ObjetivoIdentificar problemas que impliquen reacciones numricas
vinculadas a la composicin de la materia y sus
transformaciones.
Reacciones de combinacin En este tipo de reacciones, se combinan
dos o ms sustancias que pueden ser elementos o compuestos para
formar un producto. Las reacciones de este tipo se clasifican como
de combinacin o sntesis, y se representan de forma general de la
siguiente manera:
A + B = AB Elemento compuesto + Elemento CompuestoEntre las
reacciones de combinacin tenemos las siguientes posibilidades:Metal
+ no metalcompuesto binario (xido, sulfuro o haluro)Para los
metales de los grupos IA, IIA y tambin para el aluminio, zinc y
plata, siempre podemos predecir el producto que han de formar. Para
otros metales que tienen estado de oxidacin variable, el producto
final depende de las condiciones de reaccin, pero generalmente se
necesita ms informacin para predecir el producto. Considere el
siguienteejemplo:
No metal + oxgenoxido de no metalEn general, hay una variedad de
productos que pueden formarse en reacciones de este tipo. Por
ejemplo cuando el carbono se combina con el oxgeno, si la cantidad
de oxgeno presente eslimitada, el producto es monxido de carbono
(CO); si hay unexcesode oxgeno, el producto es dixido de carbono
(CO2), como se puede observar en las siguientes ecuaciones:
Oxido de metal + aguahidrxido de metal Porejemplo, el xido de
calcio (CaO) secombinacon el agua para formar hidrxido de calcio de
acuerdo a la siguiente ecuacin:
La frmula del hidrxido formado est determinada por el
conocimiento del nmero de oxidacin del metal y la carga del ion
hidroxilo (OH-). Si el metal presenta ms de un estado de oxidacin
el estado de oxidacin en el hidrxido es siempre igual al que tena
el xido. Por ejemplo, el xido de hierro (III) forma el hidrxido de
hierro (III). Debido a la formacin del hidrxido del metal o base, a
partir del xido de metal en agua, el xido del metal es algunas
veces llamadoxido bsico.Oxido de metal + aguaoxcidoLos xidos de no
metales reaccionan con agua para formar oxcidos. Por esta razn son
frecuentemente llamados xidos cidos.Ejemplo, el dixido de azufre
reacciona con agua para formar cido sulfuroso segn la siguiente
ecuacin:
El dixido de azufre, SO2puede ser oxidado en el aire para formar
SO3. Cuando ste se combina con el agua, seproducecido sulfrico.
Oxido de metal + xido de no metalsalEstas reacciones se pueden
considerar como reacciones de neutralizacin. Puesto que el xido del
metal es un anhdrido bsico y el xido de un no metal es un anhdrido
cido, la combinacin de stos para formar la sal es realmente un tipo
de reaccin cido-base. Una forma de predecir el producto formado en
reacciones de este tipo es considerar cul base o hidrxido el xido
de metal formara es estuviera en agua y cul cido el xido del no
metal formara si estuviera en agua. Luego decidiendo cul sal pueden
formar el cido y la base se determina el producto. Porejemplo:
Reacciones de descomposicin En una reaccin de descomposicin, una
sola sustancia se descompone o se rompe, produciendo dos o ms
sustancias distintas. A este tipo de reacciones se le puede
considerar como el inverso de las reacciones de combinacin. El
material inicial debe ser un compuesto y los productos pueden ser
elementos o compuestos. Generalmente se necesita calor para que
ocurra la reaccin. La forma general de estas ecuaciones es la
siguiente: AB A + BCompuesto elemento o compuesto + elemento o
compuesto En general, para algunos tipos de compuestos estas
reacciones son ms especficas. Consideremos unas pocas entre las ms
comunes.HidratosCuando secalientanlos hidratos se descomponen para
dar lugar a agua y sal anhidra... Un hidrato es una sal que
contiene una o ms molculas de agua por cada unidad frmula y posee
estructura de cristal. Cuando estas sustancias se calienta, se
desprende agua; por ejemplo el sulfato de cobre pentahidratado se
descompone de acuerdo a la siguiente ecuacin:
CloratosCuando se calientan los cloratos, se descomponen dando
cloruros ms oxgeno. Por ejemplo, el clorato de potasio se
descompone de acuerdo a la siguiente ecuacin:
xidos de metalesAlgunos pocos se descomponen al calentarlos
dandolugaral metal libre y oxgeno. Porejemploel xido mercrico se
descompone de acuerdo a la siguiente ecuacin:
CarbonatosLa mayora de carbonatos se descomponen al calentarlos
dando xidos y CO2. Por ejemplo carbonato clcico (piedra caliza)
cuando se calienta forma xido de calcio (cal viva) y CO2de acuerdo
a la siguiente ecuacin:
BicarbonatosLos bicarbonatos en su mayora cuando se calientan se
descomponen para formar un cido ms agua y CO2. Por ejemplo, el
bicarbonato de calcio se descompone de acuerdo a la siguiente
ecuacin:
Cuando los bicarbonatos de los metales del GrupoIAse calientan,
forman un carbonato ms agua y dixido de carbono (recuerde que los
carbonatos de los metalesIAson estables al calor mientras que otros
carbonatos no lo son). Por ejemplo el bicarbonato de sodio se
descompone de acuerdo a la siguiente ecuacin: Reaccin de Sustitucin
o Desplazamiento (Simple y Doble)En general se presenta cuando un
elemento qumico ms activo o mas reactivo desplaza a otro elemento
menos reactivo que se encuentra formando parte de un compuesto; el
elemento que ah sido desplazado queda en forma libre.En el caso de
los metales, los ms activos son losmetales alcalinosymetales
alcalinos trreos.En el caso de los no metales, los mas reactivos
son algunoshalogenos: Fl2, Cl2, Br2; adems del oxgeno y el
fsforo.Esquema de una Reaccin de Desplazamiento: Donde el elemento
A es ms activo o de mayor reactividad que el elemento BEjemplos:
Tambin se denomina de doble desplazamiento y ocurre cundo hay un
intercambio de elementos entre los dos compuestos diferentes y de
esta manera originan nuevas sustancias.Se presenta cuando la
sustancias reaccionantes estn en estado inico por encontrarse en
solucin, combinados entre si sus iones con mucha facilidad para
formar sustancia que permanecen estables en el medio
reaccionante
AB + CD = AC + BDReacciones de neutralizacinUna reaccin de
neutralizacin es aqulla en la cual reacciona un cido (o un xido
cido) con una base (u xido bsico). En la reaccin se forma una sal y
en la mayora de casos se forma agua. El nico caso en el cual no se
forma agua es en la combinacin de un xido de un no metal con un
xido de un metal.Acido + BaseConsidere los siguientes ejemplos de
varios tipos de reacciones de neutralizacin:Acido + basesal +
agua
Estareaccintambin se puede considerar como una reaccin de doble
desplazamiento en la que el ion hidrgeno del cido se combina con el
ion hidroxilo de la base para formar agua. Esto deja al ion sodio y
al ion cloruro en la solucin, la cual es una solucin acuosa de
cloruro de sodio. Para que se pueda visualizar que la reaccin se
llev a cabo (ya que las dos soluciones son incoloras), se utiliza
un indicador de fenolftalena que cambia a color rosado cuando se
agrega inicialmente al cido y a ste se le va agregando la base
hasta terminar la reaccin.Oxido de metal (anhdrido bsico) +
cidoagua + sal
Oxido de metal + xido de no metalsalComo se indic anteriormente
en la unidad de reacciones de combinacin, estas reacciones se
pueden considerar como reacciones de neutralizacin. Puesto que el
xido del metal es un anhdrido bsico y el xido de un no metal es un
anhdrido cido, la combinacin de stos para formar la sal es
realmente un tipo de reaccin cido-base. Una forma de predecir el
producto formado en reacciones de este tipo es considerar cul base
o hidrxido el xido de metal formara es estuviera en agua y cul cido
el xido del no metal formara si estuviera en agua. Luego decidiendo
cul sal pueden formar el cido y la base se determina el producto.
Porejemplo:
Oxido ReduccinUna reaccin dexido-reduccinse caracteriza porque
hay unatransferencia de electrones, en donde una sustancia gana
electrones y otra sustancia pierde electrones:La sustancia quegana
electronesdisminuyesu nmero de oxidacin. Este proceso se
llamaReduccin.La sustancia quepierde electronesaumentasu nmero de
oxidacin. Este proceso se llamaOxidacin.Por lo tanto, la Reduccin
es ganancia de electrones y la Oxidacin es una prdida de
electrones
tomo o in que se:
OxidaReduce
Cede electronesAumenta su nmero de oxidacinEs un agente
reductorAcepta electronesDisminuye su nmero de oxidacinEs un agente
oxidante
Aplicaciones de la oxidacin-reduccinLas reacciones de
oxidacin-reduccin son muy frecuentes en la industria ya que
constituyen el principio de funcionamiento de las pilas elctricas,
tales como las pilas alcalinas y se emplean para refinar
electroqumicamente determinados metales, tales como el cobre en
nuestro pas. Tambin se utilizan para la proteccin de los metales
contra la corrosin. En la naturaleza, intervienen en larespiracin
celulary en lafotosntesis.
Clculos Estequiomtricos
Los clculos estequiomtricos son aquellos que se realizan para
conocer con precisin la cantidad que se va a obtener de un
determinado producto, conocidas las cantidades de los reactivos o,
por el contrario, las cantidades de reactivo que se han de utilizar
para obtener una determinada cantidad de producto.
Composicin PorcentualSabemos que la cantidad de materia, es
decir, la masa de los tomo se concentra en su ncleo y que la unidad
para medirla es 1/12 de la masa del istopo 12 de carbono llamada
unidad de masa atmica (uma)Adems, conoces que lo tomos de un ,
mismo elemento no son exactamente iguales en su masa, es por eso
que las masas atmicas que se consignan en la tabla peridica son
fraccionarias, y corresponden al promedio de las masas de los
distintos istopos que forman un elemento dado. Ejemplo:
ElementoSmboloMasaatmicaEnteromasaproximadoHidrgenoH1.00797uma1OxgenoO15.9994uma16CarbonoC12.01115uma12MagnesioMg24.312uma24Se
busca el entero ms aproximado a la uma para facilitar los clculos.
Para obtener la composicin porcentual de las sustancias: ySe
obtiene la masa molecular. YTomando la masa molecular como el 100%,
se determinan las proporciones de las masas de cada uno de los
constituyentes
Reaccin Oxido Reduccin en electroqumica
Reacciones de xido-reduccinVeamos la siguiente reaccin: el
cloruro de sodio se forma al reaccionar sodio elemental con
cloro.2Na(s) + Cl2 (g) 2NaCl(s)Como el sodio y el cloro elementales
contienen tomos neutros y se sabe que el cloruro de sodio contiene
iones Na+ y Cl- , en esta reaccin debe efectuarse una transferencia
de electrones de los tomos de sodio a los de cloro. Las reacciones
de este tipo en las cuales se transfieren uno o ms electrones se
llaman reacciones de xido-reduccin o reacciones redox. La oxidacin
se define como prdida de electrones y la reduccin es la ganancia de
electrones. Al reaccionar el cloro y el sodio elementales, cada
tomo de sodio pierde un electrn y forma un ion 1+; por tanto, se
dice que el sodio se oxida. Cada tomo de cloro gana un electrn y
forma un ion cloruro negativo, y por tanto se reduce. Siempre que
un metal reacciona con un no metal para formar un compuesto inico
se transfieren electrones del metal al no metal; en consecuencia,
estas reacciones siempre son de xido-reduccin y el metal se oxida
(pierde electrones) y el no metal se reduce (gana electrones).
Estados de oxidacinEl concepto de estados de oxidacin (llamados
en ocasiones nmeros de oxidacin) permite saber qu ocurre con los
electrones en las reacciones de xido-reduccin asignando cargas a
los diversos tomos de un compuesto. En ocasiones estas cargas son
aparentes. Por ejemplo, en un compuesto inico binario los iones
tienen cargas que se identifican fcilmente: en el cloruro de sodio,
el sodio es + 1 y el cloro es -1; en el xido de magnesio el oxgeno
es -2 y el magnesio es +2; y as sucesivamente. En estos compuestos
inicos binarios los estados de oxidacin son simplemente las cargas
de los iones.Ion Estado de oxidacin Na+ Cl- Mg2+ O2-+1 -1 +2 -2En
un elemento puro todos los tomos son neutros. Por ejemplo el sodio
metlico contiene tomos de sodio neutros y el cloro gaseoso est
constituido por molculas Cl2, que contienen dos tomos de cloro
neutros. Por lo tanto un tomo de un elemento puro no tiene carga y
se le asigna el estado de oxidacin de cero.En un compuesto
covalente como el agua aunque no hay iones presentes en realidad,
es de utilidad asignar cargas imaginarias a los elementos. Los
estados de oxidacin de los elementos en estos compuestos son
iguales a las cargas imaginarias que se determinan suponiendo que
el tomo ms electronegativo del enlace controla o atrae ambos
electrones compartidos. Por ejemplo en el enlace OH del agua se
supone, con el fin de asignar estados de oxidacin, que el tomo de
oxigeno por ser ms electronegativo controla ambos electrones
compartidos en cada enlace. As el oxgeno completa sus ocho
electrones de valencia.En efecto, se dice que cada hidrgeno pierde
su electrn frente al oxgeno. As el hidrgeno queda con estado de
oxidacin +1 y el oxgeno con estado de oxidacin -2 (el tomo de
oxigeno gana formalmente dos electrones). Prcticamente en todos los
compuestos covalentes se asigna al oxgeno un estado de oxidacin de
-2 y al hidrgeno un esta do de oxidacin de +1.Como el flor es tan
electronegativo siempre se supone que controla los electrones
compartidos, para completar su octeto de electrones y se le asigna
el estado de oxidacin de -1. Es decir, para asignar estados de
oxidacin siempre se supone que el flor es F- en compuestos
covalentes.Los elementos ms electronegativos son F, O, N y Cl. En
general a estos elementos se les asigna un estado de oxidacin igual
a la carga del anin (-1 para el flor, -1 para el cloro, -2 para el
oxgeno y -3 para el nitrgeno). Cuando dos de estos elementos se
encuentran en un mismo compuesto se les asignan cargas por orden de
electronegatividad, comenzando por el que tiene mayor
electronegatividad.F > O > N > C lPor ejemplo en el
compuesto NO2, como el oxgeno tiene mayor electronegatividad que el
nitrgeno se le asigna el estado de oxidacin -2. As queda una
"carga" total de -4 (2x-2) en los dos tomos de oxgeno. Como la
molcula NO2 tiene carga neutra total N debe ser +4 para equilibrar
exactamente la carga de -4 en los oxgenos. Por tanto en NO2 el
estado de oxidacin de cada oxgeno es -2 y el del nitrgeno es +4.A
continuacin se dan las reglas para asignar estados de oxidacin. Al
aplicarlas se pueden asignar es todos de oxidacin a la mayora de
los compuestos. Los principios se ilustran en el siguiente ejemplo:
REGLAS PARA ASIGNAR ESTADOS DE OXIDACIN1. El estado de oxidacin de
un tomo en un estado puro es 0.2. El estado de oxidacin de un Ion
monoatmico es igual a su carga.2. Al oxigeno se le asigna un estado
de oxidacin de -2 en la mayora de los compuestos covalentes. Una
excepcin importante son los perxidos (compuestos que contienen el
grupo O2 -2) en los cuales se asigna a cada oxigeno un estado de
oxidacin de -1.3. En compuestos covalentes con no metales se asigna
al hidrgeno un estado de oxidacin de +1.4. En compuestos binarios,
al elemento con mayor electronegatividad se le asigna un estado de
oxidacin negativo igual a la carga de su anin en compuestos
inicos.5. En compuestos neutros, desde el punto de vista elctrico
la suma de los estados de oxidacin debe ser igual a cero.6. Para
una especie inica, la suma de los estados de oxidacin debe ser
igual a la carga total.Reacciones de xido-reduccin entre no
metalesSe ha visto que las reacciones de xido-reduccin se
caracterizan por transferencia de electrones. En algunos casos esta
transferencia da lugar a iones, como en la siguiente reaccin2Na(s)
+ Cl2 (g) 2NaCl(s)Se pueden emplear los estados de oxidacin para
verificar la transferencia de electrones.2Na(s) + Cl2 (g)
2NaCl(s)Estado de oxidacin 0, 0 +1 1(elemento) (elemento) (Na+)
(Cl-)Por tanto en esta reaccin se representa la transferencia de
electrones como sigue.Na Na+ e- Cl Cl-En otros casos la
transferencia de electrones se produce en diferente sentido, como
ocurre en la combustin de metano (se indica el estado de oxidacin
de cada tomo debajo de cada reactivo y producto). Obsrvese que el
estado de oxidacin del oxgeno en O2 es cero porque se encuentra en
su forma elemental. En esta reaccin no hay compuestos inicos, pero
se puede describir el proceso en trminos de trasferencia de
electrones. Obsrvese que el carbono experimenta un cambio de estado
de oxidacin -4 en CH4 o +4 en CO2. Estos cambios se explican
mediante la prdida de ocho electrones: y, en forma de ecuacin, Por
otra parte, cada oxgeno cambia del estado de oxidacin O en a -2 en
y C, lo que significa una ganancia de dos electrones por tomo.
Participan cuatro tomos de oxgeno por lo que la ganancia es de ocho
electrones. O, en forma de ecuacin, Obsrvese que se requieren ocho
electrones porque cuatro tomos de oxgeno pasan del estado de
oxidacin cero a -2. Y cada oxgeno requiere dos electrones. No se
produce cambio en el estado de oxidacin del hidrgeno y no participa
en el proceso de transferencia de electrones.Con estos antecedentes
es posible definir a continuacin la oxidacin y la reduccin en
trminos de estados de oxidacin. La oxidacin es un aumento del
estado de oxidacin (prdida de electrones). La reduccin es una
disminucin en el estado de oxidacin (ganancia de electrones). Por
tanto, en la reaccin 2Na(s) + (g) 2NaCl(s) el sodio se oxida y el
cloro se reduce. Se dice que es el agente oxidante (aceptor de
electrones) y Na es el agente reductor (donador de electrones).
Tambin se puede definir el agente oxidante como el reactivo que
contiene el elemento que se reduce (gana electrones). El agente
reductor se define de manera similar como el reactivo que contiene
el elemento que se oxida (pierde electrones).Respecto a la reaccin
se puede decir lo siguiente- El carbono se oxida porque su estado
de oxidacin aumenta (aparentemente pierde electrones).- El reactivo
C contiene el carbono de que se oxida de manera que Ces el agente
reductor. Es el reactivo que aporta electrones (los que pierde el
carbono).- El oxgeno se reduce porque hay disminucin de su estado
de oxidacin (aparentemente gana electrones).- El reactivo que
contiene tomos de oxgeno es de manera que es el agente oxidante. Es
decir, el aceptor de electrones. Obsrvese que al nombrar al agente
oxidante o reductor se especifica de qu compuesto se trata, no
solamente el elemento que experimenta el cambio de estado de
oxidacin.
ElectroqumicaEn la electroqumica hay dos tipos de procesos:1. La
produccin de una corriente elctrica a partir de una reaccin qumica
(xido-reduccin).2. El uso de la corriente elctrica para producir
algn cambio qumico.Para comprender de qu manera se emplean las
reacciones redox para generar corriente, considrese la reaccin
acuosa entre MnO4-y Fe2+ que se us en el ejemplo 4.2 Esta reaccin
redox se puede des componer en las siguientes semirreacciones: 8H+
+ MnO4- + 5e- Mn2+ + 4H2O (reduccin) Fe2+ Fe3+ + e-(oxidacin)Cuando
se produce en solucin la reaccin entre MnO4- y Fe2+se transfieren
electrones de manera directa mediante choque de los reactivos. No
se obtiene trabajo til de la energa qumica que participa en la
reaccin. El agua es una sustancia muy estable que se descompone en
sus elementos mediante corriente elctrica. Corriente elctrica
2H2O(l) 2H2(g) + O2 (g) forzadaLa electrlisis del agua para
producir hidrgeno y oxigeno se verifica al hacer pasar una
corriente a travs de una solucin acuosa. As, al cargar un
acumulador de plomo o "pasarle carga" se producen mezclas
potencialmente explosivas de H2 y O2 debido al flujo de corriente a
travs de la solucin en la batera. Por eso es muy importante no
producir una chispa cerca de ella al efectuar este proceso.Otra
aplicacin importante de la electrlisis es la obtencin de metales a
partir de sus minerales. El metal que se produce en mayor cantidad
por electrlisis es el aluminio.El aluminio es uno de los elementos
ms abundantes en la Tierra y ocupa el tercer lugar despus del
oxigeno y el silicio. Por ser tan reactivo se encuentra en forma de
xido en el mineral bauxita (cuyo nombre proviene de Les Baux,
Francia, en donde fue descubierto en 1821). La produccin de
aluminio metlico a partir de sus minerales es ms difcil que la
obtencin de otros metales. En 1782 Lavoisier, el pionero qumico
francs, reconoci el aluminio como un metal "cuya afinidad con el
oxgeno es tan fuerte que no puede ser superado por 12 En una celda
electroltica se emplea energa para producir un cambio qumico que no
se producira de otro modo ninguna sustancia reductora conocida".
Como resultado, le fue imposible obtener aluminio metlico puro. Por
ltimo en 1854 se encontr un proceso para obtener aluminio metlico
puro empleando sodio, pero el aluminio sigui sien do muy escaso. En
1886, Charles M. Hall en Estados Unidos y Paul Heroult en Francia
descubrieron de manera casi simultnea un proceso electroltico
prctico para la obtencin de aluminio que hizo posible disponer de
este metal para diversas aplicaciones. El efecto del proceso de
electrlisis es transformar los iones Al3+ en tomos de Al neutros
que forman aluminio metlico. El aluminio que se obtiene en el
proceso electroltico tiene 99.5% de pureza. Para emplearlo como
material estructural se hacen aleaciones con metales como zinc
(para construccin de trailers y aeronaves) y manganeso (para
utensilios de cocina, tanques de almacenamiento y seales de
carretera). (La produccin de aluminio consume cerca del 4.5% de la
electricidad que se emplea en Estados Unidos.)
Fuerza Electromotriz (Fem) en una Celda Electroqumica Se
denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energa proveniente de
cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre comente
elctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de
potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro
positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las
cargas elctricas a travs de un circuito cerrado.
A. Circuito elctrico abierto (sin carga o resistencia) Por
tanto, no se establece la circulacin de la corriente elctrica desde
la fuente de FEM. B. Circuito elctrico cerrado, con una carga o
resistencia acoplada, a travs de la cual se establece la circulacin
de un flujo de corriente elctrica desde el polo negativo hacia el
polo positivo de la fuente de FEM o batera.
Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energa
elctrica entre los que podemos citar:Pilas o Bateras. Son las
fuentes de FEM ms conocidas del gran pblico. Generan energa
elctrica por medios qumicos. Las ms comunes y corrientes son las de
carbn -zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten
recarga. Las hay tambin de nquel- cadmio (Ni Cd), de nquel e
hidruro metlico (Ni-MH) y de in de litio (Li-ion), recargables. En
los automviles se utilizan bateras de plomo-cido, que emplean como
electrodos placas de plomo y como electrolito cido sulfrico
mezclado con agua destilada.
Mquinas electromagnticas. Generan energa elctrica utilizando
medios magnticos y mecnicos, Es el caso de las dinamos y
generadores pequeos utilizados en vehculos automotores, plantas
elctricas porttiles y otros usos diversos, as como los de gran
tamao empleado en las centrales hidrulicas, trmicas y atmicas, que
suministran energa elctrica a industrias y ciudades.
QU ES LA FEM?Celdas fotovoltaicas o fotoelctricas. Llamadas
tambinceldas solares, transforman en energa elctrica la luz -
natural del Sol o la de una fuente de luz artificial que incida
sobre stas. Su principal componente es el silicio (Si). Uno de los
empleos ms generalizados en todo el mundo de las celdas voltaicas
es en el encendido automtico de las luces del alumbrado pblico en
las ciudades.
Tambin se utilizan en el suministro de pequeas cantidades de
energa elctrica para satisfacer diferentes necesidades en zonas
apartadas hasta donde no legan las redes del tendido de las grandes
plantas generadoras. Las celdas fotovoltaicas se emplean tambin
como fuente principal de abastecimiento de energa elctrica en los
satlites y mdulos espaciales. Las hay desde el tamao de una moneda
hasta las del tamao aproximado de un plato.Para obtener una tensin
o voltaje ms alto que el que proporciona una sola celda, se unen
varias para formar un panel.Termopares. Se componen de dos alambres
de diferentes metales unidos por uno de sus extremos. Cuando
reciben calor en el punto donde se unen los dos alambres, se genera
una pequea tensin o voltaje en sus dos extremos libres.
Entre algunas de las combinaciones de metales utilizadas para la
fabricacin de termopares podemos encontrar las siguientes:
chromel-alumel (Ni Cr-Ni Al), hierro-constatan (Fe-Cu Ni),
chromel-constantn (Ni Cr-Cu Ni), cobre constatan (Cu-Cu Ni).
platino-rodio (Pt-Rh), etc.Los termopares se utilizan mucho como
sensores en diferentes equipos destinados a medir,
fundamentalmente, temperaturas muy altas, donde se hace imposible
utilizar termmetros comunes no aptos para soportar temperaturas que
alcanzan los miles de grado.
Efecto Piezoelctrico. Propiedad de algunos materiales como el
cristal de cuarzo de generar una pequea diferencia de potencial
cuando se ejerce presin sobre ellos.Una de las aplicaciones
prcticas de esa propiedad es captar el sonido grabado en los
antiguos discos de vinilo por medio de una aguja de zafiro, que al
deslizarse por los surcos del disco en movimiento convierten sus
variaciones de vaivn en corriente elctrica de audiofrecuencia de
muy baja tensin o voltaje que se puede amplificar y or a un nivel
mucho ms alto.Existe tambin un tipo de micrfono de cermica, que
igualmente convierte las variaciones de los sonidos que capta en
corrientes de audiofrecuencia que pueden ser amplificadas,
transmitidas o grabadas.El efecto piezoelctrico del cristal de
cuarzo, por ejemplo, tiene tambin una funcin inversa, que es la de
vibrar cuando en lugar de presionarlo le aplicamos una pequea
tensin o voltaje. En este caso la frecuencia de la vibracin
depender del valor de la tensin aplicada y del rea que tenga el
cristal sobre el cual se aplica.El uso prctico ms conocido de esta
variante del efecto piezoelctrico est en los relojes de cuarzo,
fijar la frecuencia de trabajo del microprocesador en los
ordenadores, fijar las frecuencias de transmisin de las estaciones
de radio, etc.
El valor de la fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de
potencial, coincide con la tensin o voltaje que se manifiesta en un
circuito elctrico abierto, es decir, cuando no tiene carga
conectada y no existe, por tanto, circulacin de corriente.
Calculo Fem Y Potenciales De Oxido ReduccinUna de las celdas
galvnicas ms conocidas es la llamada celda Daniell. Consta de dos
semiceldas separadas por un vidrio poroso o puente salino. En una
de ellas se coloca un electrodo de cobre y una solucin 1 molar de
sulfato de cobre, mientras que en la otra se coloca un electrodo de
zinc en una solucin 1 molar de sulfato de zinc. Al unir los
electrodos mediante un medidor potencial, se determina que la celda
genera un potencial mximo de 1.1 volts, denominado fuerza
electromotriz (fem). Este valor puede ser calculado con base en las
reacciones qumicas que tienen lugar en la celda y el potencial
estndar asociado a estas reacciones. En este caso, los pares son
Cu2+/Cu0 y Zn2+/Zn0. Un potencial ms positivo indica una mayor
tendencia de las especies a ganar electrones, esto es, a reducirse.
En cambio, a medida que un potencial es ms negativo (o menos
positivo) se tiene una mayor tendencia a la oxidacin, o sea a la
prdida de electrones. De acuerdo a lo anterior, se puede afirmar
que las reacciones en la celda Daniell sern: Cu2+ + 2e- Cu0 Zn0 -
2e- Zn2+ La fem de una celda se calcula mediante la relacin: fem =
Potencial ms positivo Potencial ms negativo, sin cambiar nunca los
valores reportados en la tabla a menos que las condiciones de
concentracin, presin o temperatura sean diferentes a las
estndar.
Potencial de oxido reduccin.El trmino potencial de
oxidacin-reduccin, o potencial redox, se refiere al potencial que
se establece entre un electrodo inerte, por ejemplo, de platino o
de oro, y una disolucin de las formas oxidada y reducida de un
ion.La oxidacin consiste en una prdida de electrones, y la reduccin
en una ganancia de electrones; la ecuacin de oxidacin-reduccin se
escribe as:
En donde Rd representa el estado reducido y Ox el estado oxidado
del ion. El hierro ferroso puede oxidarse al estado frrico de
varios modos, como, por ejemplo:
Cuando un electrodo de platino, que no interviene en la reaccin,
sino que acta simplemente como un conductor elctrico, se sumerge en
una disolucin que contiene iones Ti++ y Ti+++, y este semielemento
se conecta, travs de un puente salino, a un electrodo normal de
hidrgeno, puede determinarse el potencial de oxidacin-reduccin del
sistema. Esta pila se representa de la forma siguiente:Pt Ti++,
Ti+++ H3O+ (aH3O+ = 1) H2 (1 atm), PtY las fracciones de cada uno
de los semielementos son:Izquierda (oxidacin) Ti++Ti+++ + eDerecha
(reduccin) H3O+ eH2 + H2OLa suma de las reacciones de los
electrodos de la derecha y de la izquierda constituye la reaccin
neta de la pila para la oxidacin del titanioTi++ + H3O+ = Ti+++ +
H2 + H2OPara calcular la f.e.m. de la pila se aplica la ecuacin
dada en el captulo anterior:
Como en el electrodo normal de hidrgeno la actividad de los
iones hidrgeno es 1,00 y la presin del gas hidrgeno es 1 atm, de
aqu que estos trminos no aparezcan en la oxidacin. Por tanto, el
potencial de oxidacin-reduccin de un semielemento o electrodo que
contenga iones en los estados reducido y oxidado ser
El trmino Eh se emplea, generalmente, para designar el potencial
de oxidacin reduccin del electrodo. El subndice h indica que el
valor obtenido es con respecto al potencial normal de oxidacin del
electrodo de hidrgeno. En esta ecuacin, E es el potencial normal de
oxidacin-reduccin del sistema, que es igual a Eh cuando la razn
Ox/Rd es la unidad, pues 1n 1=0, n es la diferencia existente en el
nmero de electrones de los estados oxidado y reducido; y,
finalmente, Ox y Rd representan las actividades de la sustancia en
las formas oxidada y reducida, respectivamente.A una temperatura de
25 C, para una transferencia de un electrn (n =1), la ecuacin
anterior ser:
Y cuando se transfieren dos electrones,
En la tabla 1 se indican los potenciales normales a 25 C para la
reaccin de oxidacin de algunos sistemas de oxidacin-reduccin. Los
de la parte superior de la tabla son los que se oxidan con ms
facilidad (buenos agentes reductores), mientras que los del final
de la misma son los ms fciles de reducir (buenos agentes
oxidantes).TABLA 1Potenciales normales de oxidacin, a 25 C, de
algunos sistemas inorgnicos de oxidacin-reduccinSistemas de
oxidacin- reduccinReaccinE0 (voltios)
Cr++, Cr+++Cr++= Cr++++ e+ 0,41
T++, T+++Ti++=T++++e+0,37
Sn++, Sn++++Si,++= Sn+''`"+'+2e-0.154
Cu+, Cu++Cu+=Cu+++e-0.167
Fe (CN)6- - -, Fe(CN)6- - -Fe (CN)6- - - =Fe(CN)6- - - +e
-0.356
MnO4- -1 MnO4-MnO4-- =MnO4- +e-0.564
Fe++, Fe+++Fe++= Fe++++ e -0.771
Hg2++, Hg++FIg2++= 2Hg+++ 2e-0.92
Tl+4-, TI-'++Tl+=Tl++++2e-1.25
Ce+++, Ce++++Ce+++=Ce+++++e-1.61
Pb++, Pb++++Pb++=Pb+++++2e-1,75
Co++, Co+++Co++=Co++++e-1,824
TABLA 2Potenciales normales de oxidacin, para determinados pH,
de algunos sistemas de oxidacin-reduccinSistemas de oxidacin-
reduccinE0' voltiospHTemperatura
Riboflavina+0,2087,030
+0,1175,030
Indigo trisulfonado +0,0817,030
Azul de metileno -0,0117,030
Acido ascrbico -0,1155,2030
-0,1364,5830
2,6-Diclorofenol indofenol -0,2177,030
Citocromo c -0,2566,7730
Vitamina K1 -0,3630,2 N HCl20
y 95 % alc.
Adrenalina (epinefrina) -0,3807,030
-0,7910,2930
Acido homogentsico-0,5701.9825
Electro Deposito (Calculo de electro deposito)La galvanoplastia
es un proceso mediante el cual se recubre un objeto con un metal,
gracias al paso de una corriente elctrica por una celda
electroqumica. Es un depsito de una capa metlica sobre un material
no metlico.La galnostegia es un depsito de una capa metlica sobre
un metalLos objetivos de este depsito es el de proteccin y
decoracin.
Un electro depsito se puede obtener bajo las siguientes
caractersticas:
1.-uniformidad de
depsito2.-brillo3.-dureza4.-rugosidad5.-adherencia6.-no
adherencia7.-quemado
Para un buen depsito electroltico es importante la limpieza. Las
sustancias a eliminar son:1.- xidos y productos de corrosin2.-
sustancias orgnicas (grasas y aceites9.3.- astillas metlicas
Aplicaciones de electroqumica en la electrnica
Las bateras o pilas como comnmente se les conoce, tiene ms de
200 aos de existencia, desde su primer modelo primitivo hasta lo
modernos productos que existen en la actualidad, como pilas
alcalinas, pilas recargables, etc.Las bateras no han perdido
vigencia tecnolgica por el contrario, cada da se perfecciona, ya en
la actualidad se habla de sistemas hbridos, de motores de combustin
con sistemas de bateras, que pronto sern una realidad en nuestras
calles.Este tiene como propsito ilustrar lo sencillo que es una
batera, una simple reaccin qumica que produce energa. Pero a su vez
dar luces que si la crisis energtica se agudiza, pronto deberemos
buscar fuentes de energa alternas para no depender del combustible
fsil (petrleo)Una batera es un dispositivo electroqumico el cual
almacena energa en forma qumica. Cuando se conecta a un circuito
elctrico, la energa qumica se transforma en energa elctrica. Todas
las bateras son similares en su construccin y estn compuestas por
un nmero de celdas electroqumicas. Cada una de estas celdas est
compuesta de un electrodo positivo y otro negativo adems de un
separador. Cuando la batera se est descargando un cambio
electroqumico se est produciendo entre los diferentes materiales en
los dos electrodos. Los electrones son transportados entre el
electrodo positivo y negativo va un circuito externo (bombillas,
motores de arranque etc.
Nano qumica propiedades fisicoqumicas no convencionales de
polmeros Catenanos y RotaxanosUn campo de investigacin reciente y
muy interesante es el de las mquinas moleculares. Inspirndose en la
mecnica biolgica, muchos han buscado formar sistemas moleculares en
movimiento para generar trabajo que promete tener muchas
aplicaciones. De inters especial para estos propsitos son un tipo
de molculas llamadas catenanos y Rotaxanos. Los catenanos son
estructuras formadas por la interconexin de dos o ms macrociclos
para formar una especie de cadena, con cada macrociclo tomando el
papel de un eslabn. Los Rotaxanos son estructuras con una molcula
en forma de mancuerna rodeada en el centro por un macrociclo.
Los primeros catenanos y Rotaxanos fueron sintetizados en la
dcada de 1960, pero no fue sino hasta hace unos aos que se
empezaron a considerar estas estructuras como posibles fuentes de
una aplicacin importante. Al principio, la sntesis de este tipo de
estructuras era muy difcil ya que se utilizaban nicamente fuerzas
intermoleculares e interacciones cido-base para dirigir la reaccin.
Sin embargo, en la actualidad ya no existen ese tipo de
impedimentos ya que se han diseado mtodos de sntesis que incorporan
metales de transicin para dirigir la reaccin. Uno de los metales ms
empleados para esto es el cobre en estado de oxidacin (I). Las
estrategias ms comunes consisten en formar un complejo con
fragmentos coordinantes acclicos para luego cerrar los fragmentos
mediante una reaccin de sustitucin u otro tipo de reaccin. El
centro metlico puede ser removido posteriormente formando una sal
insoluble con otro ligante para obtener el catenano libre.
La idea de producir motores moleculares con este tipo de
estructuras proviene del estudio del mecanismo de la contraccin
muscular. En las clulas musculares existen arreglos en forma de
fibras, con un filamento de miosina rodeado de filamentos de
actina. El movimiento ocurre por deslizamiento de los filamentos
impulsado por la hidrlisis del ATP. Haciendo una analoga con esta
funcin biolgica, se han preparado estructuras moleculares que
presenten este tipo de movimiento. Uno de los sistemas ms
prometedores son los polipirroles que permiten doblar un polmero
slido en una direccin u otra dependiendo de la corriente elctrica
aplicada. Los Rotaxanos se basan en el mecanismo de los sarcmeros
del msculo, y el ciclo central no permite que la cadena en forma de
mancuerna se deslice completamente fuera del sistema. Sin embargo
un mtodo qumico interesante consiste en el intercambio de centros
metlicos en un catenano. Para esto es importante que los ciclos
tengan varios tomos donadores. Es posible intercambiar un ion
metlico con un nmero de coordinacin por otro con mayor nmero de
coordinacin (por ejemplo Cu (I) y Zn (II)). Esto produce un
movimiento de estiramiento y contraccin.
La promesa de esta tecnologa se ha manifestado en la industria
de la computacin. La naturaleza mvil tanto de los Rotaxanos como de
los catenanos hace que se comporten como interruptores moleculares,
lo cual implica una amplia gama de aplicaciones tecnolgicas. Se ha
pensado en ocupar estas molculas para producir chips muy pequeos,
donde los Rotaxanos acten como transistores. Tambin se estn
desarrollando aplicaciones en las que funcionen como sistemas de
almacenamiento de informacin para producir computadoras
moleculares. De igual forma pueden ocuparse como sensores
moleculares. Este tipo de aplicaciones se han trabajado ampliamente
en los ltimos aos y se ha hecho un gran avance, pero an es muy
temprano para asegurar su efectividad y si sern capaces de cumplir
las expectativas que han generado.Bibliografa
http://www.mitecnologico.com/Main/CalculoFemYPotencialesDeOxidoReduccionhttp://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r66487.PDFhttp://www.fullquimica.com/2011/11/reaccion-de-desplazamiento-o-de.html
http://medicina.usac.edu.gt/quimica/reacciones/Reacciones_de_combinaci_n_o_s_ntesis.http://www.monografias.com/trabajos11/tdequim/tdequim.shtmlhttp://medicina.usac.edu.gt/quimica/reacciones/Reacciones_de_descomposici_n.htmhttp://medicina.usac.edu.gt/quimica/reacciones/Reacciones_de_descomposici_n.htmhttp://www.profesorenlinea.cl/Quimica/oxido_reduccion.htmhttp://www.orene.org/reich/terra/elpais/rotaxano.htmlChristiane
Dietrich-Buchecker, Maria Consuelo Jimenez-Molero, Valerie Sartor,
y Jean-Pierre Sauvage. Rotaxanes and catenanes as prototypes of
molecular machines and motorsPure Appl. Chem., Vol. 75, No. 10, pp.
13831393, 2003.Carlos Peinador, Vctor Blanco, and Jos M. Quintela.
A New Doubly Interlocked [2]Catenane. J. Am. Chem. Soc., 2009.
Cuestionario
1. cmo se crea una reaccin de combinacin?R= se combinan dos o ms
sustancias que pueden ser elementos o compuestos para formar un
producto.
2. Qu es una reaccin de descomposicin?R= una sola sustancia se
descompone o se rompe, produciendo dos o ms sustancias
distintas.
3. Cmo se crea una reaccin de Sustitucin?R= cuando un elemento
qumico ms activo o mas reactivo desplaza a otro elemento menos
reactivo que se encuentra formando parte de un compuesto.
4. Cmo se crea una reaccin de neutralizacin?R= es aqulla en la
cual reacciona un cido (o un xido cido) con una base (u xido
bsico).
5. Cmo se crea una reaccin oxido reduccin?R= se caracteriza
porque hay unatransferencia de electrones, en donde una sustancia
gana electrones y otra sustancia pierde electrones.
6. Menciona una aplicacin de la reaccin oxido reduccinR= son muy
frecuentes en la industria ya que constituyen el principio de
funcionamiento de las pilas elctricas, tales como las pilas
alcalinas
7. Qu son os clculos estequiomtricos?R= son aquellos que se
realizan para conocer con precisin la cantidad que se va a obtener
de un determinado producto, conocidas las cantidades de los
reactivos o, por el contrario, las cantidades de reactivo que se
han de utilizar para obtener una determinada cantidad de
producto.
8. A que se le denomina fuerza electromotriz y cuales son 2
tipos de circuitos?R= Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la
energa proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que
suministre comente elctrica.
Circuito elctrico abierto (sin carga o resistencia) Por tanto,
no se establece la circulacin de la corriente elctrica desde la
fuente de FEM (La batera en este caso).
Circuito elctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada,
a travs de la cual se establece la circulacin de un flujo de
corriente elctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de
la fuente de FEM o batera.
9. Que es la FEM?R=Celdas fotovoltaicas o fotoelctricas.
Llamadas tambinceldas solares, transforman en energa elctrica la
luz - natural del Sol o la de una fuente de luz artificial que
incida sobre stas.
10. Qu es el potencial oxido reduccin?R= se refiere al potencial
que se establece entre un electrodo inerte, por ejemplo, de platino
o de oro, y una disolucin de las formas oxidada y reducida de un
ion.
11. Qu es y cmo se puede obtener un electro depsito?R= La
galnostegia es un depsito de una capa metlica sobre un metalUn
electro depsito se puede obtener bajo las siguientes
caractersticas:
uniformidad de depsito brillo dureza rugosidad adherencia no
adherencia quemado
12. Cules son las aplicaciones de la electroqumica en la
electrnica?R= dentro de la rama de la electrnica en relacin con la
qumica se utiliza en lo que son las bateras o pilas.
13. Qu son los catenanos y los Rotaxanos?R= Los catenanos son
estructuras formadas por la interconexin de dos o ms macrociclos
para formar una especie de cadena. Los Rotaxanos son estructuras
con una molcula en forma de mancuerna rodeada en el centro por un
macrociclo.
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