Al igual que las propiedades de una
sustancia, los cambios que sufre una sustancia se puede
clasificar como física y química. En los cambios
físicos las sustancias varían su apariencia
física pero no su composición. La
congelación del agua es un cambio físico ya que en
fase solida o líquida sigue estando constituida por
moléculas de agua con la misma proporción de
átomos de oxigeno e hidrógeno. En los cambios
químicos (También llamados reacciones
químicas), las sustancias se transforman en sustancias
químicamente distintas. Por ejemplo cuando se quema
hidrógeno en aire, sufre un cambio químico porque
se combina con oxigeno para formar agua. La imagen 1 muestra
la disposición de las moléculas de agua en cada uno
de lostres estados.
Agua
líquida
Hielo , vapor de agua
El agua que a temperatura ambiente es
liquida es químicamente distinta tanto al O2 que es un gas
a temperatura ambiente y al hidrogeno molecular que
también posee esta cualidad. La evidencia de las
transformaciones que conlleva un cambio químico son
detectables la mayoría de las veces por simple
observación de factores tales como:
Formación de un gas, el cual se
manifiesta por efervescencia o por su
olor característico.
Formación de un sólido
insoluble o precipitado
Generación apreciable de
energía en forma de luz y/o calor. El cambio
químico puede
ser exotérmico
si hay desprendimiento de energía, o
en diatérmico si requiere de energía para llevarse
a cabo.
Cambios de color en el sistema .Los
cambios químicos siempre conllevan a la obtención
de una sustancia diferente de los reactivos. Sin embargo los
factores que evidencia un cambio químico son variados lo
que indica la existencia de diferentes reacciones
químicas que producen sustancias en forma
característica, ya sea como gas, liquida, solida en
precipitados, etc. Un tipo de éstas reacciones son las que
se realizan en medio acuosa (agua). Las reacciones en
solución acuosa se clasifican frecuentemente en tres
clases diferentes: (1) de transferencia de electrones (o de
óxido ± reducción, redox); (2) de
transferencia de protones (neutralización o
ácido-base) y (3) de precipitación
(metátesis). En esta practica los ensayos que
realizamos corresponden a reacciones de oxido-reducción
(Redox).
Reacciones redox
(oxido-reducción)
Las reacciones de
reducción-oxidación (también conocidas como
reacciones redox) son las reacciones de transferencia de
electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de
elementos químicos, uno oxidante y uno reductor Para
que exista una reacción redox, en el sistema debe haber un
elemento que ceda electrones y otro que los acepte:
El Agente
reductor
es aquel elemento químico que
suministra electrones de su estructura química al medio,
aumentando su
Estado de
oxidación
, es decir;
oxidándose.
El Agente
Oxidante
Es el elemento químico que tiende a
captar esos electrón es, quedando con un
Estado de
oxidación
Inferior al que tenía, es
decir; reducido.
Cuando un elemento químico reductor
cede electrones al medio se convierte en un elemento oxidado, y
la relación que guarda con su precursor queda establecida
mediantelo que se llama un par redox. Análogamente, se
dice que cuando un elemento químico capta electrones del
medio se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma
un par redox con su precursor reducido.Oxidación.La
oxidación es una reacción química muy
poderosa donde un compuesto cede electrones, y por lo tanto
aumenta su estado de oxidación.Se debe tener en
cuenta que en realidad una oxidación o una
reducción es un proceso por el cual cambia el estado
de oxidación de un compuesto. Este cambio no significa
necesariamente un intercambio de electrones. Suponer esto -que es
un error común-implica que todos los compuestos formados
mediante un proceso redox son iónicos, puesto que es
en éstos compuestos donde sí se da un enlace
iónico, producto de la transferencia de
electrones
Reducción.
En química, reducción es el
proceso electroquímico por el cual un átomo o ion
gana electrones. Implica la disminución de su estado de
oxidación. Este proceso es contrario al de
oxidación.
Cuando un ion o un átomo se
reduce:
y
Gana electrones.
y
Actúa como agente
oxidante.
y
Es reducido por un agente
reductor.
y
Disminuye su estado o número de
oxidación.
Número de
oxidación.
La cuantificación de un elemento
químico puede efectuarse mediante su número de
oxidación.
Durante el proceso, el número de
oxidación del elemento; aumenta. En cambio, durante la
reducción, el número de oxidación de la
especie que se reduce, disminuye. El número de
oxidación es un número entero que representa el
número de electrones que un átomo pone en juego
cuando forma un enlace determinado.
Importancia de
las reacciones redox.
En la industria, los procesos redox
también son muy importantes, tanto por su
uso productivo por ejemplo la reducción de minerales
para la obtención del aluminio o del hierro. La siguiente
imagen muestra un alto horno en el cual se produce hierro
metálico a través de reacciones de oxido
reducción.
Dentro de los altos hornos se
producen dos reacciones fundamentales:
2C + O2 2CO oxidación incompleta del carbón
Fe2O3 + 3 CO 2Fe + 3CO2 reducción a Fe metálico
Materiales
REACTIVOS:
1 KMnO 4(0.01M)
100 ml
2 H2SO4 (3N) 100ml
3 FeSO4 (0.01M)
100ml
4 CH3COOH (0.5N)
100ml
5 CuSO4·5H2O
(0.2M) 100ml
7 Fe (Clip) 10unidades
8 Cu (moneda de un centavo) 10
unidades
MATERIALES
9 Vidrio reloj 10
10 Varilla de agitación
10
11 Papel filtro 10
12 Papel lija 10
13 Tubos de ensayo (15×2)
cm10
14 Pinzas para tubos de ensayo
10
Métodos
a) Agregar en una determinada zona
de un vidrio reloj unas gotas de permanganato de potasio
0.01M.b) Adicionar al permanganato unas
gotas de ácido sulfúrico 3N y, con una varilla,
se mezclan bien
c) Agregar en otra zona del vidrio reloj
una disolución de sulfato de hierro II.
Con la varilla se va produciendo la
comunicación entre los reactivos.
d) Observe los cambios de color que toman
los productos de reacción, interpretando por el color que
toman los resultados que se dan.
a) Lijar con papel de lija una
moneda compuesta de cobre (moneda de un
centavo).b) Colocar en el vidrio reloj un
trozo de papel filtro empapado con ácido
acético.c) Coloque en el vidrio reloj la
moneda de cobre, de manera que el ácido acético
nola cubra.d) Esperar un par de
horas.e) Levante la moneda observe y
explique.
Recuperar el cobre disuelto en un
sulfato.
a) Introduzca la muestra de hierro
(Clip) en un tubo de ensayo.b) Llene el tubo de ensayo que
contiene la muestra de hierro con suficiente solución
de sulfato de cobre de forma que el nivel del líquido
sobrepase la altura de la muestra de hierro.c) Colocar el tubo de ensayo en
una gradilla y esperar a que se produzca algún cambio
visible.d) Cuando se observe que se forma
una capa alrededor de la muestra se ha producido la
reacción.e) Rascar la muestra de hierro
para obtener el cobre metálico que se ha depositado
sobre ésta muestra.f) Observe y explique.
Cálculos
Reacción química.
(Reacción de oxido reducción)
K MnO4 (ac) +H2SO4 (ac) + FeSO4
(ac) MnSO4 (ac) + Fe2 (SO4)3 (ac) +K 2SO4
(ac)+ H2O(l) (E.1)
Para balancear la ecuación
redox seguimos los siguientes pasos:
a) Escribimos las medias
reacciones de oxidación y reducción.
MnO4-(ac) Mn +2(ac)
(E.2).
(Reacción de
reducción.Fe+2 (ac) Fe2+3(ac)
(E.3).
(Reacción de oxidación)El
manganeso se reduce de +7 a +2 (Mn es el agente oxidante).Hierro
se oxida de +2 a +3 (Fe es el agente reductor).
b) Balanceamos átomos
y la carga en ambos lados de la reacción teniendo
en cuenta que sustancia se oxida y reduce.
5e-+ MnO4-(ac)
+ 8H+ (ac) Mn+2(ac) +4H2O2Fe+2(ac)
? Fe2+3(ac) + 2e-
La reacción se realiza en
medio acido, por lo que para balancear los átomos de
oxigeno se debe agregar moléculas de agua e iones
hidrógenos (H+) para balancear átomos
dehidrógenos.c) Sumamos las medias reacciones
multiplicando por factores adecuados cada reacción con el
objetivo de que la cantidad de electrones se igual en ambos
lados de la reacción.
2 (5e-+ MnO4-(ac) + 8 + (ac)
Mn+2 (ac) + 4H2O5 (2Fe+2(ac)
Fe2+3(ac) + 2e)10e+2Mn4-
(ac)+ 16H+(ac) +
10Fe+2(ac)2Mn+2(ac) + 8H2O + 5Fe2+3 (ac) +
10e
- Eliminando
términos que se repiten en ambos lados obtenemos los
coeficientes de la ecuación redox balanceada.
2MnO
4-(ac) +
16H+ (ac) + 10Fe+2 (ac) 2Mn+2 (ac) + 8H2O +5Fe2+3(ac)
(E.4).
d) Para equilibrar la ecuación
general (E.1) tomamos los coeficientes de la reacción E.4
y agregamos los átomos que falten de
balancear.2K MnO4 (ac) + 8 H2SO4 (ac)+10FeSO4
(ac) 2MnSO4 (ac)+5Fe2 (SO4)3 (ac) +K 2SO4
(ac) + 8H2O (l(E.1)
Reacción química.
(Reacción redox).
CuSO4·5H2O (ac) + Fe(s)
Cu(s) + FeSO4·5H2O (ac) (E.9)
La ecuación se encuentra balanceada.
Solo examinaremos las sustancias que se oxidan y reducen por
medio de las medias reacciones.
Cu+2(ac) + 2e- Cu(s) (E.10)
(reacción de reducción)Fe(s) Fe+2(ac) + 2e-
(E.11(reacción de oxidación)
El cobre se reduce de +2 a 0.Cu es cobre
metálico que se deposita sobre la muestra de Fe. (El
agente oxidante)
ElFse se oxida de 0 a + 2. El
Fe+2
Pasa a formar parte de la solución
(El Fe es el agente reductor)
Resultados
La disolución de permanganato de
potasio se decolora en medio ácido al adicionarle sulfato
de hierro (II).Pasa de un color purpura intenso
atransparente.
Si se compara la cara de la moneda que se
encuentra expuesta alambiente esta presenta una fina capa de una
sustancia gris. La cara que se encuentra encima del papel filtro
remojado con ácido acético presenta el mismo cambio
pero en una menor proporción.
Se puede observar claramente como la
superficie del clip ha sido recubierta por una capa de una
sustancia de color dorada-rojiza. Esta sustancia posee cierto
lustre metálico y es sólida.
Discusión
En los tres ensayos efectuados se producen
reacciones redox o también llamadas reacciones de
oxido-reducción. Analizaremos cada ensayo en
términos de los cambios químicos que se producen al
realizarse la oxidación o reducción de los
reactivos que intervien en. Ensayo 1.Esta reacción se
realiza en medio ácido, con un fuerte agente oxidante como
lo es el permanganato de potasio y una sal hidratada como el
sulfato ferroso. En soluciones ácidas el Manganeso
presente en el permanganato se reduce de +7 a +2, es decir, se
reduce al catión Mn
2+
Este catión es incoloro a diferencia
del permanganato de potasio que posee un color violeta intensa en
disolución acuosa. La razón primordial del cambio
de color que se produce al mezclar el permanganato
de potasio con el sulfato ferroso( en medio ácido),
es la reducción que se produce en el manganeso y la
oxidación del hierro.
Como se explico en la introducción
para que una sustancia se reduzca debe existir un agente
reductor, y en este caso el reactivo que cumple éste papel
es el hierro. En este caso todos los productos de la
reacción E.1 se encuentran en disolución acuosa, es
decir, presentes como iones. Por lo tanto cuando se analiza el
cambio de color en la solución del ensayo 1, se habla del
catión Mn2+y no de la sal MnSO4
En soluciones neutras, el permanganato
sólo se reduce a MnO2
, un precipitado marrón en el cual
el manganeso tiene su estado de oxidación +4. En
soluciones alcalinas, se reduce a su estado +6, dando
K 2
MnO4.Ensayo 2.En este ensayo se
colocó una cara de la moneda sobre un papel empapado de
ácido acético, cuidando de que el papel filtro no
cubra totalmente la moneda. El resultado de realizar esta
acción es tener una cara de la moneda en contacto con el
papel filtro, y otra cara de la moneda expuesta al medio. Como se
puede observar en la reacción E.5 se forman varios
productos. En este caso nos podemos percatar de cómo el
oxigeno reacciona tanto con el cobre como con el ácido
acético. En la reacción con el cobre produce
óxido de cobre (I) y en la reacción con el acido
acético produce dióxido de carbono y agua. En esta
reacción la sustancia que se oxida es el cubre al forma un
oxido con el oxigeno y una sal con el
ácido.(reacción E.5). En este caso la sustancia
gris que se observa sobre la cara de la moneda es el oxido de
cobre que se ha formado al cabo del tiempo estipulado. Ensayo
3.El sulfato de cobre (II) se encuentra en solución, es
decir, en forma de iones sulfato e iones cobre 2+. Estos iones
cobres presentes en la solución son los que van a
reaccionar con el hierro solido (clip).Las reacciónes
E.10 y E.11 son muy claras, en la superficie del clip un
átomo de hierro sólido se oxida perdiendo 2
electrones y pasando a la solución como ión ferroso
(Fe2+).Estos dos electrones son acogidos por un ión
cúprico (Cu2+), es decir, esta sustancia se reduce en la
superficie del clip transformándose en cobre
metálico. Esto ocurre al paso de un tiempo, y la sustancia
color dorada-rojiza que recubre al clip no es más que el
cobre metálico que se produce a partir de la
reducción de los iones cobre que se encuentran en
solución. En este cambio químico además del
paso del cobre de ion acuoso a solido metálico, el clip
sufre una pérdida de masa ya que los átomos que se
encuentran formando su superficie pasan a disolución como
ionesFe2+
En la reacción E.9 también se
puede observar que por cada mol de cobre metálico que se
forma se produce una mol de sulfato de hierro (II) penta
hidratado
Conclusión
En los cambios químicos las
sustancias se transforman en sustancias químicamente
distintas. Las nuevas propiedades que el producto presenta
dan pie para la identificación
del mismo.
Una reacción redox es aquella donde
existe un intercambio de electrones entre sustancias
químicas. Si en el intercambio de electrones el reactivo
acepta los mismos, esta sustancia se reduce. En cambio si el
reactivo químico pierde electrones, éste sufre una
oxidación o simplemente se oxida. Ambos sucesos,
oxidación y reducción, ocurren
simultáneamente.
El agente reductor es la sustancia
que permite que otra se reduzca. Por lo tanto para que
existe la reacción redox el agente reductor se oxida. Lo
contrario sucede con el agente oxidante.
En la industria, los procesos redox
también son muy importantes, tanto por su uso productivo
(por ejemplo la reducción de minerales para la
obtención del aluminio o del hierro) como por su
prevención (por ejemplo en la
corrosión).
El análisis y el método para
balancear una ecuación redox, permite conocer como se
produce el intercambio de electrones, así como para
identificar las sustancias o reactivos que se oxidan o
reducen
Bibliografía
BROWN THEOD
ORE L., y cols, 2004, Química. La ciencia central, PEARSONEDUCATION,
México. Páginas 1152. (Capitulo 7: Propiedades
periódicas de los elementos, metales alcalinos,
paginas: 256-259).
Shriver,
D.F.; Atkins, P.W.; Langford, C.H.
Química Inorgánica. Vol. 1. Segunda
edición. Reverté. 1997.
Autor:
Gonzalo Chapa Manzano