BLOQUE III. La oxidación y la reducción en algunos procesos
Tema 1. Los alimentos. Los combustibles
Los seres vivos somos como máquinas químicas que obtenemos energía a partir de la oxidación de alimentos. El organismo humano requiere de ellos para la regeneración de los tejidos del cuerpo y para el crecimiento. Además ayudan a regular las reacciones involucradas en los procesos mencionados.
Entonces, ¿qué son los alimentos? Según Gamman y Sherrington “los alimentos son mezclas de sustancias conocidas como nutrientes o nutrimentos. Cada nutriente tiene un tipo particular de composición química y lleva por lo menos una función específica”. A continuación se enlistan estos nutrientes con sus respectivas funciones:
Ø Agua: esencial para los diferentes procesos del organismo al servir como vehículo.
Ø Carbohidratos: la función de estos es proveer energía y fibra dietética.
Ø Grasas y aceites: proporcionan energía y sirven de vehículo a sustancias promotoras del crecimiento y reguladoras del organismo, como los son las hormonas y las vitaminas.
Ø Vitaminas: regulan procesos corporales al ser compuestos orgánicos esenciales para el organismo, debido a que no pueden ser sintetizadas por ellos. Aunque se requieren en muy bajas concentraciones, su carencia provoca deficiencias específicas.
Ø Proteínas: se requieren para el crecimiento y regeneración de tejidos, así como para catalizar algunas reacciones bioquímicas.
Ø Minerales: éstos regulan procesos corporales y en algunos casos se emplean para regenerar tejidos.
Los alimentos son susceptibles de ser atacados por microorganismos, descomponiéndose rápidamente. El deterioro de un alimento conduce a una serie de cambios entre los cuales se encuentra la reducción del valor nutricional, generación de compuestos tóxicos y cambios organolépticos importantes; los cambios pueden ser drásticos, provocando que el alimento no sea apto para el consumo. Los procesos de conservación pueden frenar está descomposición.
Ø Productos deshidratados: son aquellos a los que se les ha extraído en cierta proporción el agua que originalmente contienen. Este fenómeno puede lograrse mediante energía térmica o a través del uso de presiones cercanas al vacío y a temperaturas bajas, proceso conocido como liofilización.
Ø Alimentos refrigerados/congelados: se pretende solamente un enfriamiento desde la temperatura ambiente hasta los ceros grados centígrados; es decir, sin que ocurra un cambio de estado. En la congelación deben reconocerse dos fases importantes: a) el fenómeno del cambio de estado líquido-sólido de las soluciones existentes en el producto, y b) el sostenimiento de esa condición a través del tiempo.
Ø Alimentos enlatados: es la colocación de un alimento (sólido o líquido) en un envase. En el caso de alimentos sólidos, éste se rodea por un medio líquido que en su momento actúa como transmisor de calor hacia el sólido. Se realiza la extracción del aire restante en la lata mediante la inyección de vapor y se somete a un trata miento térmico, denominado esterilización. La esterilización es la transferencia de calor en forma directa, indirecta o la utilización de microondas (energía radiante) para elevar la temperatura del producto hasta cierto punto, en el que se lleva a cabo la destrucción de microorganismos.
Para conocer la cantidad de energía que aportan los alimentos, es necesario conocer la composición y la cantidad de energía que da cada nutrimento. Por ello, los nutriólogos para elaborar las dietas de cada persona consideran la cantidad de energía que requieren para realizar sus actividades cotidianas, así como su ocupación, edad, complexión, sexo y demás factores personales. Los cuadros de contenido energético de los alimentos vienen expresados en Calorías (mayúscula) y una de estas es igual a una kilocaloría que a la vez equivale a mil calorías (en minúscula).
1 Cal= 1 kcal= 1000 cal
Recuerda que no todos los individuos aprovechan de igual forma los alimentos, algunos tienden a engordar más fácilmente que otros.
LOS MISTERIOS DE LA OXIDACIÓN
Entre mis múltiples andanzas
un día te encontré;
estabas entre las naranjas
probándote un corset.
Redonda y jugosita
deslumbrabas por doquier;
preciosa manzanita
Regálame lo más preciado
que se esconde en tu interior;
esos que se llaman electrones
para que seas mi agente reductor.
No tengas miedo a oscurecerte
con nuestra hermosa fusión;
no vas a envejecerte
con semejante explosión.
Mi linda manzanita
perdona mi invención;
tú sigues siendo hermosa
a pesar de tu oxidación.
Tema: Los alimentos. Los combustibles
Integrantes: Naxhieli López Vidal y Judith Molina Pedraza
CUENTO
La fábrica
Integrantes del equipo
Gpe. Beatriz García Mendoza
Erick Gómez Muñiz
Wendy Ruiz Merino
Había una vez en una fábrica llamada “Reacciones Redox S.A. de C.V.” la cual tenía electrones como trabajadores, y los dueños eran: oxidación y reducción, estos dueños como eran socios, compartían las ganancias o la perdida que les originaba la producción.
Regularmente los empleados de oxidación trabajaban en un departamento llamado agente reductor, estos eran muy holgazanes así que provocaban que el dueño se molestara y los despidiera de este departamento, pasándolos a otra área que se llamaba agente oxidante donde el dueño era reducción, ahí les daban cursos de actualización mensualmente; su trabajo era arduo entonces procuraban que todo saliera bien, haciendo que la empresa se regulara y no hubiera mas perdidas.
Además de tener problemas con los empleados, tenían otra serie de dificultades, que eran con las declaraciones anuales de la empresa, pues, tenían que rendir cuentas de todos sus movimientos, algunos eran muy exactos y no había confusión alguna para los contadores, pero otros eran demasiado difíciles.
El contador decidió decirle a sus jefes oxidación y reducción que iba a trabajar con muchas formulas, para poder desempeñarse de una mejor manera y que no hubiera problemas a la hora de ir Hacienda a pagar sus impuestos.
Algunas de sus formulas eran llamadas de combinación la cual fue representada A + B -> C, pues decía que dos o más sustancias se combinan para formar un solo producto para la empresa. Otras eran las de descomposición, estas se encargaban de explicar como es que se obtenían algunos componentes de algún compuesto, que conseguían ilegalmente en otras empresas, su representación era C -> A + B.
Como iba creando formulas, para explicar todo lo que sucedía en la fábrica iba aumentando su dificultad, y existían algunas que eran las de desplazamiento que consistía en que un átomo de un compuesto se remplaza por un átomo de otro elemento, es decir, A + BC -> AC + B.
Por otro lado, estaban las reacciones de dismutación, que era de tipo especial para la fábrica reacción redox, pues estando un elemento en el área de oxidación, podía estarse trabajando al mismo tiempo, con el área de reducción.
Fin
BLOQUE I. LA VALIDEZ DE LOS CONCEPTOS
Tema 1. ¿Qué representan los conceptos en los procesos de óxido-reducción?, ¿son reales?
ESTRATEGIA PARA ENSEÑAR ESTE PRIMER TEMA
Conocer las ideas previas de los alumnos en cuanto a las reacciones de óxido-reducción.
Se puede pedir que con ayuda de ilustraciones que presente el docente, los alumnos identifiquen si es una reacción de óxido-reducción, si o no y ¿por qué?
Realizar algunos experimentos relacionados con el tema, destacando los conceptos claves de éste.
Con la experimentación los alumnos observaran, sacaran conclusiones de lo que creen que sucede.
Ya que experimentaron se incentivará para que investiguen sobre estas reacciones y comparen con lo que ellos creían haber entendido.
Ahora con apoyo del profesor nuevamente se harán experimentos, se pedirá a los alumnos que participen mencionando que creen que sucede, partiendo de lo que ya conocían y lo que investigaron, así el docente explicará los conceptos clave, la importancia que tienen para entender este tipo de fenómenos y aclarará dudas, si es que surgen.
Después con un mapa conceptual se bosquejara la información más relevante de éste y de dará una breve exposición.
Por ultimo a manera de juego se puede jugar memorama, en equipos o con todo el grupo, a manera de competencia entre los alumnos, donde las tarjetas que busquen sean de causa y efecto de estas reacciones, por ejemplo una tarjetas que tenga una manzana mordida, su complemento es una manzana mordida, pero con signos de que se oxidó
RESUMEN DE LOS CONCEPTOS MÁS RELEVANTES DE ESTE TEMA
REACCIONES DE ÓXIDO-REDUCCIÓN O REDOX
Se identifica por que se dan transferencia de electrones.
Se caracteriza porque en ella se presenta una oxidación y a la par una reducción; en la primera existe una pérdida de electrones y dentro de la reacción funge como agente reductor donando sus electrones; en la segunda hay una ganancia de electrones actúa como agente oxidante, aceptando electrones.
Las reacciones redox se dividen en 4 tipos que son:
Combinación: cuando 2 o más sustancias se combinan para formar un solo compuesto.
A + B C
Descomposición: ruptura de un compuesto o 2 o más componentes.
C A + B
Desplazamiento: un ión (o átomo) de un compuesto se remplaza por un ión (o átomo) de otro elemento. El desplazamiento del elemento puede ser de tres maneras por: hidrogeno, un metal o un halógeno.
A + BC AC + B
Dismutación: un mismo elemento en un estado de oxidación, se oxida y se reduce al mismo tiempo
Bibliografía
Chang, Raymond (1992) “Reacciones de óxido-reducción”, en Química, México, McGraw-Hill, pp.104-126.
Integrantes del equipo
Gpe. Beatriz García Mendoza
Erick Gómez Muñiz
Wendy Ruiz Merino
Características de las reacciones óxido-reducción. Número de oxidación
El ir y venir de electrones se ha vuelto común en la vida diaria, desde el descubrimiento de la electricidad. Antes de ello, los humanos contemplaban el flujo de electrones sin saberlo, en el fabuloso fenómeno del relámpago. Hoy lo tenemos presente en las pilas eléctricas que hacen funcionar un radio portátil, una cámara fotográfica, un teléfono celular, un reloj, un marcapasos cardiaco y tantos otros aparatos. Por asombroso que parezca también un flujo de cargas hace posible el funcionamiento del sistema nervioso.
La materia aunque eléctricamente neutra, está compuesta por cargas y los electrones son responsables de que los átomos se enlacen unos con otros para formar los diversos compuestos que existen. En los procesos químicos, los electrones que forman ciertos enlaces entre núcleos migran para formar otros nuevos, esto es, una reacción química no es más que un reacomodo de núcleos y electrones.
Entre las reacciones más comunes que encontramos día a día en la naturaleza son las que se conocen como reacciones de ácido base y óxido reducción. Por ahora se determinará sólo la primera de ellas.
Como se habrá visto o escuchado alguna vez en algún comercial o anuncio publicitario, varios de los productos que se encuentran en el ambiente presentan características oxidantes o por el contrario se habla de los antioxidantes, pero… ¿qué son éstos? ¿cómo funcionan? ¿qué los produce?, ahora bien, las reacciones óxido-reducción, también conocidas como reacciones rédox, son procesos simultáneos en los cuales se presenta una ganancia de oxígeno, sea de otra que ya lo tiene o del aire. Por lo tal se dice que una especie química que toma oxígeno se ha oxidado y la que ha perdido, se ha reducido. Además, otro dato que las identifica, es que muchas de éstas, generan enormes cantidades de calor o trabajo.
Entre algunos ejemplos de reacciones óxido-reducción encontramos la combustión que se observa cuando quemamos un leño en la chimenea, gasolina en el motor de automóvil, gas natural o petróleo o combustible en una estufa, etc. Por otro lado la corrosión que causa el deterioro de metales, el ejemplo más cotidiano es la formación de herrumbre en el hierro metálico en presencia del oxígeno y agua, provocando que el hierro se oxide y forme óxido de hierro. Otro de los fenómenos más importantes es el que se lleva a cabo en el sistema biológico, las plantas verdes convierten el bióxido de carbono y el agua en carbohidratos y oxígeno, por una serie de reacciones llamada fotosíntesis. Otro ejemplo de cambio se encuentra en la iluminación de manchas en prendas con blanqueador, siendo en realidad soluciones acuosas de hiproclorito de sodio (NaClO) y es éste el que oxida a las sustancias coloridas de la mancha, transformándolas en nuevas sustancias incoloras. Por último las reacciones rédox se pueden presenciar en la fotografía y en la respiración como agente oxidante que degenera al cuerpo (etapa de vejez).
A continuación se presenta un cuadro que expresa lo más sobresaliente en el proceso que ocurre en las reacciones óxido-reducción:
OXIDACIÓN | REDUCCIÓN |
*Ganancia de oxígeno * Pérdida de electrones *Pérdida de hidrógeno *Agente reductor | *Pérdida de oxígeno *Ganancia de electrones *Ganancia de hidrógeno *Agente oxidante |
En todos los casos, la transferencia se lleva a cabo entre dos especies, una que gana y otra que pierde partículas. Por lo tanto, es fundamental entender que siempre que se presenta una oxidación hay una reducción y viceversa. | |
Por otra parte, para definir detalladamente las reacciones de óxido reducción más allá de lo expresado anteriormente se requiere de un concepto conocido como número de oxidación. Primeramente, al asignar números de oxidación a los átomos de un compuesto, ese compuesto se maneja como si fuera iónico y los electrones de cada enlace se asignan al elemento más electronegativo. Éste se define como un invento o mejor dicho una convención de los químicos. Se trata de un número entero que se asigna a cada elemento presente en un compuesto, con la idea de comparar su ambiente electrónico con el mismo elemento en estado libre. Entre las 5 reglas básicas que pueden ayudar a determinar dichos números y comprender cómo cambian en una reacción son:
1) Si el átomo se oxida, el número de oxidación aumenta. Esto se debe a que al perder electrones en realidad pierde cargas negativas y se hace más positivo.
2) Si el átomo se reduce, el número de oxidación disminuye. Al ganar electrones en realidad gana cargas negativas.
3) Si el átomo está solo o no reacciona, su número de oxidación es 0.
4) Normalmente, el número de oxidación de los elementos del grupo I es 1+, en el grupo II es 2+, del oxígeno es de 2- y de los alógenos es 1-.
5) La carga total de una molécula es 0.
Un dato curioso es que el número de oxidación se relaciona en general con las posiciones de los elementos en la tabla periódica.
Enseguida se anexan algunos ejemplos:
Nivel I
A) H0 2 + O0 2 à H+1 20-2
H:H + Ö::Ö à H:Ö:H
‘’ ‘‘ ‘‘
B) Fe0 + 0 0 2 à +3Fe2 -2O3
C) H+1Cl-1
+1-1=0
Nivel II
En el agua el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, los electrones de cada enlace O-H se asignan al oxígeno. El oxígeno tiene N= 8 electrones y para el hidrógeno N= 0. Como el oxígeno posee 6 electrones de valencia (N=6) y el hidrógeno 1 (N=1), sus números de oxidación son:
Oxígeno NOX= 6-8= 2-
Hidrógeno NOX=1-0= 1+
Nivel III
1. A los elementos no combinados se les asigna el número oxidación.
Cu Fe H2 Cl2 P4
2. A los elementos del primer grupo de la tabla periódica cuando están formando compuestos, se les asigna el número de oxidación de +1, para el hidrógeno cuando se une a átomos menos electronegativos presenta el número de oxidación de –1.
3. Los elementos del segundo grupo de la tabla periódica cuando están formando compuestos, se les asigna el número de oxidación +2.
CaS BaCl2 Sr(NO3)2
4. Al oxígeno en sus compuestos, se le asigna el número de oxidación de –2 , excepto en los peróxidos, cuyo número de oxidación será de –1.
H2O H2SO4 KOH
Peróxidos
H2O2 Na2O2 Li2O2
5. Al formar compuestos binarios los elementos del grupo VI (S, Se y Te) tienen un número de oxidación de –2, excepto cuando están combinados con oxígeno o con halógenos.
Fe2S3 CuTe Al2Se3
6. Cuando se tienen dos o más elementos en un compuesto, al más electronegativo se le asigna el número de oxidación negativo y a los menos electronegativos se le asigna el número de oxidación positivo.
K2SO4 CO2 NO H2SO4
7. La suma de las cargas de los números de oxidación en un compuesto neutro es igual a cero.
Existen elementos que pueden tener varios números de oxidación (dependiendo del compuesto en el que se encuentren).
Ejemplo: HNO3
En el ejemplo propuesto para asignar el número de oxidación al nitrógeno se deben considerar las reglas antes mencionadas para el hidrógeno y el oxígeno. Aplicando la regla 2 (hidrógeno) y la regla 4 (oxígeno), al hidrógeno le corresponde +1 y al oxígeno –2; como se tiene un átomo de hidrógeno, el número de oxidación se multiplica por el número de átomos y la carga total será +1. Para el oxígeno se tienen tres átomos por lo tanto la carga será –6.
H N O3
(+1)+( )+(-6) = 0
Para igualar a cero la suma de las cargas el nitrógeno deberá tener un número de oxidación igual a +5, como se muestra a continuación:
H N O3
(+1)+(+5)+(-6) = 0
8. Todos los iones monoatómicos tienen un número de oxidación igual al de su carga.
Fe3+ Cu2+ Ba2+ Cl-
9. Los elementos en los iones, conservan sus números de oxidación en los cambios químicos.
Por ejemplo: en el ácido carbónico, H2CO3, los números de oxidación de cada uno de los elementos son:
H2 C O3
Por lo tanto, los números de oxidación del radical del carbonato son:
C O3
Cualquier carbonato (radical), unido a otro elemento o grupo de elementos tendrá los mismos números de oxidación; así, en los ejemplos, que se muestran a continuación, los números de oxidación serán:
K2CO3 CaCO3 Al2(CO3)3 (NH4)2CO3
Estrategia para la enseñanza del tema “números de oxidación”
A partir de una contextualización de los ejemplos cotidianos de las reacciones óxido-reducción y apoyado de una serie de imágenes que expresan dicho fenómeno, se les pedirá a los estudiantes que de un tema de interés previamente expuesto anoten las ideas más sobresalientes en un mapa conceptual. Posteriormente, por equipos socializará dicho producto teniendo como base una hoja de trabajo que contendrá diversas interrogantes que expresen su aprendizaje. Todo esto ayudará a generar una motivación por la temática para después, de una forma más accesible, introducirlos a los números de oxidación de la siguiente manera:
1) a través del tema electo por los equipos el docente establece las reglas para la asignación de los números de oxidación, apoyado de ejemplos y hojas de actividades que repartirá a cada integrante dependiendo del contenido seleccionado.
Ejemplo de hoja de trabajo:
Tema: Corrosión
Reglas:
A) El número de oxidación para un elemento no combinado con otro distinto es 0.
B) El hidrógeno tiene un número de oxidación de +1
C) El oxígeno tiene un número de oxidación de -2
D) Los metales alcalinos tienen número de oxidación positivo de +1
E) Los metales alcalinotérreos tienen número de oxidación de +2
F) En la fórmula de un compuesto la suma de los números de oxidación, positivos y negativos, es 0.
Resuelve el siguiente ejercicio a partir de las reglas anteriormente expresadas, identifica qué elemento se oxida y cuál se reduce:
Fe2O3+3COà2Fe+3CO2
Respuesta: Transferencia de oxígeno. Obtención de hierro metálico con monóxido de carbono: Fe2O3+3COà2Fe+3CO2
Tres átomos de oxígeno se transfieren del óxido de hierro (III) al monóxido de carbono. Entonces, el Fe2O3 se reduce y el CO se oxida.
2) De los ejercicios expuestos se partirá a realizar una dinámica con los mismos equipos, la cual consistirá en proporcionarles diversas piezas de rompecabezas, para que en conjunto armen algunos ejercicios, tomando en cuenta las reglas de asignación mencionadas.
3) Por último se elabora un noticiero con toda la información y los aprendizajes obtenidos de sus temáticas de interés y sus representaciones a partir de números de oxidación.
El video deberá contener un inicio, un desarrollo y un cierre. Se evaluará la creatividad y la forma en que se presenta dicho trabajo audiovisual, así como el guión y la escenografía.
A continuación se presenta un producto a manera de ejemplo:
Cuestionario del tema “números de oxidación”
1) A los elementos no combinados ¿Qué número de oxidación les corresponde?
a) 1+ b)0 c)7 d)1-
2) A los elementos del primer grupo de la tabla periódica cuando están formando compuestos, ¿qué número de oxidación se les asigna?
a) 1+ b) 8 c)1- d)2+
3) ¿Qué compuesto corresponde a la regla antes mencionada?
Cuando se tienen dos o más elementos en un compuesto, al más electronegativo se le asigna el número de oxidación negativo y a los menos electronegativos se le asigna el número de oxidación positivo.
a) K2 1- S 6- O2- 4 b) C 4+ O 2- 2 c) N 5+ O 6- d) H 1+ 2S 6+ O 2+ 4
4) Ejercicio HNO3
Tomando en cuenta las reglas para asignar el número de oxidación, del ejemplo propuesto ¿Qué datos corresponden al compuesto?
a) H N O3 b) H N O3 c) H N O3 d) H N O3
(+4)+(+4)+(-6) = 2 (-1)+(+7)+(-4) = 2 (+1)+(+5)+(-6) = 0 (+1)+(+5)+(-6) = 0
5) ¿Cuál es el total de la suma de las cargas de los números de oxidación en un compuesto neutro?
a) 43 b) 5 c)10 d)0
6) ¿Cuál es el nombre del perro de los simpsons?
a) Perro malo b) Bola de nieve c) Snoopy d) Ayudante de Santa/huesos
CANCIÓN CE OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN
OYE CORAZÓN
VAMOS A HACER UNA REACCIÓN
QUE SE LLAMA OXIDACIÓN
Y TE PRODUCE REDUCCIÓN
YO HAGO LA ATRACCIÓN
DEL METAL LA CORROSIÓN
DEL CARBÓN LA COMBUSTIÓN
Y DEL OXÍGENO TU RESPIRACIÓN
YO SOY EL COMPUESTO
SIEMPRE ANDO BIEN PUESTO
Y A LA BATERÍA SIEMPRE CARGA LE PRESTO
TAL CUAL EL PLÁTANO SE OBSCURECE
EN UN SIMPLE PROCESO DESAPARECE
GANANDO ELECTRONES
Y CAMBIÁNDOLO POR IONES
A MI ME DICEN EL AGENTE OXIDANTE
PORQUE VENGO DE MARTE
Y EN LA FÓRMULA DEL AMOR
AL FINAL SIEMPRE GENERAMOS UNA NEUTRALIZACIÓNDAIRA Y BEBÉ
RICARDOABRHAM
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