8.6: Algunos Agentes Reductores Comunes
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- Conocer la ocurrencia y propiedades del hidrógeno.
- Conoce las reacciones que involucran a agentes reductores comunes como carbono, hidrógeno y antioxidantes.
Extracción de metales
La fundición es un proceso de aplicación de calor al mineral con el fin de extraer un metal base. Utiliza calor y un agente reductor químico para descomponer el mineral, dejando atrás la base metálica. Se utiliza para extraer muchos metales de sus minerales, incluyendo plata, hierro, cobre y otros metales base. El agente reductor es comúnmente una fuente de carbono, como la coque—o, en épocas anteriores, el carbón vegetal. El coque es un combustible gris, duro y poroso con un alto contenido de carbono y pocas impurezas, hecho calentando carbón o petróleo en ausencia de aire.
El coque se utiliza en la fundición de mineral de hierro por ejemplo en un alto horno. La reacción se puede representar de la siguiente manera:
\[ 2Fe_2O_3 + 3C → 4 Fe + 3 CO_2 \nonumber \]
Antioxidantes
En la química de los alimentos, las sustancias conocidas como antioxidantes son agentes reductores. Se cree que el ácido ascórbico (vitamina C;\(\ce{C6H8O6}\)) retarda la oxidación potencialmente dañina de las células vivas. En el proceso, se oxida a ácido deshidroascórbico (\(\ce{C6H6O6}\)). En el estómago, el ácido ascórbico reduce el ion nitrito (\(\ce{NO_2^{−}}\)) a óxido nítrico (\(\ce{NO}\)):
\[\ce{C_6H_8O_6 + 2H^{+} + 2NO_2^{−} \rightarrow C_6H_6O_6 + 2H_2O + 2NO} \label{Eq7} \]
Si la reacción en la Ecuación\(\ref{Eq7}\) no ocurriera, los iones nitrito de los alimentos oxidarían el hierro en la hemoglobina, destruyendo su capacidad para transportar oxígeno.
El tocoferol (vitamina E) también es un antioxidante. En el cuerpo, se cree que la vitamina E actúa al eliminar subproductos dañinos del metabolismo, como los fragmentos moleculares altamente reactivos llamados radicales libres. En los alimentos, la vitamina E actúa para evitar que las grasas se oxiden y así se vuelvan rancias. La vitamina C también es un buen antioxidante (Figura\(\PageIndex{2}\)).
El hidrógeno como agente reductor
Se necesitan grandes cantidades de H 2 en las industrias petrolera y química. La mayor aplicación de H 2 es para el procesamiento (“mejoramiento”) de combustibles fósiles, y en la producción de amoníaco. La producción masiva de amoníaco utiliza principalmente el proceso Haber—Bosch, haciendo reaccionar hidrógeno (H 2) y nitrógeno (N 2) a una temperatura moderadamente elevada (450 °C) y alta presión (100 atmósferas estándar (10,000 kPa)):
\[ 3 H_2(g)+ N_2(g) → 2 NH_3(g) \nonumber \]
H 2 tiene varios otros usos importantes. H 2 se utiliza como agente hidrogenante (Capítulo 17), particularmente en el aumento del nivel de saturación de grasas y aceites insaturados (que se encuentran en ítems como la margarina), y en la producción de metanol. De igual manera, es la fuente de hidrógeno en la fabricación de ácido clorhídrico. H 2 también se utiliza como agente reductor de minerales metálicos.
El gas hidrógeno es altamente inflamable produciendo una gran cantidad de calor cuando reacciona con el gas oxígeno como se muestra a continuación.
\[ 2 H_2(g) + O_2(g) → 2 H_2O(l) + 572 kJ \nonumber \]
El gas hidrógeno forma mezclas explosivas con aire en concentraciones de 4— 74% y con cloro a 5— 95%. Las reacciones explosivas pueden ser desencadenadas por chispa, calor o luz solar.
Una mirada más cercana al hidrógeno
El hidrógeno se encuentra entre los diez elementos más abundantes del planeta, pero muy poco se encuentra en forma elemental debido a su baja densidad y reactividad. Gran parte del hidrógeno terrestre está encerrado en moléculas de agua y compuestos orgánicos como los hidrocarburos.
El hidrógeno es el combustible para las reacciones del Sol y otras estrellas (reacciones de fusión). El hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo. Alrededor del 70% - 75% del universo está compuesto por hidrógeno en masa. Todas las estrellas son esencialmente grandes masas de gas hidrógeno que producen enormes cantidades de energía a través de la fusión de átomos de hidrógeno en sus densos núcleos. En estrellas más pequeñas, los átomos de hidrógeno colisionaron y se fusionaron para formar helio y otros elementos ligeros como el nitrógeno y el carbono (esenciales para la vida). En las estrellas más grandes, la fusión produce los elementos más ligeros y pesados como el calcio, el oxígeno y el silicio.
Callstack:
at (Quimica/Química_Introductoria,_Conceptual_y_GOB/Química_para_Tiempos_Cambiantes_(Hill_y_McCreary)/08:_Oxidación_y_Reducción/8.06:_Algunos_Agentes_Reductores_Comunes), /content/body/div[4]/p[3]/span, line 1, column 8
En la Tierra, el hidrógeno se encuentra principalmente en asociación con el oxígeno; su forma más abundante es el agua (H 2 O). El hidrógeno es solo .9% en masa y 15% en volumen abundante en la tierra, a pesar de que el agua cubre alrededor del 70% del planeta. Debido a que el hidrógeno es tan ligero, solo hay 0.5 ppm (partes por millón) en la atmósfera, lo cual es algo bueno considerando que es EXTREMADAMENTE inflamable.
El gas hidrógeno se puede preparar haciendo reaccionar un ácido fuerte diluido como los ácidos clorhídrico con un metal activo. El metal se convierte en óxidos, mientras que el H + (del ácido) se reduce a gas hidrógeno. Este método solo es práctico para producir pequeñas cantidades de hidrógeno en el laboratorio, pero es demasiado costoso para la producción industrial:
\[Zn_{(s)} + 2H^+_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + H_{2(g)} \nonumber \]
La forma más pura de H 2 (g) puede provenir de la electrólisis de H 2 O (l), el compuesto de hidrógeno más común en esta planta. Este método tampoco es comercialmente viable porque requiere una cantidad significativa de energía (\(\Delta H = 572 \;kJ\)):
\[2H_2O_{(l)} \rightarrow 2H_{2(g)} + O_{2(g)} \nonumber \]
\(H_2O\)es la forma más abundante de hidrógeno en el planeta, por lo que parece lógico tratar de extraer hidrógeno del agua sin electrólisis del agua. Para ello, debemos reducir el hidrógeno con estado de oxidación +1 a hidrógeno con 0 estado de oxidación (en gas hidrógeno).
Tres agentes reductores de uso común son el carbono (en coque o carbón), monóxido de carbono y metano. Estos reaccionan con vapor de agua de forma H 2 (g):
\[C_{(s)} + 2H_2O_{(g)} \rightarrow CO(g) + H_{2(g)} \nonumber \]
\[CO_{(g)} + 2H_2O_{(g)} \rightarrow CO2 + H_{2(g)} \nonumber \]
Reformado de Metano:
\[CH_{4(g)} + H_2O_{(g)} \rightarrow CO(g) + 3H_{2(g)} \nonumber \]
Estos tres métodos son los métodos más factibles industrialmente (rentables) para producir H 2 (g).
Resumen
- Los agentes reductores comunes incluyen carbono (en forma de coque o carbón), gas hidrógeno, así como aquellas sustancias referidas en la química de los alimentos como antioxidantes (por ejemplo, ácido ascórbico y vitamina E).
- Se dieron diversas reacciones con agentes reductores.
Colaboradores y Atribuciones
- Libretext:The Basics of GOB Chemistry (Ball et al.)
- Wikipedia
- Ridhi Sachdev (UC Davis)
Stephen R. Marsden (ChemTopics)