Química Esencial: Valencias, Redox y Electrólisis para Estudiantes

Valencias de Elementos Químicos y Nomenclatura

Valencias Comunes de Elementos

• 1: Li, Na, K, Rb, Cs, Ag, NH₄
• 2: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd
• 1,2: Cu, Hg
• 3: Al
• 1,3: Au
• 2,3: Fe, Co, Ni
• 2,4: Pt, Pb, Sn, Ir
• 2,3,6: Cr
• 2,3,4,6,7: Mn
• 1: H, F
• 1,3,5,7: Cl, Br, I
• 2: O
• 2,4,6: S, Se, Te
• 1,3,5: N
• 3,5: P, As, Sb
• 3: B
• 2,4: C, Si

Nomenclatura de Compuestos: Sufijos y Prefijos

• 2 Valencias: Se utilizan los sufijos -oso (para la valencia menor) e -ico (para la valencia mayor).
• 3 Valencias: Se emplean los prefijos y sufijos hipo-oso, -oso e -ico.
• 4 Valencias: Se usan los prefijos y sufijos hipo-oso, -oso, -ico y per-ico.

Casos Especiales de Nomenclatura de Ácidos

• Fósforo (P) y Arsénico (As):
  • HPO₂: Ácido metafosforoso
  • H₄P₂O₅: Ácido pirofosforoso
  • H₃PO₃: Ácido fosforoso
  • HPO₃: Ácido metafosfórico
  • H₄P₂O₇: Ácido pirofosfórico
  • H₃PO₄: Ácido fosfórico
• Cromo (Cr):
  • H₂CrO₄: Ácido crómico
  • H₂Cr₂O₇: Ácido dicrómico
• Manganeso (Mn):
  • H₂MnO₃: Ácido manganoso
  • H₂MnO₄: Ácido mangánico
  • HMnO₄: Ácido permangánico
• Boro (B):
  • HBO₂: Ácido metaborico
  • H₃BO₃: Ácido bórico
  • H₂B₄O₇: Ácido tetraborico

Elementos Diatómicos

Los siguientes elementos existen comúnmente como moléculas diatómicas:

• H₂ (Hidrógeno)
• F₂ (Flúor)
• Cl₂ (Cloro)
• Br₂ (Bromo)
• I₂ (Yodo)
• O₂ (Oxígeno)
• N₂ (Nitrógeno)

Electrólisis y Pilas Galvánicas: Fundamentos de Electroquímica

¿Qué es la Electrólisis?

La electrólisis es un proceso por el cual se provocan reacciones químicas no espontáneas a partir de la aplicación de energía eléctrica. El recipiente donde tiene lugar la electrólisis recibe el nombre de cuba electrolítica. En la cuba se introducen los reactivos en disolución o fundidos y, a continuación, se les somete a una intensidad de corriente por parte de dos electrodos, forzando así las reacciones químicas en el cátodo y en el ánodo.

Diferencias Clave: Pila Galvánica vs. Electrólisis

Es fundamental distinguir entre una pila galvánica (o celda voltaica) y un proceso de electrólisis:

• Pila Galvánica (Celda Voltaica):
  • Produce energía eléctrica a partir de reacciones químicas.
  • La reacción es espontánea.
  • Ánodo: Ocurre la oxidación, es el polo negativo.
  • Cátodo: Ocurre la reducción, es el polo positivo.
• Electrólisis (Celda Electrolítica):
  • Produce reacciones químicas a partir de energía eléctrica.
  • La reacción es no espontánea.
  • Ánodo: Ocurre la oxidación, es el polo positivo.
  • Cátodo: Ocurre la reducción, es el polo negativo.

Leyes de Faraday de la Electrólisis

Las leyes de Faraday establecen la relación entre la energía eléctrica administrada y la masa de sustancia acumulada en los electrodos durante un proceso electrolítico:

1. Primera Ley de Faraday: La cantidad de una sustancia producida durante una electrólisis es directamente proporcional a la intensidad (I) y al tiempo (t) que circula la corriente, es decir, a la cantidad de carga eléctrica (Q) que atraviesa el electrolito.
2. Segunda Ley de Faraday: Cuando por un electrodo pasa un mol de electrones, se deposita o se libera un equivalente de la sustancia.

Reacciones de Oxidación-Reducción (Redox)

Conceptos Fundamentales de Redox

• Oxidación: Proceso por el que una especie química pierde electrones.
• Reducción: Proceso por el que una especie química gana electrones.

De acuerdo con el principio de conservación de la carga, cuando una especie se oxida (pierde electrones), debe haber otra que se reduzca (gane esos electrones). Por lo tanto, siempre que se produzca una oxidación, habrá una reducción simultánea.

• Oxidante: Es la sustancia que provoca la oxidación de otra, aceptando sus electrones. Por lo tanto, el oxidante se reduce.
• Reductor: Es la especie química que pierde electrones, los cuales son absorbidos por el oxidante. Por lo tanto, el reductor se oxida.

Identificación de Reacciones Redox

Una reacción química es redox si, en el curso de la misma, alguno de los átomos cambia su número de oxidación. Un aumento en el número de oxidación indica oxidación, y un descenso indica reducción. Si ningún átomo cambia su número de oxidación, no es un proceso redox.

Valoraciones Redox

Se ha observado que las reacciones redox transcurren equivalente a equivalente, lo que significa que por cada equivalente de oxidante reacciona un equivalente de reductor. Este concepto teórico es la base de las valoraciones redox, que son procesos experimentales que permiten conocer la concentración de una disolución problema a partir de una disolución patrón de concentración conocida, gracias al proceso redox que se produce al ponerse ambas en contacto.

El punto de equivalencia se obtiene cuando el número de equivalentes del oxidante coincide con el número de equivalentes del reductor. Para poner de manifiesto este punto, se utiliza un indicador redox, que es una sustancia que presenta distinto color en su forma oxidada y en su forma reducida. El procedimiento experimental es similar al descrito en el tema de ácidos y bases.

Componentes Clave en Celdas Electroquímicas

Electrodos y su Función

• Ánodo: Electrodo donde tiene lugar la oxidación.
• Cátodo: Electrodo donde tiene lugar la reducción.

Puente Salino o Tabique Poroso

El puente salino o tabique poroso es un componente que permite la separación de los dos electrodos, a la vez que facilita la movilidad iónica, cerrando así el circuito eléctrico.