Introducción

 

Cada vez que utilizamos un motor, una lámpara eléctrica o calórica o una bujía para encender la gasolina en una máquina de combustión interna, utilizamos el flujo de electrones para realizar trabajo. En el circuito que enciende un motor, la fuente de electrones es la batería que contiene dos especies químicas con diferente afinidad por los electrones. Los cables proveen del camino para el flujo de los electrones desde las especies en un polo de la batería, a través del motor a las especies químicas en el otro polo de la batería. Debido a que estas dos especies químicas difieren en su afinidad por los electrones, el flujo de electrones es espontáneo a través del circuito con una fuerza proporcional a la diferencia en la afinidad electrónica, i.e.  la fuerza electromotriz (FEM). La FEM, típicamente de algunos voltios (volts), es acompañada de trabajo si se coloca un transductor de energía apropiado –en este caso el motor- en el circuito. Este acoplamiento del flujo de electrones y el trabajo, es utilizado por el motor para diferentes finalidades.

 

            Las células poseen un circuito biológico análogo al motor, con compuestos relativamente reducidos como la glucosa como fuente de electrones. Como la glucosa es oxidada enzimáticamente, el flujo de electrones migra espontáneamente a través de una serie de intermediarios acarreadores de electrones a otras especies como el O₂. este flujo de electrones es exergónico porque el O₂ posee una elevada afinidad por los electrones comparada con los intermediarios acarreadores de electrones. La FEM resultante provee de energía a una variedad de transductores moléculaeculares de energía (enzimas y otras proteínas) que hacen trabajo biológico. En la mitocondria, por ejemplo, existen enzimas membranales que acoplan el flujo de electrones a la producción de una diferencia transmembranal de pH, lo cual es acompañando por trabajo osmótico y eléctrico. El gradiente de protones es energía potencial, a menudo denominada fuerza protón-motriz por analogía con la FEM. Por otra parte la enzima ATPsintasa ubicada en la membrana interna mitocondrial, utiliza esta fuerza protón-motriz para hacer trabajo químico, es decir, la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi a medida que los protones migran espontáneamente a través de la membrana.

 

Las oxidaciones y reducciones ocurren de manera concertada, pero es conveniente para describir la transferencia de electrones considerarlas en mitades, una de oxidación y otra de reducción. Por ejemplo la oxidación del ion ferroso por el ion cúprico

 

 

Fe²⁺ + Cu²⁺ D F^e3+ + Cu⁺

 

 

Puede ser descrita en términos de dos mitades:

 

(1)       Fe²⁺ DF^e3+ + e-

 

 

(2) Cu²⁺ + e- D Cu⁺

 

 

Las reacciones de oxido-reducción, se llevan a cabo con la transferencia de electrones desde un donador electrónico (reductor) a un aceptor electrónico (oxidante). El cation fierro puede existir como ferroso (Fe²⁺) o como férrico (Fe³⁺) funcionando como un par de oxido-reducción o par redox, exactamente como un par ácido-base (donador de protones Û aceptor de protones + H⁺).

 

Peso Equivalente

Introducción

La estequiometría estudia las relaciones matemáticas entre los pesos y volúmenes de los reactantes y productos de una reacción, mediante la información cuantitativa expresada por sus fórmulas, sus ecuaciones químicas y las leyes pondérales, gravimétricas y volumétricas, de la química.

Ley de la conservación de la masa (Ley de Lavoisier) y de conservación de la energía

La materia y la energía no se crean ni se destruyen aunque, en ciertas condiciones, son interconvertibles. (Véase Apéndice). Es decir, en toda reacción química considerada como sistema aislado, no hay pérdida ni aumento de masa o de energía, por lo que la masa y la energía de los reactantes es igual a la de los productos; v.gr.: por reacción de 12 g de carbón con 32 g de oxígeno se obtienen 44 g de anhídrido carbónico, y la energía des­prendida es igual a la suma de la pérdida por ambos elementos.

Ley de las proporciones definidas o constantes (Ley de Proust).

Toda substancia pura siempre tiene una misma composición o, cuando varios elementos reaccionan para formar un determinado compuesto, lo hacen siempre en una relación ponderal constante. Así 40.32 g de óxido de magnesio (MgO) siempre contienen 24.32 g de magnesio y 16.00 g de oxígeno y la combinación de estas mismas cantidades siempre da 40.32 g de óxido de magnesio.

Ley de las proporciones recíprocas (Ley de Richter)

Cuando dos elementos diferentes se combinan separadamente con un peso fijo de un tercer elemento, los pesos relativos de aquéllos son los mismos con que se combinan entre sí, o bien son múltiplos o submúltiplos de éstos.

Esta ley permitió establecer el peso de combinación o peso equivalente gramo de un elemento que es el número de gramos del mismo que se combinarán con, o desplazarán, 8 g de oxígeno o 1.008 g de hidrógeno. Así el peso equivalente gramo (p.eq.g.) del calcio (Ca) es 20.04 g, porque es la cantidad que se combina con 8 g de oxígeno.

El peso equivalente gramo (p.eq.g.) de la plata (Ag) es 107.88 g porque es la cantidad de plata que se combina con 8 g de oxígeno.

El peso equivalente gramo (p.eq.g.) del hidrógeno (H) es 1.008 g, porque es la cantidad que se combina con 8 g de oxígeno.

Ley de las proporciones múltiples (Ley de Dalton)

Cuando dos elementos se combinan entre sí para formar más de un compuesto y el peso de uno de ellos permanece constante y el otro varía, hay una relación de números enteros pequeños entre los pesos del elemento que permanece constante y el que varía, como se muestra en la siguiente tabla:

Ley de los volúmenes de combinación (Ley de Gay-Lussac)

En una reacción cualquiera, a la misma temperatura y presión, la suma de los volúmenes de los compuestos reaccionantes guarda una relación de números enteros y sencillos con la suma de los volúmenes de los compuestos obtenidos; v.gr.: 2 vol. de hidrógeno (H) reaccionan con 1 volumen de oxígeno (O) produciendo 2 volúmenes de vapor de agua (H20) y la relación es 3:2.

1 vol. de nitrógeno (N) reaciona con tres volúmenes de hidrógeno (H) produciendo 2 volúmenes de amoniaco (NH3) y la relación es 4:2.

2 volúmenes de etano (C 2 H 6?) reaccionan con 7 volúmenes de oxígeno (O) produciendo 4 volúmenes de bióxido de carbono (anhídrido carbónico) (CO2) más 6 volúmenes de agua (H2O) y la relación es 9:10.

Ley de Avogadro.

En iguales condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de cualquier gas, contienen el mismo número de moléculas. El volumen a 0°C y 760 mm de Hg ocupado por 2.016 g de hidrógeno (H) o 32 g de oxígeno (O) o 70.90 g de cloro (Cl) o 28 g de nitrógeno (N), es 22.412 ml y en cualquiera de estos volúmenes hay 6.02 X 1023 moléculas.

Ejemplo 1 ¿Cuál es el peso equivalente gramo (p.eq.g.) del azufre (S) en el anhídrido sulfuroso (SO2)?

Respuesta

En el SO2, 32.06 g de azufre están combinados con 32.0 g de oxígeno; por lo que el peso de azufre combinado

con 8 g de oxígeno será:

Ejemplo 2

(a) Si en determinado compuesto dos gramos de oxígeno se combinan con 4.008 g de azufre y en otro compuesto con 4.654 g de hierro, ¿cuántos gramos de azufre se combinaron con 1 g de hierro?

(b) ¿Cuál es la fórmula empírica del compuesto azufre-hierro?

Respuestas

(a) Según la ley de las proporciones recíprocas 4.008 g de azufre deberán combinarse con 4.654 g de hierro, ya que ambos se combinan con 2 gramos de oxígeno. Por lo que un gramo de hierro se combinará con

(b) Para encontrar la fórmula empírica se busca la mínima relación entre los átomos de cada elemento; así, de hierro tendremos:

La relación es 1.53 átomos de azufre por cada átomo de hierro. Para tener el número mínimo de átomos enteros se multiplica la relación por 2.

2 X (1.53 átomo-azufre) = 3.06 átomo-azufre

2 X (1 átomo de hierro) = 2 átomos-hierro

despreciando el valor de 0.06 probablemente originado por efectuar las operaciones con regla de cálculo, obtenemos la fórmula empírica Fe 2 S 3?

Ejemplo 3

Se dejaron 2.16 g de calcio metálico (Ca) expuestos al aire hasta su oxidación total, convirtiéndose en óxido de calcio (CaO).

(a) ¿Cuánto oxígeno se combinó con el calcio? (b) ¿Cuánto pesó el óxido de calcio producido?

Respuesta Según la reacción balanceada: 2Ca + O2 2CaO En su mínima forma un átomo-gramo de calcio pesando 40.1 g se combina con un átomo-gramo de oxígeno que pesa 16 g produciendo (40.1 g + 16 g = 56.1 g) de óxido de calcio. Con lo anterior podemos plantear la siguiente proporción:

y la cantidad de óxido de calcio es:

Ejemplo 4 El peso equivalente gramo del aluminio (Al) es 9.0 g y el del cloro (Cl) es 35.5 g

¿ Cuántos gramos de aluminio se combinaron con 15.26 g de cloro?

Respuesta

Los dos elementos se combinaron en cantidades proporcionales a sus pesos equivalentes gramo, por lo tanto:

Ejemplo 5

El análisis de 4.198 g de óxido de magnesio mostró que contenía 1.666 g de oxígeno (O) y 2.532 g de magnesio (Mg). A partir de los datos anteriores calcule el peso equivalente gramo (p.eq.g.) del magnesio.

Respuesta

Por definición, el peso equivalente gramo (p.eq.g.) del magnesio es la cantidad que se combina con 8.00 g de oxígeno, 1.008 g de hidrógeno o desprende 11201 ml de hidrógeno a 0°C y 760 mm de Hg. Por lo tanto:

Ejemplo 6

Cuando 1.368 g de zinc (Zn) reaccionaron con ácido sulfúrico (H 2 SO 4?) se desprendieron 234 ml de hidrógeno

a 0°C y 760 mm de Hg. ¿Cuál es el peso equivalente gramo (p.eq.g.) del zinc?

Respuesta

Por definición el peso equivalente gramo P.eq