Principios de Redox, Pila Daniell y Electrólisis Química

Conceptos Fundamentales de Redox

Número de Oxidación

Reglas para asignar el número de oxidación:

• Elementos sin combinar: 0
• Halógenos (Br, F, Cl, I): -1 (generalmente)
• Alcalinos (Grupo 1A): +1
• Alcalinotérreos (Grupo 2A): +2
• Hidrógeno (H): -1 con metales, +1 con no metales
• Oxígeno (O): -2 (generalmente)
• Peróxidos (H₂O₂, Na₂O₂, BaO₂, CaO₂, Li₂O₂): -1
• En oxoácidos (HClO, HClO₂, HClO₃, HClO₄, H₂SO₂, H₂SO₃, HNO₂, HNO₃, H₂CO₃, H₃PO₄, H₂MnO₄, HMnO₄, H₂CrO₄): Se calcula a partir de las reglas anteriores y la carga total de la molécula.

Agentes Oxidante y Reductor

• Agente oxidante: Se reduce, es decir, gana electrones.
• Agente reductor: Se oxida, es decir, cede electrones.

La Pila Daniell

¿Qué ocurre en la celda que contiene el electrodo de cinc en contacto con la solución acuosa de sulfato de cinc? Escribir la semiecuación correspondiente indicando el tipo de proceso.

En esta celda, el electrodo de cinc actúa como ánodo. Esto significa que en este electrodo se produce una oxidación, es decir, el zinc pierde electrones y se transforma en iones de zinc que pasan a la solución.

Semirreacción en el ánodo (Oxidación): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻

¿Cuál es la función del puente salino?

Su función principal es mantener la neutralidad eléctrica: a medida que los iones zinc pasan a la solución en el ánodo, se genera una carga positiva en esta celda. Del mismo modo, en la otra celda (con el electrodo de cobre) se genera una carga negativa. El puente salino permite el paso de iones (generalmente iones cloruro o nitrato) para neutralizar estas cargas y mantener el circuito eléctrico cerrado.

¿Qué iones se deben neutralizar eléctricamente?

En la celda de zinc, los iones cloruro (o nitrato) del puente salino migran hacia esta celda para neutralizar la carga positiva generada por los iones Zn²⁺. En la celda de cobre, los iones sodio (o potasio) del puente salino migran hacia esta celda para neutralizar la carga negativa generada por la reducción de los iones cobre.

Procesos de Electrólisis

Electrólisis del Fluoruro Niqueloso

¿Por qué es necesario fundir la sal?

En el caso de las sales, como el fluoruro de níquel, los iones se encuentran atrapados en una estructura cristalina sólida. Al fundir la sal, rompemos esta estructura y los iones de níquel (Ni²⁺) y fluoruro (F⁻) quedan libres para moverse hacia los electrodos.

¿Qué sustancia se obtiene en el ánodo? Escribir la ecuación correspondiente a la semirreacción.

En el ánodo ocurre una oxidación, es decir, los iones pierden electrones. En este caso, los iones fluoruro (F⁻) son los que se oxidan, ya que el flúor es un elemento muy electronegativo y tiende a ganar electrones. Al perder un electrón cada uno, se forma gas flúor (F₂).

Ecuación de la semirreacción en el ánodo (Oxidación): 2F⁻(l) → F₂(g) + 2e⁻

Obtención de Ácido Clorhídrico (Proceso Cloroalcali)

Explicar cómo se obtiene ácido clorhídrico a partir de la solución acuosa de cloruro de sodio en la industria cloroalcali. ¿Qué otras sustancias se obtienen?

El ácido clorhídrico se obtiene mediante electrólisis de una solución acuosa de sal común (cloruro de sodio, NaCl). Al aplicar corriente eléctrica, los iones de sodio (Na⁺) y cloro (Cl⁻) se separan.

En los electrodos, se forma gas cloro (Cl₂) en el ánodo y gas hidrógeno (H₂) en el cátodo. Estos gases se combinan posteriormente para formar gas cloruro de hidrógeno (HCl), que luego se disuelve en agua, obteniendo así ácido clorhídrico (HCl).

Además del ácido clorhídrico, en este proceso se obtienen:

• Hidróxido de sodio (NaOH): Usado en la fabricación de jabones, papel y productos de limpieza.
• Cloro (Cl₂): Empleado en desinfección de agua, fabricación de plásticos y productos químicos.
• Hidrógeno (H₂): Utilizado en la producción de amoníaco y como combustible.

Electrólisis del Agua

¿En qué electrodo se obtiene hidrógeno en la electrólisis del agua? Escribir la ecuación que ocurre en él.

En la electrólisis del agua, el hidrógeno se obtiene en el cátodo.

Esto se debe a que el cátodo es el electrodo negativo, el cual atrae a los iones positivos (cationes) presentes en la solución. Los iones de hidrógeno (H⁺) son los cationes presentes en el agua (provenientes de la autoionización del agua o de un electrolito añadido para aumentar la conductividad).

En el cátodo, los iones de hidrógeno ganan electrones y se convierten en moléculas de hidrógeno gaseoso (H₂).

La ecuación química que representa esta reacción en el cátodo (Reducción) es: 2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)

Identificación de Reacciones Redox

Identificar si las ecuaciones son reacciones redox (indicando los elementos que se oxidan y reducen y las sustancias oxidantes y reductoras) y escribir las semirreacciones.

Reacción 1: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

• Elemento que se reduce: Al (pasa de +3 en Al₂O₃ a 0 en Al)
• Elemento que se oxida: O (pasa de -2 en Al₂O₃ a 0 en O₂)
• Sustancia oxidante: Al₂O₃ (contiene el elemento que se reduce)
• Sustancia reductora: Al₂O₃ (contiene el elemento que se oxida) Nota: En este caso de descomposición, el único reactivo actúa en ambos roles respecto a los elementos que lo componen.

Semirreacción de Reducción: Al³⁺ + 3e⁻ → Al (o 4Al³⁺ + 12e⁻ → 4Al para balancear la ecuación global)

Semirreacción de Oxidación: 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻ (o 6O²⁻ → 3O₂ + 12e⁻ para balancear la ecuación global)

Reacción 2: 2CoF₃ + 2NaBr → 2CoF₂ + Br₂ + 2NaF

• Elemento que se reduce: Co (pasa de +3 en CoF₃ a +2 en CoF₂)
• Elemento que se oxida: Br (pasa de -1 en NaBr a 0 en Br₂)
• Sustancia oxidante: CoF₃ (contiene el elemento que se reduce)
• Sustancia reductora: NaBr (contiene el elemento que se oxida)

Semirreacción de Reducción: Co³⁺ + e⁻ → Co²⁺ (o 2Co³⁺ + 2e⁻ → 2Co²⁺ para balancear la ecuación global)

Semirreacción de Oxidación: 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻