Los procesos de combustión, la corrosión de metales, la obtención de elementos a partir de sus minerales, las pilas, las baterías, y hasta la respiración celular, son ejemplos de procesos en los que se lleva a cabo la oxidación y reducción de sustancias. Esto podemos llegar a saberlo ya, o a tener una idea, pero ¿sabes cómo se analizan este tipo de reacciones? Os presento los diagramas Redox.
Vamos a hablar de cuatro tipos que posiblemente no conozcas, pero que además estoy seguro que no sabías que tenían aplicaciones tan comunes como el análisis de aguas naturales. Antes de todo os pongo en contexto: La oxidación se refiere a la ganancia de oxígeno, pérdida de hidrógeno o pérdida de uno o más electrones. Mientras que la reducción se refiere a pérdida de oxígeno, ganancia de hidrógeno o ganancia de uno o más electrones. Os pongo un ejemplo:
Para hacer cálculos de los potenciales de estas semirreacciones, la ecuación por excelencia es la Ecuación de Nernst. Donde con ella podemos calcular el potencial del sistema que estamos estudiando.
Ahora sí, vamos a ver qué es eso de los diagramas redox…
Diagramas de Latimer
Este diagrama es el más sencillo de todos y de los que más información nos aporta. Se escribe sobre una línea horizontal que conecta especies de un elemento en distintos estados de oxidación.
La forma más oxidada se encuentra a la derecha y el potencial se escribe en voltios.
Cuando queremos tratar la información de cada semirreacción por separado, debemos ayudarnos de protones H+ o aniones OH– y moléculas de H2O para poder ajustar la reacción. Vamos, ¡un sencillo ajuste redox!
Pero claro, ahora te preguntarás, ¿si quiero saber el potencial de especies vecinas? Sencillísimo, ajustamos las semirreacciones para saber el número de electrones que interactúan y con estos, los potenciales y una fórmula, ya conseguimos el potencial. En la siguiente imagen lo entenderás mejor.
¿Qué aplicaciones tienen los Diagramas de Latimer?
La aplicación principal de este diagrama es mayoritariamente teórica. Nos permiten comparar las propiedades redox de los elementos. Pero además, nos ayudan a determinar si una sustancia es estable a la desproporción.
¿Qué será esto de la desproporción? En el diagrama, cuando el potencial de la derecha de una especie es mayor, se dice que este es inestable frente a la desproporción. Lo que nos quiere decir que se descompondrá en las dos especies contiguas. No era tan complicado como pensabas, ¿a que no?
Diagramas de Frost
¿Entendiste bien los de Latimer? Pues los diagramas de Frost se representan gracias a la información de los diagramas de Latimer. Estos representan el método gráfico más común de resumir las reacciones redox para especies con diferentes estados de oxidación.
¿Cómo los representamos? Pues en el eje Y, -ΔGº/F, mientras que en el eje X los diferentes estados de oxidación.
Además, igual que con los diagramas de Latimer, podemos saber si las diferentes especies son estables o no. ¿Cómo lo podemos saber? Pues vamos a trazar líneas imaginarias que vayan de una especie a otra. En el caso de que al unir dos especies y que la del medio quede por arriba de la línea, significará que la especie central es inestable frente a la desproporción.
¿Y que pasa si queda por abajo? Pues en ese caso, la especie central será estable frente a la desproporción. Además, si existen las dos especies vecinas en la disolución, pueden reaccionar y formar la intermedia. Este proceso se denomina comproporción.
¿Dónde aplicamos los Diagramas de Frost?
Estos diagramas pueden utilizarse para calibrar las estabilidades de los distintos estados de oxidación de un elemento. Así podemos conseguir determinar si la especie a estudiar es un buen agente oxidante o un buen agente reductor.
Realmente estos diagramas representan la misma información que los de Latimer, pero de una manera mucho más gráfica, por lo que tienen unas aplicaciones muy parecidas.
Diagramas de Pourbaix
Marcel Pourbaix, pianista y químico de profesión, fue el creador de los llamados diagramas de Pourbaix. Estos son representaciones gráficas del potencial electroquímico frente al pH, para un metal dado, bajo condiciones termodinámicas estándar.
En ellos, se representa la estabilidad para el electrolito (normalmente agua), el metal y compuestos relacionados, como por ejemplo, óxidos, hidróxidos e hidruros.
¿Os acordáis de la ecuación de Nernst del principio? Pues aquí es uno de los ejemplos donde se aplica, además de utilizar la constante de equilibrio de los distintos compuestos metálicos.
Vamos de dividirlo en tres partes. Superior, inferior e intermedia. En la superior se encuentran agentes fuertemente oxidantes, en la inferior fuertemente reductores y en la intermedia sólo podemos encontrar agentes pobres oxidantes y reductores.
Sencillo, ¿no? Y la pregunta ahora es, ¿y para qué se utilizan?
¿Qué hacemos con los Diagramas de Pourbaix?
Son utilizados en el campo de la corrosión, además de en otros muchos campos como electrolisis industrial, recubrimiento, electroobtención y electrorefinado de metales, celdas eléctricas, tratamiento de aguas e hidrometalurgia y muchos más.
Estos son particularmente útiles en el estudio del comportamiento frente a la corrosión de materiales metálicos, ya que permiten predecir las zonas de inmunidad, corrosión y pasivación de un metal en un medio agresivo determinado.
En la siguiente imagen podréis entenderlo mucho mejor. Este es un diagrama de Pourbaix para el sistema níquel-agua a 25ºC.
Diagramas de Ellingham
Por último, pero no menos importante, nuestro amigo Ellingham juntó la energía libre de Gibbs y la temperatura en un único diagrama. ¿A que no sabéis que salió?
Los diagramas de Ellingham se representan con la variación de la energía libre de Gibbs en el eje de ordenadas (Y) y en el eje de abscisas (X) la temperatura. Pero OJO, deben estar las reacciones referidas a 1 mol de O2. ¿Por qué? Para poder comparar los diferentes metales.
Estos diagramas nos sirven para determinar el agente reductor más eficaz para la extracción de un determinado metal. Esto es muy fácil de saber. Para que un metal actúe como agente reductor de otro, este tiene que estar por debajo de la línea del que queremos reducir.
¿Dónde podemos utilizar los Diagramas de Ellingham?
Con ellos podemos conocer las reacciones que tienen lugar a diferentes temperaturas durante el calentamiento de una mena con el agente reductor. Además, nos permite conocer diferentes agentes reductores para un metal.
Conocemos también, de un solo vistazo, los cambios en los estados físicos de los productos, simplemente con un cambio en la pendiente de la línea. Por lo que el sector donde más se utilizan estos diagramas es el de la metalurgia.
Conclusiones
En el fascinante mundo de Lokicia, nos hemos aventurado en la exploración de los diagramas redox, descubriendo los misterios de la química que impregnan nuestro entorno. Como constelaciones en el firmamento del conocimiento, cada diagrama revela patrones únicos de oxidación y reducción. Desde Latimer hasta Ellingham, estos esquemas no son solo representaciones científicas, sino ventanas hacia un universo de posibilidades.
Invito a nuestros queridos lectores a sumergirse más profundamente en Lokicia, donde la química se convierte en una narrativa apasionante, llena de intrigas moleculares y giros atómicos. Cada artículo es una página que desvela los secretos del mundo que nos rodea.
Que estas palabras actúen como un catalizador, impulsándolos a explorar más allá de las páginas de hoy y sumergirse en el vasto mar de conocimiento que la química tiene para ofrecer. Cada artículo de Lokicia es una invitación a la exploración, donde la ciencia y la curiosidad se entrelazan en una danza eterna. ¡Feliz exploración química!
Bibliografía
- Shriver, Duward F., and P. W. (Peter William) Atkins. Química inorgánica / D.F. Shriver, Peter Atkins,. 4a ed. México: McGraw-hill, 2008. Print.
- Housecroft, Catherine E., A. G. Sharpe, and Pilar Gil Ruiz. Química inorgánica / Catherine E. Housecroft, Alan G. Sharpe ; traducción, Pilar Gil Ruiz. 2a ed. Madrid: Pearson Prentice Hall, 2006. Print.
