Fundamentos Químicos: Ácidos, Bases y Reacciones Redox en la Transformación de Materiales

Temario del Bloque 4: La Transformación de Nuevos Materiales

Contenidos Principales

• La importancia de los ácidos y las bases en la vida cotidiana.
• Catalizadores e inhibidores.
• Acidez estomacal y su manejo.
• Experimentos conceptuales: ¿Se puede encender un foco usando agua?
• Diferencias entre los ácidos.
• La importancia de las reacciones óxido-reducción (redox).
• Balanceo de ecuaciones por el método redox.

Conceptos Fundamentales de Ácidos y Bases

Definiciones Iniciales

ÁCIDO: Sustancia que generalmente libera iones de hidrógeno ($\text{H}^+$) en solución. Se caracteriza por ser corrosiva o irritante.

BASE: Sustancia que puede contrarrestar el efecto de un ácido. Se clasifican en dos grupos principales:

• Óxidos
• Hidróxidos

Una característica común es que todos los ácidos en sus fórmulas inician con $\text{H}$. Ejemplos:

• Ácido Clorhídrico: $\text{HCl}$
• Ácido Nítrico: $\text{HNO}_3$
• Ácido Sulfúrico: $\text{H}_2\text{SO}_4$

Clasificación de Bases

Óxidos

Sustancia formada por la combinación con Oxígeno ($\text{O}$)**. Suelen tener apariencia sólida y color blanquecino. Todos los óxidos terminan en 'o' (óxido). Ejemplo: Óxido de azufre ($\text{SO}_4$, aunque la notación $\text{SO}_4$ es un anión, se refiere al concepto de óxido).

Hidróxidos

Sustancia perteneciente a las bases. Se conforman por la unión de un metal con el grupo hidroxilo ($\text{OH}^-$). Ejemplo: $\text{Fe}(\text{OH})_2$ (Hidróxido de hierro II).

Neutralización

Cuando las sustancias tanto ácidas como básicas se combinan, se lleva a cabo la neutralización, produciendo generalmente sal y agua.

Indicadores de pH

El Papel Tornasol

¿Qué es el papel tornasol? Se obtiene de una planta llamada Chrozophora tinctoria, también conocida como hojas tornasol. Una de sus características es que puede tomar tonalidades que van del azul al amarillo.

La anticianina se puede utilizar como papel tornasol, ya que cambia de color con la acidez y la basicidad de una sustancia.

Teoría de Arrhenius

En 1860, el químico Arrhenius investigó las propiedades de los ácidos para probarlos con diferentes metales. Su objetivo era explicar por qué las disoluciones salinas ácidas o básicas conducen la electricidad o corriente eléctrica.

Según esta teoría, una sustancia se disocia:

$$\text{AB} \rightarrow \text{A}^+ + \text{B}^-$$ %IMAGE%

Aplicación: Acidez Estomacal

Cuando existe un exceso de ácido en el estómago, sus paredes pueden liberar $\text{HCl}$ (ácido clorhídrico), lo que puede causar irritación e incluso formar heridas llamadas úlceras gástricas (perforación en el intestino).

Para contrarrestar esto, se utilizan antiácidos como el bicarbonato de sodio ($\text{NaHCO}_3$):

$$\text{HCl} + \text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 + \text{NaCl}$$ %IMAGE% %IMAGE% %IMAGE%

Reacciones de Oxidación y Reducción (Redox)

Oxidación en la Naturaleza

La oxidación es un fenómeno que ocurre normalmente en la naturaleza e incluso afecta al ser humano. Los efectos del hierro se oxidan formando nuevas sustancias a las que llamamos óxidos (compuesto químico formado principalmente por oxígeno). En este caso, se forma un compuesto llamado óxido de hierro III ($\text{Fe}_2\text{O}_3$). Un nombre común es herrumbre.

Protección contra la Oxidación

¿Y si no hay oxígeno? El óxido de aluminio ($\text{Al}_2\text{O}_3$) es un compuesto que se forma en una capa delgada sobre el metal y, a diferencia del óxido de hierro, protege justamente al aluminio de su deterioro.

Combustión: Otra Forma de Obtener Óxidos

El cambio químico producido al quemar una reacción química ($\text{R.Q.}$) es conocida como combustión. Se llama así a todas las reacciones que involucran oxígeno y que producen energía en forma de luz y calor. Esto implica que la respiración es un proceso de combustión.

Las sustancias que reaccionan con el oxígeno en estos procesos se les llama combustibles. La madera, la gasolina y el gas son ejemplos de estos.

Determinación del Número de Oxidación (N.O.)

Concepto de N.O.

El número de oxidación es el número que aparece sobre el símbolo del elemento con el símbolo de $\pm$ (que indica la carga potencial). Indica el número de oxidación del elemento. El objetivo es sumar o restar cargas para que el equivalente sea igual a 0 en un compuesto neutro.

El número de oxidación es un número entero que representa el número de electrones que un átomo recibe o que pone a disposición de otros cuando forman un compuesto determinado.

Valores Comunes de Número de Oxidación

Elementos con N.O. = +1

• $\text{H}$, $\text{Li}$, $\text{Na}$, $\text{K}$, $\text{Rb}$, $\text{Cs}$, $\text{Fr}$, $\text{Ag}$

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Elementos con N.O. = +2

• $\text{Be}$, $\text{Mg}$, $\text{Ca}$, $\text{Sr}$, $\text{Ba}$, $\text{Ra}$, $\text{Zn}$, $\text{Cd}$

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Elementos con N.O. = +3

• $\text{B}$, $\text{Al}$, $\text{Ga}$, $\text{In}$, $\text{Tl}$, $\text{Sc}$, $\text{La}$

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Halógenos (F, Cl, Br, I)

• $\text{F}$: Siempre $\mathbf{-1}$
• $\text{Cl}$, $\text{Br}$, $\text{I}$: $\mathbf{-1}$ cuando interactúa con metales y con $\text{H}$.

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Azufre (S), Selenio (Se), Telurio (Te)

• N.O. de $\mathbf{-2}$ cuando trabaja con metales y $\text{H}$.
• N.O. de $\mathbf{+4}$, $\mathbf{+6}$ cuando está con un óxido o oxiácido.

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Oxígeno (O)

• N.O. de $\mathbf{-2}$ (generalmente).

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Nitrógeno (N), Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb), Bismuto (Bi)

• N.O. de $\mathbf{-3}$ cuando trabaja con $\text{H}$.
• N.O. de $\mathbf{+3}$, $\mathbf{+4}$, $\mathbf{+5}$ cuando trabaja con óxidos u oxiácidos.

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Carbono (C), Silicio (Si), Germanio (Ge), Plomo (Pb), Estaño (Sn)

• N.O. de $\mathbf{-4}$ cuando trabaja con metales e $\text{H}$.
• N.O. de $\mathbf{+4}$ cuando trabaja con óxidos y oxiácidos.

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Hidrógeno (H)

• N.O. de $\mathbf{+1}$ cuando trabaja con no metales.
• N.O. de $\mathbf{-1}$ cuando trabaja con metales.

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