En química industrial, el conocimiento de los elementos químicos oxidantes y reductores es importante para numerosas aplicaciones, desde la síntesis de productos químicos hasta la producción de energía. Para abordar esta cuestión, empezaremos por definir qué se entiende por elementos oxidantes y reductores, y luego exploraremos ejemplos de cada uno y sus aplicaciones industriales.
Elementos muy oxidantes
Un agente oxidante es una sustancia que tiene la capacidad de aceptar electrones de otra sustancia durante una reacción química. Los elementos más oxidantes son aquellos con una alta afinidad electrónica y electronegatividad, lo que significa que fácilmente ganan electrones. En la tabla periódica, los elementos más oxidantes se encuentran típicamente en el extremo superior derecho, excluyendo los gases nobles.
Flúor (F)
El flúor es el elemento más electronegativo y oxidante de la tabla periódica. Tiene una enorme tendencia a ganar electrones, convirtiéndose en iones fluoruro (F–). Se utiliza en la producción de hexafluoruro de uranio (UF₆) para la separación isotópica en la industria nuclear y en la fabricación de fluoropolímeros, como el teflón. También se utiliza en la fluoración de compuestos orgánicos.
Oxígeno (O)
Es otro oxidante muy fuerte. Es capaz de formar óxidos con la mayoría de los elementos. El oxígeno es esencial en procesos de combustión industrial, como en la producción de acero, y en la oxidación de compuestos en la industria química. El ozono (O₃), una forma alotrópica del oxígeno, es utilizado en la purificación del agua y el tratamiento de efluentes industriales.
Cloro (Cl)
Es un oxidante fuerte que se utiliza para desinfectar y blanquear. El cloro se emplea en la producción de hidróxido de sodio (proceso cloroalcalino), en la potabilización del agua y en la producción de disolventes clorados.
Elementos muy reductores
Un agente reductor es una sustancia que cede electrones fácilmente a otra sustancia. Los elementos más reductores se encuentran en la parte inferior izquierda de la tabla periódica, donde la electronegatividad es baja y la energía de ionización también es baja, lo que facilita la pérdida de electrones. Por tanto, los más reductores son el cesio y el rubidio (dejando al lado al francio, que es muy radiactivo y, por tanto, es difícil de estudiar y no se usa en la práctica). Otros metales bastante reductores usando en la industria son el litio, el sodio o el calcio, aunque su poder reductor no sigue ese orden.
Litio (Li)
El litio se utiliza en baterías de iones de litio, que son fundamentales en dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos. También se emplea en la síntesis de compuestos orgánicos y como aditivo en la fabricación de vidrio.
Sodio (Na)
Es un fuerte reductor que reacciona violentamente con el agua (el potasio reacciona aún más violentamente). En la industria, el sodio se utiliza en la purificación de metales (como el titanio) y en la producción de peróxido de sodio, que es un agente oxidante. También es clave en el proceso de síntesis de compuestos orgánicos, como en la reducción de cetonas y en el proceso de Birch (reducción de compuestos aromáticos).
Calcio (Ca)
El calcio metálico se utiliza en la extracción de otros metales a partir de sus óxidos, como en la producción de torio y uranio. También se utiliza en la desoxidación de aceros y en la fabricación de aleaciones especiales.
Aplicaciones de elementos oxidantes y reductores en la industria
Tanto los oxidantes como los reductores juegan un papel esencial en la química industrial, impulsando una amplia variedad de procesos que van desde la producción de energía hasta la manufactura de materiales avanzados.
Electroquímica y baterías
Los agentes oxidantes y reductores son esenciales en las celdas electroquímicas. Por ejemplo, en las baterías de litio, el litio actúa como un agente reductor en el ánodo, mientras que un compuesto de alta electronegatividad actúa como oxidante en el cátodo.
Procesos metalúrgicos
El oxígeno y el cloro son utilizados para la purificación de metales. El oxígeno se utiliza en altos hornos para oxidar impurezas en la producción de acero, mientras que el cloro se emplea en la refinación de metales no ferrosos como el aluminio y el titanio.
Síntesis química
Los reductores como el sodio y el litio se utilizan en la síntesis de compuestos orgánicos a través de procesos como la reducción de cetonas o el rompimiento de enlaces insaturados.
Tratamiento de aguas
El cloro y el ozono se utilizan como potentes oxidantes para desinfectar el agua potable y tratar aguas residuales, eliminando bacterias, virus y otros contaminantes.
Procesos de combustión
El oxígeno es fundamental en la combustión de combustibles fósiles, mientras que el hidrógeno se usa como combustible reductor en celdas de combustible, donde reacciona con oxígeno para generar electricidad.
