Fundamentos de Química: Reacciones Redox, Celdas Electroquímicas e Isomería Orgánica
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Conceptos Fundamentales de Reacciones Redox
Las reacciones de oxidación-reducción (Redox) implican la transferencia de electrones entre especies químicas.
Tabla de Procesos Redox
| Proceso | Agente | Electrones | Nº de Oxidación |
|---|---|---|---|
| Oxidación | Reductor | Pierde electrones | Aumenta |
| Reducción | Oxidante | Gana electrones | Disminuye |
Reglas para la Asignación del Número de Oxidación (NO)
- Elementos en estado libre (N₂, O₂, Fe): 0
- Hidrógeno (H): +1 (generalmente) / -1 (en hidruros metálicos)
- Oxígeno (O): -2 (generalmente) / -1 (en peróxidos) / +1 o +2 (en compuestos con flúor)
- Metales del Grupo 1 (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Ag): +1
- Metales del Grupo 2 (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd): +2
- Iones monoatómicos: El NO coincide con la carga del ion.
- En iones poliatómicos: La suma de los NO debe ser igual a la carga del ion.
- En compuestos neutros: La suma de los NO debe ser igual a cero.
Ajuste de Reacciones Redox (Método del Ion-Electrón)
- Se asigna el Número de Oxidación (NO) de cada elemento para identificar las especies que se oxidan y se reducen.
- Se escriben las semirreacciones de reducción y oxidación. (Nota: Los compuestos covalentes, como NO₂, o el agua, H₂O, se mantienen como moléculas).
- Se ajustan los átomos distintos de Hidrógeno (H) y Oxígeno (O).
- Ajuste de H y O:
- Medio Ácido: Se añade H₂O para ajustar el O y H⁺ para ajustar el H.
- Medio Básico: Se añaden moléculas de H₂O en la parte donde se excede el O (tantas como exceso) y OH⁻ en el lado opuesto.
- Se ajusta la carga añadiendo electrones (e⁻) en el lado de mayor carga positiva (en la reducción, a la izquierda; en la oxidación, a la derecha).
- Se iguala el número de electrones en ambas semirreacciones multiplicando por los coeficientes necesarios y se suman las semirreacciones para obtener la reacción global.
Electroquímica: Pilas y Celdas Electroquímicas
Una pila o celda electroquímica es un dispositivo que permite obtener una corriente eléctrica a partir de una reacción redox espontánea.
Conceptos Clave
- Ánodo: Electrodo donde se produce la oxidación (polo negativo).
- Cátodo: Electrodo donde se produce la reducción (polo positivo).
Partes de una Pila
- Electrodo: Formado por una lámina de metal, introducida en una disolución de una sal de ese metal.
- Hilo Conductor: Permite el paso de electrones del ánodo al cátodo.
- Puente Salino: Conecta las disoluciones y evita la acumulación de cargas, manteniendo la neutralidad eléctrica.
Ejemplo: La Pila de Daniell
En la Pila de Daniell, el proceso es el siguiente:
- Ánodo (Oxidación): El Zn metálico se oxida a iones Zn²⁺ en disolución. Los electrones perdidos son transferidos al cátodo. (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻)
- Cátodo (Reducción): Los iones Cu²⁺ de la disolución aceptan los electrones para reducirse a Cu metálico. (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu)
La lámina metálica de Zn va disolviéndose, mientras que la lámina metálica de Cu aumenta su masa.
Potencial Estándar de Reducción (E⁰)
El potencial estándar de reducción (E⁰) indica la tendencia que tiene una determinada especie a reducirse.
Relación entre E⁰ y el Proceso Redox
| Potencial (E⁰) | Proceso | Comportamiento | Rol | Electrodo |
|---|---|---|---|---|
| Mayor E⁰ | Reducción (Se reduce mejor) | Oxidante (Gana electrones) | Se deposita metal | Cátodo |
| Menor E⁰ | Oxidación (Se oxida mejor) | Reductor (Pierde electrones) | Se disuelve metal | Ánodo |
Isomería en Química Orgánica
Dos compuestos son isómeros cuando tienen la misma fórmula molecular, pero poseen diferente fórmula estructural o disposición espacial.
Isomería Estructural (Constitucional)
Los isómeros estructurales difieren en la forma en que sus átomos están conectados.
- Isomería de Cadena: Compuestos con el mismo grupo funcional pero con diferente estructura de la cadena carbonada.
Ejemplo: Butano (CH₃-CH₂-CH₂-CH₃) y Metilpropano (CH₃-CH(CH₃)-CH₃). Ambos son C₄H₁₀.
- Isomería de Posición: Mismo grupo funcional, pero ubicado en diferente posición.
Ejemplo 1 (Alcoholes): Propan-1-ol (CH₂OH-CH₂-CH₃) y Propan-2-ol (CH₃-CHOH-CH₃). Ambos son C₃H₈O.
Ejemplo 2 (Alquenos): But-1-eno (CH₂=CH-CH₂-CH₃) y But-2-eno (CH₃-CH=CH-CH₃). Ambos son C₄H₈.
- Isomería de Función: Diferente grupo funcional.
Ejemplo: Etanol (CH₃-CH₂OH) y Dimetil éter (CH₃-O-CH₃). Ambos son C₂H₆O.
Estereoisomería
Los estereoisómeros tienen la misma conectividad, pero difieren en la disposición espacial de sus átomos.
- Isomería Geométrica (Cis-Trans): Se presenta en alquenos o compuestos cíclicos. Requiere que los dos sustituyentes de cada carbono del doble enlace sean distintos.
- Isomería Óptica: Se presenta en compuestos que poseen un carbono asimétrico (quiral), es decir, un carbono unido a cuatro sustituyentes distintos.