desplazando la lealtad al mismo tiempo que se hacen nuevos enlaces entre núcleos. También es posible que los electrones abandonen un núcleo por otro núcleo separado que no esté unido al primero. Por ejemplo, si un metal elemental se coloca en una solución de sal o ácido, el metal puede perder algunos electrones por el catión en la solución. El metal forma cationes, y el catión anterior suele salir de la solución, formando gas hidrógeno o metal elemental. Aquí hay algunos ejemplos:

\[Zn(s) + 2HBr(aq) \rightarrow ZnBr_{2}(aq) + H_{2}(g)\]

\[Fe(s) + Pb(NO_{3})_{2}(aq) \rightarrow Fe(NO_{3})_{2}(aq) + Pb(s)\]

Todo lo que pasó en estas reacciones es que los electrones desleales dejaron un país de origen menos cómodo por uno más cómodo. Estas se llaman reacciones de desplazamiento porque un catión es desplazado (reemplazado) por otro. Para predecir qué reacciones ocurrirán en este patrón, puedes usar la serie de actividades, que es como un ranking de “peores lugares para vivir”. Es bastante bueno para hacer predicciones, porque en general los electrones se moverán a lugares más bajos de la lista, pero no toma en cuenta todas las circunstancias específicas, como las presiones poblacionales actuales. Aprenderás formas más confiables de hacer predicciones más adelante. La serie de actividades es:

1. Peor lugar para vivir/más fácil de oxidar: los metales alcalinos y alcalinotérreos
2. Malo: los metales activos, aluminio, zinc, hierro y otros de la mitad de los metales de transición
3. Mejor: estaño, plomo, hidrógeno del ácido, cobre
4. El mejor lugar para vivir, más difícil de oxidar: los metales nobles, plata, mercurio, platino, oro

El cobre metálico no reacciona con el ácido, porque el cobre viene después del hidrógeno en la lista. Sin embargo, algunos ácidos tienen otros oxidantes en ellos que son más fuertes que los iones hidrógeno. Por ejemplo, los iones nitrato son oxidantes y el Cu reaccionará con el ácido nítrico. Incluso el oro reacciona con una mezcla ácida concentrada, aqua regia, hecha de ácidos nítrico y clorhídrico.

Colaboradores y Atribuciones

• Emily V Eames (City College of San Francisco)