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4: Estabilidad Redox y Reacciones Redox

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    Objetivos de aprendizaje

    • Equilibrar las reacciones complejas de oxidación-reducción por el método ión-electrón.
    • Comprender las tendencias periódicas en las series de actividad y electroquímicas.
    • Utilice la ecuación de Nernst para determinar los potenciales de media célula y célula.
    • Derivar el campo de estabilidad del agua y utilizarlo para racionalizar la química redox acuosa.
    • Construir y dominar diagramas Latimer, utilizándolos para determinar valores de potencial de reducción desconocidos e identificar rápidamente especies estables e inestables.
    • Construir y dominar los diagramas de Frost, utilizándolos para identificar especies estables e inestables, así como aquellas que son oxidantes fuertes.
    • Construir y dominar los diagramas de Pourbaix, utilizándolos para identificar reacciones redox y no redox, reacciones que son y no son dependientes del pH, y finalmente para predecir y racionalizar la estabilidad, reactividad, corrosión y pasivación.

    En las reacciones redox, un elemento o compuesto se reduce (gana electrones) y otro se oxida (pierde electrones). En términos de la vida cotidiana, las reacciones redox ocurren todo el tiempo que nos rodea. Por ejemplo, el metabolismo de los azúcares a\(\ce{CO2}\), que almacena energía en forma de ATP, es una reacción redox. Otro ejemplo de redox es el fuego o la combustión, como en un motor de automóvil. En un motor de automóvil, los hidrocarburos en el combustible se oxidan a dióxido de carbono y agua, mientras que el oxígeno se reduce a agua. La corrosión (es decir, la formación de óxido en el hierro) es una reacción redox que implica la oxidación de un metal.

    • 4.1: Preludio a la Estabilidad Redox y Reacciones Redox
      En las reacciones redox, un elemento o compuesto se reduce (gana electrones) y otro se oxida (pierde electrones). En términos de la vida cotidiana, las reacciones redox ocurren todo el tiempo que nos rodea. Por ejemplo, el metabolismo de los azúcares a CO2, que almacena energía en forma de ATP, es una reacción redox. Otro ejemplo de redox es el fuego o la combustión, como en un motor de automóvil. En un motor de automóvil, los hidrocarburos en el combustible se oxidan a dióxido de carbono y agua, mientras que el oxígeno se reduce a agua.
    • 4.2: Equilibrar las reacciones redox
      Al estudiar la química redox, es importante comenzar por aprender a equilibrar las reacciones electroquímicas. Las reacciones redox simples pueden equilibrarse mediante inspección, pero para reacciones más complejas es útil tener un método infalible y sistemático. El método de iones y electrones permite equilibrar las reacciones redox independientemente de su complejidad. Ilustramos este método con dos ejemplos.
    • 4.3: Potenciales electroquímicos
      En las reacciones electroquímicas de celda y redox, en general, la fuerza motriz termodinámica se puede medir como el potencial celular. Las reacciones químicas son espontáneas en la dirección de -ΔG, que es también la dirección en la que el potencial celular (definido como Eánodo - Ecatodo) es positivo. Una celda que opera en la dirección espontánea (por ejemplo, una batería que se está descargando) se llama celda galvánica. Las células que son impulsadas en la dirección no espontánea se denominan células electolíticas.
    • 4.4: Diagramas Latimer y Frost
      Hay otros dos tipos de diagramas de estabilidad redox distintos de los diagramas de Pourbaix conocidos como diagramas Latimer y Frost. Cada uno de estos diagramas contiene información similar, pero una representación puede ser más útil en una situación dada que las otras. Los diagramas Latimer y Frost ayudan a predecir la estabilidad en relación con estados de oxidación más altos y menores, generalmente a un pH fijo. Los diagramas de Pourbaix ayudan a comprender los equilibrios dependientes del pH, que a menudo se acoplan a equilibrios de solubilidad y corrosión.
    • 4.5: Reacciones Redox con Equilibrios Acoplados
      Los equilibrios acoplados (solubilidad, complejación, ácido-base y otras reacciones) cambian el valor de E°, cambiando efectivamente las concentraciones de iones metálicos libres. Podemos usar la ecuación de Nernst para calcular el valor de E° a partir de la constante de equilibrio para la reacción acoplada. Alternativamente, podemos medir el potencial de media celda con y sin la reacción acoplada para obtener el valor de la constante de equilibrio. Esta es una de las mejores formas de medir los valores de Ksp, Ka y Kd.
    • 4.6: Diagramas de Pourbaix
      Los diagramas de Pourbaix representan la estabilidad electroquímica para diferentes estados redox de un elemento en función del pH. Como se señaló anteriormente, estos diagramas son esencialmente diagramas de fase que trazan el mapa de las condiciones de potencial y pH (más típicamente en soluciones acuosas) donde diferentes especies redox son estables. Por lo general, las reacciones redox del agua se representan como líneas punteadas en estos diagramas más complicados para otros elementos.
    • 4.7: Preguntas de Discusión
    • 4.8: Problemas
    • 4.9: Referencias


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