10 Valencia;Oxidación-Reducción; Balanceo deReacciones;Pesos Equivalentes




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Valencia;Oxidación-Reducción;
Balanceo deReacciones;Pesos
Equivalentes


Valencia.

La valencia es un concepto fundamental cuyo significado íntimo ha sido muy discutido. Se ha definido como la capacidad de combinación de un elemento y también como el número de átomos de hidrógeno o su equivalente, con que aun átomo del elemento se puede combinar o desplazar En los enlaces iónicos o polares, la valencia corresponde al número de electrones que un átomo puede perder o ganar en su capa más externa, Así la valencia de cada ion es igual a su carga: v.gr.: en el BaCI2., el bario (Ba++) es divalente positivo porque perdió dos electrones. El cloro (Cl-) adquirió esos electrones y puesto que hay dos Cl- y dos electrones, cada uno tomó un electrón, el (Cl) es monovalente negativo y se convirtió en el ion cloruro (Cl-) monovalente negativo. Como en todo compuesto iónico, la suma de las cargas positivas y negativas es cero.

Los radicales iónicos o grupos de átomos que permanecen constantes en diferentes reacciones químicas se considera que tienen una valencia constante. Así, el ion amonio (NH4+) tiene una valencia positiva; el ion nitrato (NO 3-) tiene una valencia negativa; el ion sulfato (SO4=) dos valencias negativas y el ion fosfato (P0 -3 4) tres valencias negativas. En los enlaces covalentes o covalentes coordinados, la valencia de un átomo es la suma de los enlaces en que participa v.gr.: en el metano (CH4), el carbono (C) es tetravalente porque está unido al hidrógeno (H) por cuatro covalencias.

Las siguientes reglas ayudan a determinar la valencia de un átomo:

(a) Los elementos libres tienen valencia cero.

(b) El oxígeno actúa como divalente negativo y el hidrógeno como monovalente positivo (o negativo en los hidruros metálicos).

(c) Un átomo puede tener varias valencias (v. gr.: el N, puede ser trivalente negativo y pentavalente positivo).

(d) Las valencias siempre son números enteros.

(e) La suma de las valencias positivas tiene que ser igual a la suma de las negativas, porque todos los compuestos con enlaces iónicos o covalentes son neutros.

Ejemplo 1

¿Cuál será la valencia del elemento que se indica en cada uno de los compuestos siguientes?

(a) FeCl3, el Fe; (b) KC104, el Cl; (c)H3P04, el P.

Respuesta

(a) El Fe es un metal di o trivalente positivo y como está unido a tres cloros y el Cl es generalmente monovalente negativo, el Fe es trivalente positivo.

(b) El K es monovalente positivo. Hay 4 oxígenos divalentes negativos, es decir hay 8 valencias negativas -1 valencia positiva = 7 valencias negativas; estas valencias tienen que estar unidas a 7 valencias positivas y como sólo queda el Cl, debe ser heptavalente positivo.

(c) Hay en total 8 valencias negativas del oxígeno menos las 3 valencias positivas del hidrógeno, lo que deja 5 valencias negativas, que deben estar canceladas por cinco valencias positivas.

En la Tabla 10-1 están las valencias más usuales de varios elementos.

VALENCIAS USUALES DE ALGUNOS ELEMENTOS

Nombre

sÃmbolo

valencia

Nombre

sÃmbolo

valencia

Antimonio

Sb

3.5

azufre

S

2, 4, 6

Arsénico

As

3.5

selenio

Se

2, 4, 6

Bromo

Br

1, 3, 5, 7

fósforo

P

3.5

Cloro

CI

1, 3, 5, 7

cobre

Cu

1.2

Cromo

Cr

2, 3, 6

mercurio

Hg

1.2

Manganeso

Mn

2, 3, 4, 6, 7

cobalto

Co

2.3

Reacciones de oxidación-reducción.

Generalizando, todas las reacciones son de oxidación-reducción o de ácido-base. Por oxidación se entiende la pérdida de electrones y por reducción la adquisición de electrones. Ambos fenómenos tienen que ocurrir simultáneamente y las reacciones en que hay oxidación-reducción (reacciones redox) pueden describirse también como reacciones de transferencia de electrones, v. gr.:

Ca + Cl2 http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpgCa++ + 2C1-

En esta reacción el átomo de calcio (Ca°) (el número de oxidación de un elemento es cero) perdió dos electrones, se oxidó convirtiéndose en ion Ca++, actuando de agente reductor del par de átomos de cloro que adquirieron los dos electrones convirtiéndose en dos iones cloruro (Cl') (cada átomo se redujo+). El cloro actuó de agente reductor del calcio.

Ejemplo 2

Encuentre qué átomos se reducen y cuáles se oxidan en la siguiente reacción: (señale cual es el oxidante y cual es el reductor).

MnO2 + 4HCl http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpgMnCl2 + H20 + Cl2

Respuesta

Las valencias de los átomos de cada compuesto son:

(+4) (-2)     ( + 1) (-1)      (+2) (-1)       (+ 1) (- 2)   (0)

Mn02+      4HC1 http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpg      MnC12 +     H20     +   Cl2

Los cambios de valencia en los átomos participantes son: Mn(+4) Mn(+2) indicando ganancia de dos electrones, ( + 4) pasó a ( + 2) Mn(+2) (ésta, es una reacción parcial) y Cl- pasó a Cl° (oxidación), indicando pérdida de un electrón, y como el número de electrones perdidos por un elemento es igual a los adquiridos por otro, tenemos:

(-1)       (0)                                                   

2C1http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpg2Cl + 2e- (esto es una reacción parcial).

Número o estado de oxidación

El número o estado de oxidación es la carga eléctrica positiva o negativa, asignada a cada átomo de un compuesto o ion monoatómico o poliatómico de acuerdo con las reglas siguientes:

(a) Los átomos de los elementos libres (v.gr.: Fe, Cl 2, N2) tienen número de oxidación cero.

(b)La suma de los números de oxidación de los átomos de un compuesto neutro tiene que ser cero.

(c)El número de oxidación de los iones monoatómicos es igual a la carga del ion (v.gr.: Fe+++, no. de ox. = 3, Mg++, no. de ox. = 2).

(d)En los compuestos covalentes los electrones de cada par de átomos son asignados al átomo más electronegativo que modifica su número de oxidación en igual número que el de electrones que se le asignan. El átomo menos electronegativo modifica su número de oxidación en número igual al de electrones sustraídos; tal el amoníaco, (NH3), donde al nitrógeno (N) se le asignan tres electrones y el número de oxidación - 3. A cada hidrógeno (H) al que se le asigna la pérdida de un electrón, le corresponde el número de oxidación + 1.

(e)Si los enlaces covalentes son compartidos por átomos idénticos, los electrones se dividen igualmente entre estos.

(f)El número de oxidación de un ion complejo es igual a la suma algebraica de los números de oxidación de los átomos que lo constituyen; v.gr.: el* ion perclorato, tiene el número de oxidación -1, ya que +7+4 (-Z) = -1.

Ejemplo 3

Encuentre el número o estado de oxidación de cada uno de los siguientes átomos, moléculas o iones:

(a) Rb+;     (b) Br-;    (c) In+++;    (d) N2;    (e) Sb3+,    (f) S8

Respuesta

(a), (b), (c) y (e) son iones monoatómicos y sus números de oxidación son los mismos que la carga de los iones

(a) +1,    (b) -1,     (c) +3,     (e) + 3

(d) y (f) son moléculas del elemento neutro y tienen números de oxidación igual a cero

(d)0      y      (f) 0.

Ejemplo 4

Encuentre el número o estado de oxidación del elemento que se indica en cada uno de los siguientes iones poliatómicos y moléculas:

(a) Cr. en e Cr207 (b) As en el Aso43; (c) Al en el LiAIH4; (d) Mn en el Mn04.

Respuesta

Considerando X como el número de oxidación del elemento solicitado, -2 el número de oxidación del oxígeno y -1 el número de oxidación del hidrógeno en el compuesto (c) por ser un hidruro, tenemos:

Equivalentes

(a ) 2X + 7(-2) = -2 .'. X = + 6; número de oxidación del Cr

(b) X + 4(-2) = -2 .'. X = + 5; número de oxidación del As

(c) X + 1 + 4(-1) = .'. X = + 3; número de oxidación del Al

(d) X + 4(-2) = -1 .'. X = + 7; número de oxidación del Mn

El siguiente diagrama resume los conceptos sobre oxidación-reducción

http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/fig0225.jpg

Balance de reacciones de oxidación-reducción (redox).

Muchas reacciones se pueden balancear por tanteos hasta que en ambos miembros de la reacción hay cantidades iguales de todos y cada uno de los átomos participantes. La mayoría de las reacciones redox son complejas y requieren un método sistemático para ser balanceadas. Este puede ser: (a) el de cambio en el número de oxidación o transferencia de electrones y (b) el del ion-electrón.

Balanceo de reacciones por el método del número de oxidación:

Algunos de los pasos aquí indicados se pueden eliminar en algunas reacciones o al adquirir práctica.

(a) Observar con cuidado la reacción no balanceada, buscando elementos que hayan cambiado de número de oxidación.

(b)Expresar este cambio de números de oxidación escribiendo las reacciones electrónicas parciales correspondientes.

(c)Balancear las reacciones electrónicas parciales tanto por lo que hace al número de electrones como por el número de componentes químicos.

(d)Substituir los coeficientes de las reacciones electrónicas parciales en la reacción no balanceada.

(e)A partir de las reacciones electrónicas parciales, balancear el resto de los elementos y grupos atómicos que hay en la reacción no balanceada. El orden usual es: elementos positivos (diferentes del hidrógeno), iones o grupos atómicos negativos, hidrógeno y oxígeno.

Ejemplo 5

Balancear la siguiente reacción por el método del número de oxidación:

Cu + HN03 http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpgCu(N03)2 + H2O + NO

paso (a) Una observación de la reacción no balanceada muestra que el número de oxidación del cobre cambió de 0 en el Cu hasta +2 en el Cu (N03)2 y que el número de oxidación del nitrógeno cambió de +5 en el HNO3 a -f-2 en el NO. El resto de los elementos conservó sus números de oxidación.

paso (b) Las reacciones electrónicas parciales son:

Cu° - 2e http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpgCu++

N5 + 3e http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpgN2+

paso (c) Las reacciones electrónicas parciales balanceadas son:

3Cu° - 6ehttp://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpg3Cu2+

2N5+ + 6ehttp://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpg2N2+

paso (d) Introduciendo los coeficientes de las reacciones electrónicas parciales balanceadas en la reacción:

3Cu + 2HN03 http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpg3Cu(N03)2+H2O + 2NO

paso (e) La reacción aún no está balanceada, ya que solo hay 2 grupos nitrato (N03) en los reaccionantes y hay 6 en los productos; tampoco la cantidad de H20 producida está de acuerdo con el número de átomos de oxígeno del N03- que no aparecen en el NO. Añadiendo por tanteo 6 de HN03 y realizando los cambios necesarios en los coeficientes de los productos queda balanceada la reacción:

3Cu + 8HN03 http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/apquim-gral1d/images/flecha.jpg3Cu(N03)2 + 4H30 + 2N0
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