Reacciones de oxidantes fuertes con reductores

Fundamentos teóricos de las reacciones redox 

¿Qué es una reacción redox?

Una reacción redox (oxidación-reducción) es un tipo de reacción química en la que hay una transferencia de electrones entre las especies químicas participantes. Durante este proceso, una especie pierde electrones (oxidación) mientras que otra los gana (reducción).

Agentes oxidantes y agentes reductores

• Agente oxidante: Es la especie química que acepta o gana electrones en una reacción redox, causando la oxidación de otra especie. En nuestros experimentos, el KClO₃ y KNO₃ actúan como oxidantes fuertes.
• Agente reductor: Es la especie química que dona o pierde electrones, siendo oxidada en el proceso. En nuestras demostraciones, el Mg, C y S actúan como agentes reductores.

Las reacciones de oxidación-reducción (redox) entre oxidantes fuertes y agentes reductores representan uno de los fenómenos más fascinantes y fundamentales de la química moderna. En este estudio de laboratorio, exploramos detalladamente cómo interactúan compuestos oxidantes potentes como el clorato de potasio (KClO₃) y el nitrato de potasio (KNO₃) con diversos agentes reductores como magnesio, carbón y azufre. Estas reacciones, realizadas bajo estrictas condiciones de laboratorio y supervisión profesional, nos permitirán comprender la naturaleza dinámica de la transferencia de electrones y sus efectos observables. A través de siete experimentos controlados, analizaremos cómo las diferentes proporciones y combinaciones de estos compuestos afectan la intensidad y naturaleza de las reacciones redox resultantes.

La experimentación se realizó sobre una superficie metálica, utilizando diferentes reactivos para observar cada reacción.

Materiales y reactivos utilizados:

Reactivos: 

1. Clorato de potasio (KClO₃)
2. Nitrato de potasio (KNO₃)
3. Nitrato de potasio puro (KNO₃)
4. Magnesio (Mg) metálico
5. Carbón (C)
6. Azufre (S)

Equipo de Laboratorio:

1. Superficie metálica para realizar las reacciones
2. Sistema de suministro de gas
3. Material de limpieza para la superficie metálica

Equipo de Seguridad:

1. Gafas de seguridad
2. Guantes de laboratorio
3. Bata de laboratorio
4. Sistema de ventilación adecuado
5. Equipo de extinción de fuego

Primer paso: Clorato de potasio (BP-KClO₃)

Sobre una superficie metálica controlada, se colocó una muestra inicial de BP-KClO₃, donde el clorato de potasio actuó como agente oxidante fuerte. Al aplicar gas, se produjo una breve ignición que se extinguió rápidamente. Al incrementar la cantidad de BP-KClO₃, la reacción se intensificó, generando una combustión más vigorosa. 

Ilustración 1. Reacción del KClO₃

Segundo paso: Mezcla de nitrato de potasio, magnesio y carbón

Después de limpiar completamente la superficie metálica, se colocó una mezcla con:

• Nitrato de potasio (KNO₃): 65%
• Magnesio (Mg): 30%
• Carbón: 5%

Ilustración 2.  Reacción de nitrato de potasio (KNO₃) 65%, magnesio (Mg) 30%, carbón 5%.

Al aplicar gas, se observó la reacción, notando, además que, al aumentar la cantidad de mezcla, la intensidad de la reacción fue mayor.

• KNO₃ como oxidante: El ion nitrato NO^3⁻ tiene al nitrógeno en estado de oxidación +5. Acepta electrones del Mg y C, reduciéndose hasta formar N₂ (estado de oxidación 0).
• Mg como reductor: En estado metálico (Mg⁰) pierde 2 electrones, oxidándose a Mg²⁺ para formar MgO.
• C como reductor: El carbón elemental (C⁰) pierde 4 electrones, oxidándose a C⁴⁺ para formar CO₂.

La reacción general es: 2KNO₃ + 3Mg + C → K₂O + 3MgO + CO₂ + N₂

Tercer paso: Mezcla de nitrato de potasio, carbón y azufre

Nuevamente se limpió la superficie metálica y se colocó una mezcla con:

• Nitrato de potasio (KNO₃): 75%
• Carbón: 15%
• Azufre (S): 10%

Al aplicar gas a la mezcla mira la reacción: 

Ilustración 3. Reacción de nitrato de potasio (KNO₃) 75%, carbón: 15% y azufre 10%. 

• KNO₃ como oxidante: Nuevamente el N⁵⁺ acepta electrones, reduciéndose hasta N₂.
• C como reductor: Se oxida de C⁰ a C⁴⁺ formando CO₂.
• S como reductor: El azufre elemental (S⁰) pierde 4 electrones, oxidándose a S⁴⁺ para formar SO₂.

La reacción global: 2KNO₃ + C + S → K₂O + CO₂ + SO₂ + N₂

Cuarto paso: Clorato de potasio, magnesio y carbón

Tras limpiar la superficie, se colocó una mezcla de:

• Clorato de potasio (KClO₃): 65%
• Magnesio (Mg): 30%
• Carbón: 5%

Se observó la reacción inicial para luego repetir con una cantidad más considerable en forma de línea. Esto fue lo que sucedió: 

Ilustración 4. Reacción: 2KClO₃ + 3Mg + C → 2KCl + 3MgO + CO₂

• KClO₃ como oxidante: El Cl⁵⁺ en el ion clorato acepta 6 electrones, reduciéndose a Cl⁻ en KCl.
• Mg como reductor: Se oxida de Mg⁰ a Mg²⁺.
• C como reductor: Se oxida de C⁰ a C⁴⁺ formando CO₂.

Reacción: 2KClO₃ + 3Mg + C → 2KCl + 3MgO + CO₂

Quinto paso: Variaciones de clorato de potasio y magnesio

En la superficie metálica se colocó una mezcla en proporción 2:1 de clorato de potasio y magnesio. Se observó la reacción inicial y luego con una cantidad un poquito más considerable mira la reacción: 

Ilustración 5. Reacción de mezcla en proporción 2:1 de clorato de potasio y magnesio. 

• KClO₃ como oxidante: El Cl⁵⁺ acepta electrones reduciéndose a Cl⁻.
• Mg como único reductor: Se oxida de Mg⁰ a Mg²⁺, siendo la única fuente de electrones.

Reacción: 2KClO₃ + Mg → 2KCl + MgO + 2O₂

Sexto paso: Nitrato de potasio y magnesio

Se colocó en la superficie metálica una mezcla en proporción 2:1 de nitrato de potasio y magnesio. Se observó primero la reacción con una pequeña cantidad y luego con una cantidad más considerable mira la reacción: 

Ilustración 6. Reacción de mezcla en proporción 2:1 de nitrato de potasio y magnesio.

• KNO₃ como oxidante: N⁵⁺ se reduce a N₂ al aceptar electrones.
• Mg como único reductor: Pierde electrones oxidándose de Mg⁰ a Mg²⁺.

Reacción: 2KNO₃ + Mg → K₂O + MgO + N₂

Séptimo paso: Nitrato de potasio puro, carbón y azufre

Finalmente, se preparará una mezcla de:

• Nitrato de potasio puro (KNO₃): 75%
• Carbón: 15%
• Azufre: 10%

Se observó la reacción inicial y luego con una cantidad más considerable en forma de línea mira la reacción: 

• KNO₃ como oxidante: El N⁵⁺ acepta electrones reduciéndose a N₂.
• C como reductor: Se oxida de C⁰ a C⁴⁺.
• S como reductor: Se oxida de S⁰ a S⁴⁺.

En todas estas reacciones:

• Los oxidantes (KNO₃ y KClO₃) siempre disminuyen su estado de oxidación al aceptar electrones
• Los reductores (Mg, C, S) siempre aumentan su estado de oxidación al perder electrones
• La intensidad de la reacción depende de:
  1. La fuerza oxidante del compuesto ( KClO₃ es oxidante más fuerte que KNO₃)
  2. El poder reductor de los metales y no metales
  3. Las proporciones utilizadas en cada mezcla

Los experimentos realizados con oxidantes fuertes y agentes reductores han demostrado la complejidad y predictibilidad de las reacciones redox en condiciones controladas. A través de las siete demostraciones, hemos observado cómo el KClO₃ y KNO₃ actúan como oxidantes potentes, mientras que el magnesio, carbón y azufre desempeñan roles cruciales como agentes reductores. Las variaciones en las proporciones y combinaciones de estos compuestos han revelado patrones consistentes en la transferencia de electrones, confirmando los principios fundamentales de las reacciones redox.

Estos resultados no solo validan los conceptos teóricos sobre estados de oxidación y transferencia de electrones, sino que también proporcionan una comprensión práctica de cómo los oxidantes fuertes interactúan con diferentes reductores. La intensidad de las reacciones observadas confirma que el KClO₃ es un oxidante más potente que el KNO₃, y que la reactividad depende tanto de la naturaleza de los compuestos como de sus proporciones en la mezcla. Este conocimiento es fundamental para aplicaciones en química industrial, síntesis de materiales y procesos de laboratorio controlados.

Referencias: 

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., & Woodward, P. M. (2014). Electroquímica.En Química: La ciencia central (12ª ed., pp. 827-860). Pearson Educación.