Conceptos Clave de pH, Reacciones Redox y Pilas Electroquímicas

Medida de la Acidez y Basicidad: El Concepto de pH

El químico danés Peter Lauritz (1868-1939) propuso en 1909 una escala para medir la acidez o basicidad de una solución, basada en el exponente de la concentración de iones H₃O⁺. A este valor se le aplica la función logaritmo decimal y se cambia el signo.

Según esta definición, el pH del agua pura a 25°C se calcula como:

pH = -log[H3O+] = -log(1 x 10-7) = 7

Cuanto menor es el pH, mayor es la acidez de la solución.

El operador P, aplicado a la concentración de HO^-, se denomina pOH.

Cálculo del pH en Soluciones Acuosas

Para calcular el pH de un ácido fuerte, como el ácido clorhídrico (HCl), se considera que este es un electrolito fuerte y se ioniza completamente en agua:

HCl + H2O → H3O+ + Cl-

La concentración de H₃O⁺ y de iones Cl^- en una solución de un ácido fuerte es igual a la concentración inicial del ácido.

El pH de una solución de un ácido fuerte es menor que el pH de una solución de un ácido débil de igual concentración molar, debido a la mayor concentración de H₃O⁺ en la solución del ácido fuerte.

Oxidación y Reducción: Procesos Redox

Originalmente, la oxidación se definía como la ganancia de oxígeno, y la reducción como la pérdida de oxígeno. Actualmente, la definición es más amplia:

• Oxidación: Transformación en la cual un átomo o ion aumenta su número de oxidación.
• Reducción: Transformación en la cual un átomo o ion disminuye su número de oxidación.

Estos procesos ocurren simultáneamente. Las reacciones donde ocurren se denominan reacciones de óxido-reducción o reacciones redox.

Intercambio de Electrones en las Reacciones Redox

Las reacciones redox se entienden como un proceso de transferencia de electrones:

• Oxidación: Pérdida de electrones.
• Reducción: Ganancia de electrones.

Agentes en las Reacciones Redox

• Agente oxidante: Especie que contiene el átomo o ion que se reduce (gana electrones), permitiendo que otra especie se oxide.
• Agente reductor: Especie que contiene el átomo o ion que se oxida (pierde electrones), permitiendo que otra se reduzca.

Oxidantes y Antioxidantes en el Organismo Humano

El envejecimiento del organismo humano está relacionado con reacciones de oxidación en las células, favorecidas por la presencia de radicales libres de oxígeno. Estos radicales son inestables y reactivos. Un ejemplo es el radical superóxido (O₂^-).

Agentes oxidantes comunes: Oxígeno (O₂), yodo (I₂), hipoclorito (ClO^-), cloro (Cl₂) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂).

Agentes reductores comunes: Hidrógeno (H₂) y carbono (C).

Teorías ácido-base

Comparación de las teorías de Arrhenius y Brønsted-Lowry:

Reglas para Asignar Números de Oxidación

El número de oxidación es la carga eléctrica que adquiriría un átomo si todos los enlaces fueran iónicos.

1. En compuestos iónicos binarios, el número de oxidación coincide con la carga.
2. En compuestos no iónicos, se asigna el número de oxidación negativo al átomo más electronegativo.
3. En sustancias simples, los átomos tienen número de oxidación 0.
4. En compuestos, la suma de los números de oxidación es 0.
5. En iones poliatómicos, la suma de los números de oxidación es igual a la carga del ion.
6. Los metales de los grupos 1 y 2 tienen números de oxidación +1 y +2, respectivamente. El aluminio actúa con +3.
7. El flúor siempre tiene número de oxidación -1.
8. El hidrógeno generalmente tiene número de oxidación +1.
9. El oxígeno usualmente tiene número de oxidación -2.
10. Los no metales de los grupos 15, 16 y 17 en compuestos binarios tienen números de oxidación -3, -2 y -1, respectivamente.

Pilas Electroquímicas

En 1779, Alessandro Volta construyó la primera pila, utilizando discos de zinc, plata y cartón humedecido con una solución salina. Esta pila generaba corriente eléctrica.

Reacciones en la pila de Volta:

• Reducción (disco de plata): Ag⁺ + 1e^- → Ag⁰
• Oxidación (disco de zinc): Zn → Zn²⁺ + 2e^-
• Reacción global: 2Ag⁺ + Zn → 2Ag + Zn²⁺

Las celdas galvánicas o pilas electroquímicas aprovechan la transferencia de electrones en una reacción redox para generar corriente eléctrica. Estas pilas consisten en dos semiceldas, donde ocurren la oxidación y la reducción por separado.

• Ánodo: Electrodo donde ocurre la oxidación.
• Cátodo: Electrodo donde ocurre la reducción.

Las semiceldas contienen un electrodo y una solución electrolítica. Por ejemplo, una semicelda puede contener una lámina de zinc en una solución de nitrato de zinc (Zn(NO₃)₂), y la otra, una lámina de plata en una solución de nitrato de plata (AgNO₃).