1. Estado de oxidación y ajuste por semirreacciones
Oxidación / Reducción
Oxidación = pérdida de electrones; reducción = ganancia. El que se oxida es el reductor; el que se reduce es el oxidante. (Mnemotécnico: GER-PEO).
Pasos para ajustar (medio ácido)
- Asignar números de oxidación e identificar la pareja redox.
- Escribir las dos semirreacciones (oxidación e reducción).
- Ajustar O con \(\mathrm{H_2O}\) y H con \(\mathrm{H^+}\).
- Ajustar la carga con electrones.
- Multiplicar cada semirreacción para igualar electrones y sumar.
Medio básico
Igual que el ácido pero al final se neutraliza cada \(\mathrm{H^+}\) con un \(\mathrm{OH^-}\) (y se simplifican \(\mathrm{H_2O}\)).
2. Pilas galvánicas (Daniell)
Estructura
Dos semicélulas conectadas por un puente salino. En cada una, un electrodo metálico sumergido en una disolución de su sal.
- Ánodo (−): oxidación. Pierde masa.
- Cátodo (+): reducción. Gana masa.
- Los electrones circulan por el cable externo del ánodo al cátodo.
- Los cationes del puente salino van al cátodo; los aniones, al ánodo.
Notación de pila
\[ \mathrm{Zn\,|\,Zn^{2+}(1\,M)\,\|\,Cu^{2+}(1\,M)\,|\,Cu} \]
Ánodo a la izquierda, cátodo a la derecha; \(|\) = interfase sólido-disolución; \(\|\) = puente salino.
3. Potenciales estándar · FEM
Potencial estándar (Eº)
Medido frente al electrodo normal de hidrógeno (Eº = 0). Convención: todas las semirreacciones se escriben como reducciones.
FEM de la pila
\[ E^\circ_{\rm pila} = E^\circ_{\rm cátodo} - E^\circ_{\rm ánodo} \]
Si \(E^\circ_{\rm pila} > 0\) la reacción es espontánea (\(\Delta G^\circ < 0\)).
Relación con \(\Delta G^\circ\) y K
\[ \Delta G^\circ = -n F E^\circ \quad\Longleftrightarrow\quad \ln K = \frac{n F E^\circ}{RT} \]
con \(F = 96\,485\) C/mol y \(n\) = nº de electrones intercambiados.
Truco PEvAU
El metal con Eº más negativo es el mejor reductor (se oxida con más facilidad). Los más reductores: Li, K, Ca, Na.
4. Ecuación de Nernst
Para concentraciones distintas a 1 M
\[ E = E^\circ - \frac{0{,}0592}{n}\,\log Q \quad\text{(a 25 °C)} \]
donde \(Q\) es el cociente de reacción.
Pila Daniell con concentraciones
Para \(\mathrm{Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu}\):
\[ E = E^\circ - \frac{0{,}0592}{2}\,\log\frac{[\mathrm{Zn^{2+}}]}{[\mathrm{Cu^{2+}}]} \]
5. Electrólisis · Ley de Faraday
Concepto
Aplicar corriente eléctrica para forzar una reacción no espontánea. Ahora el cátodo es negativo y el ánodo positivo.
Ley de Faraday
Masa depositada o disuelta en un electrodo:
\[ m = \frac{M\,I\,t}{n\,F} \]
con \(M\) = masa molar (g/mol), \(I\) = intensidad (A), \(t\) = tiempo (s), \(n\) = electrones por ion, \(F\) = 96485 C/mol.
Aplicaciones
Obtención de aluminio (Hall-Héroult), electrorrefinado de Cu, galvanizado, niquelado, cromado.
6. Formulación orgánica básica
Cadenas y grupos funcionales más frecuentes en PEvAU
| Grupo | Sufijo | Ejemplo |
|---|---|---|
| Alcano | -ano | CH₃-CH₃ etano |
| Alqueno | -eno | CH₂=CH₂ eteno |
| Alquino | -ino | CH≡CH etino |
| Alcohol | -ol | CH₃-CH₂-OH etanol |
| Aldehído | -al | CH₃-CHO etanal |
| Cetona | -ona | CH₃-CO-CH₃ propanona |
| Ácido carboxílico | ácido -oico | CH₃-COOH ácido etanoico |
| Éster | -oato de -ilo | CH₃-COO-CH₃ etanoato de metilo |
| Amina | -amina | CH₃-NH₂ metilamina |
| Amida | -amida | CH₃-CONH₂ etanamida |
Reglas IUPAC
Cadena más larga que contiene el grupo principal, numerar para que el grupo principal lleve el localizador más bajo, ordenar sustituyentes alfabéticamente.
7. Reacciones orgánicas tipo PEvAU
Combustión
\(\mathrm{C_nH_{2n+2}} + (3n+1)/2\,\mathrm O_2 \to n\,\mathrm{CO_2} + (n+1)\,\mathrm{H_2O}\).
Halogenación (sustitución)
Alcano + \(\mathrm{X_2}\) → halogenoalcano + HX (radicales, luz UV).
Adición a doble enlace
\(\mathrm{CH_2=CH_2 + H_2 \to CH_3-CH_3}\) (Ni catalizador). Markovnikov: el H va al carbono con más H.
Eliminación / Sustitución / Esterificación
Alcohol + ácido carboxílico ⇌ éster + agua (cat. H₂SO₄). Reacción reversible (equilibrio).
Errores frecuentes
- Confundir Markovnikov con anti-Markovnikov.
- Numerar la cadena por el extremo equivocado y dar localizadores altos.
- Olvidar el balance estequiométrico en la combustión.
Problemas resueltos paso a paso
PEvAU — FEM de una pila Daniell 2018OrdinariaMedio
Se construye la pila \(\mathrm{Zn|Zn^{2+}(1\,M)\|Cu^{2+}(1\,M)|Cu}\). Datos: \(E^\circ(\mathrm{Zn^{2+}/Zn}) = -0{,}76\) V; \(E^\circ(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34\) V. Calcula:
a) \(E^\circ_{\rm pila}\); b) \(\Delta G^\circ\) (kJ/mol). (\(F=96485\) C/mol).
1
\(E^\circ_{\rm pila} = E^\circ_{\rm cátodo} - E^\circ_{\rm ánodo}\). El Cu es el cátodo (mayor Eº).
2
\(\Delta G^\circ = -n F E^\circ\), con \(n = 2\). En J/mol y luego a kJ/mol.
Ver solución completa
Cátodo: \(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \to Cu}\) (Eº=+0,34). Ánodo: \(\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}\) (Eº oxid=+0,76).
Eº pila = +0,34 - (-0,76) = +1,10 V.
ΔGº = -2·96485·1,10 = -212 267 J/mol = -212,27 kJ/mol (espontánea).
Eº pila = +0,34 - (-0,76) = +1,10 V.
ΔGº = -2·96485·1,10 = -212 267 J/mol = -212,27 kJ/mol (espontánea).
Electrólisis — masa de cobre depositada 2020ExtraordinariaAlta
Por una disolución de \(\mathrm{CuSO_4}\) circula una corriente de \(I = 5{,}0\) A durante 30 minutos. Calcula la masa de Cu (M=63,5 g/mol) depositada en el cátodo.
1
Carga total \(Q = I\cdot t\) en culombios.
2
\(m = \dfrac{M I t}{n F}\) con \(n=2\) (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu).
Ver solución completa
Q = 5,0·30·60 = 9000 C.
m = 63,5·9000/(2·96485) = 571500/192970 = 2,96 g.
m = 63,5·9000/(2·96485) = 571500/192970 = 2,96 g.
3. FEM de la pila Daniell
Pila Daniell: Zn²⁺/Zn (Eº=−0,76 V) y Cu²⁺/Cu (Eº=+0,34 V). Halla FEM.
1
\(E_{pila}=E^o_{cat}-E^o_{an}\) en V.
4. ΔGº a partir de Eº
Misma pila Daniell, n = 2, F = 96 485 C/mol. Calcula ΔGº.
1
\(\Delta G^o=-nFE^o\) en J/mol.
2
Pasa a kJ/mol.
5. Faraday — masa depositada
Una corriente \(I=2\) A circula durante \(t=1\) h. Calcula la masa (g) de Cu depositada en electrólisis (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, M_Cu=63,5 g/mol).
1
Carga \(Q=I t\) en C.
2
Masa \(m=M I t/(z F)\) en g.
6. Nernst — pila con cuociente
Mismo Daniell con \([Zn^{2+}]=0{,}01\), \([Cu^{2+}]=1{,}0\), 25 °C. Calcula E.
1
Nernst: \(E=E^o-\tfrac{0{,}0592}{2}\log([Zn^{2+}]/[Cu^{2+}])\) en V.
7. Ajuste redox medio ácido — ion permanganato
Para MnO₄⁻ → Mn²⁺ en medio ácido. ¿Cuántos electrones intervienen y cuántos H⁺ se necesitan?
1
Electrones intervinientes.
2
H⁺ a añadir.
8. Reactivo limitante en electrólisis
Si se electroliza una disolución con suficiente Cu²⁺ a I=5 A durante 30 min, ¿qué masa de Cu se deposita? M_Cu=63,5, F=96485.
1
\(m=M I t/(zF)\) en g.
9. Eº espontaneidad
Una reacción tiene Eº = +0,50 V. Indica 1 si espontánea, 2 si no espontánea (a estándar).
1
Eº > 0 → espontánea. Respuesta.
10. Carbonos primarios/secundarios
El 2,2-dimetilbutano. ¿Cuántos carbonos cuaternarios tiene?
1
Carbonos cuaternarios.
11. Isómeros C₅H₁₂
¿Cuántos isómeros estructurales (cadena) tiene el alcano C₅H₁₂?
1
Número.
12. Combustión completa CH₄
Ajusta CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O. ¿Cuántos moles de O₂ por mol de CH₄?
1
Número.
13. Adición Markovnikov
Propeno + HBr → producto principal. Indica 1 si 2-bromopropano, 2 si 1-bromopropano.
1
Markovnikov.
14. Esterificación · agua liberada
Etanol + ácido etanoico → etanoato de etilo + agua. ¿Cuántos mol de agua por mol de éster?
1
Número.
15. Equivalente electroquímico
Para depositar 1 mol de Ag (z=1), ¿cuánta carga (C) hace falta? F=96485 C/mol.
1
\(Q=zF\) en C.
Test de autoevaluación
1. En una pila galvánica, el ánodo es:
2. Una pila con \(E^\circ_{\rm pila} = +0{,}5\) V tiene:
3. ¿Cuántos culombios pasan por un electrodo cuando circulan 2 A durante 1 minuto?
4. La nomenclatura IUPAC de \(\mathrm{CH_3-CH_2-OH}\) es:
5. En la reacción \(\mathrm{CH_2=CH_2 + H_2 \to CH_3-CH_3}\), se trata de:
Simuladores
Pila galvánica — FEM y ΔGº
Electrólisis — masa depositada vs tiempo
Banco de exámenes (Química)
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