Oxidacin y reduccinDr. Roberto Prado Fiedler

Introduccin

Cuando en cualquier circunstancia, algo se quema o explota, siempre se produce una reaccin de oxidacin. La mayora de los elementos metlicos se obtienen a partir de sus minerales por procesos de xido-reduccin.La corrosin causa grandes perjuicios econmicos y la sufren todos los metales en contacto con el ambiente a excepcin de los metales nobles.La energa provista por las bateras resulta de reacciones de oxidacin-reduccin.

Origen de la denominacin

El origen del nombre genrico del proceso (oxidacin) yace en lo generalizado del proceso de combinacin del oxgeno con otros elementos, al que inicialmente se tena como algo particular, haciendo que se definiera oxidacin como la ganancia de tomos de oxgeno. Al proceso de oxidacin se encuentra siempre asociado el proceso antagnico, denominado de reduccin, que se defina como prdida de atomos de oxgeno.Ejemplos: N2 + O2 2 NO

2 PbO2 2PbO + O2

Definicin alternativa.

Otro elemento importante por su abundancia y reactividad al que se asocia tambin las definiciones de oxidacin y reduccin es el hidrgeno, sealando:Oxidacin es la prdida de tomos de hidrgenoReduccin es la ganancia de tomos de hidrgenoEjemplo: CO + 2H2 CH4O

Definicin en funcin de la transferencia de electrones

El conocimiento de la naturaleza elctrica de la materia y la observacin experimental de la ocurrencia de un proceso de transferencia de electrones asociado al fenmeno permite establecer una tercera definicin:Oxidacin es la prdida de electronesReduccin es la ganancia de electrones.

Oxidantes y reductores

La especie qumica que se ha oxidado perdiendo electrones es un agente reductor.

La especie que se reduce ganando electrones es un agente oxidante.

Cmo ver si un sistema se va a comportar como oxidante o reductor?

La condicin oxidante o reductora de una sustancia no es visible de inmediato.Para visualizar el proceso de transferencia de electrones y describir los cambios efectuados en las reacciones es necesario emplear el concepto de nmero o estado de oxidacin.Se define como estado de oxidacin a la carga elctrica que se asigna a un tomo en una molcula o ion de acuerdo a ciertas reglas empricas.

Estado de oxidacin: que es y que no es.

El estado de oxidacin no es sinnimo de carga formal; sta ltima se basa en una descripcin de la distribucin de carga real entre los tomos constituyentes de una molcula o ion de acuerdo con su estructura qumica.

El estado de oxidacin es una carga asignada siguiendo reglas establecidas y que puede entenderse como aquella que tendra un tomo en una molcula o en un compuesto inico si acaso los electrones fueran transferidos completamente.

Reglas para asignar los estados de oxidacin.

1. El E.O. para los elementos en su estado elemental es cero. Ej.: N2, Na, P4, S8

2. El E.O. de los iones monoatmicos es igual a su carga. Ej.: Na+, Ca2+, Al 3+, I-, O=

3. El E.O. del oxgeno en la mayora de sus compuestos es 2, con excepcin de los perxidos, en los cuales es 1 y en los superxidos en los que es 1/2. En combinacin con el flor se le asigna el valor +2. Ej.: Na2O, CuO: -2; Na2O2, H2O2: -1; KO2: -1/2; OF2: +2.

Reglas para asignar los estados de oxidacin (continuacin).

4. El E.O. del hidrgeno en la mayor parte de sus compuestos es +1, con excepcin de los hidruros metlicos, en que es 1. Ej.: H2O, NH3: +1; NaH, CaH2: 1.

5. Todos los E.O. se escogen de modo que la suma algebraica de los e.o. sea igual a la carga neta de la molcula o ion. Debe cumplirse que: a) En una molcula neutra el resultado de la suma de los e.o. de los tomos debe ser cero. b) En un ion poliatmico, la suma de los e.o. debe ser igual a la carga del ion.

Cmo establecer el E.O. de un elemento dentro de un compuesto?

Aplicando secuencialmente las reglas antedichas mientras se siguen las etapas a continuacin: Etapa 1: Se anota el E.O. de cada tomo conocido en la

frmula. Etapa 2: Se multiplica cada E.O. Por el n de tomos de ese

elemento en el compuesto. Etapa 3: Se anota una expresin que indica la suma de todos

los E.O. en el compuesto.En sustancias con enlace covalente entre tomos distintos, el E.O. se establece asignando los electrones al elemento ms electronegativo.

Cules son los E.O. ms comunes?

Qu utilidad prestan los E.O.?

Permiten elaborar frmulas de compuestos.Ayudan a predecir propiedades de esos compuestos.Ayudan a balancear reacciones en las cuales hay transferencia de electrones.

Ampliacin del concepto de reacinde xido - reduccin.

El concepto de E.O. permite ampliar las definiciones a:

Oxidacin es el aumento del estado de oxidacin.

Reduccin es la disminucin del estado de oxidacin.

Reaccin de xido-reduccin es aquella en que uno o ms elementos de las especies reaccionantes sufren un cambio en su estado de oxidacin al pasar a formar los productos.

Tipos de reacciones redoxExisten cuatro tipos:

Combinacin Dos o ms sustancias se combinan para formar un solo producto

Descomposicin Ruptura de un compuesto en dos o ms componentes

Desplazamiento Un ion o tomo de un compuesto se reemplaza por un ion o

tomo de otro elementoDismutacin Un mismo elemento en un estado de oxidacin se oxida y se

reduce al mismo tiempo

Reacciones de Combinacin

A + B CEjemplos:

N2(g) + O2(g) 2NO(g)S(s) + O2(g) SO2(g)

Reacciones de descomposicin

C A + BEjemplos:

KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g)2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g)

Reacciones de desplazamientoA + BC AC + B

Ejemplos: Desplazamiento de hidrgeno : todos los metales alcalinos,

algunos alcalinotrreos y el aluminio desplazan al hidrgeno2 Al(s) + 3 H2O(g) Al2O3(s) + 3 H2(g)

Desplazamiento de halgeno F2 > Cl2 > Br2 > I2

Br2(l) + 2I-(aq) 2 Br -(aq) + I2(s) Desplazamiento de metal (cul metal es desplazado depende

de serie de actividad

V2O5(s) + 5 Ca(l) 2V(l) + 5CaO(s)

Tipos de reacciones redox

Reacciones de dismutacinUn mismo elemento se oxida y se reduce al mismo tiempo

2H2O2(aq) 2H2O(l)+ O2(g)

Identificacin y balanceo de una reaccin de xido reduccin.

No hay procedimiento sencillo para identificar un proceso redox. La nica forma segura es la comparacin de los nmeros de oxidacin de todos los elementos presentes.Para balancear una ecuacin redox existen dos mtodos: el de cambio de estado de oxidacin y el de in electrn (tambin llamado de semireaccin).

Mtodo del cambio de estado de oxidacinSe basa en considerar igual a cero el resultado de la suma algebraica de los cambios de los estados de oxidacin de la reaccin. 1 Se identifica el elemento que se oxida y el que se reduce, calculando el cambio en sus estados de oxidacin.2 Se establecen los coeficientes del agente oxidante y del reductor, de tal modo que el cambio total del e.o. en la oxidacin sea igual al cambio total del e.o. en la reduccin.3 Se ajustan los coeficientes para las dems especies del resto de la ecuacin por simple revisin y se comprueba la ecuacin final contando el nmero de tomos de cada elemento en ambos miembos.

Ejemplo0 +5 +5 +4

Etapa 1 I2 + HNO3 HIO3 + NO2 + H2OSe oxida el yodo; se reduce el nitrgenoAgente reductor I2; agente oxidante HNO3

Etapa 2 Puesto que cada tomo de yodo cambia de 0 a +5, se tendr 2(+5)= +10Cada tomo de N disminuye su e.o. en una unidad para igualar los cambios de e.o. se requiere reducir 10 molculas de HNO3 por molcula de I2.As queda: I2 + 10HNO3 2HIO3 + 10NO2 + H2O

Etapa 3 Se ajustan los coeficientes del agua a 4H2O

Mtodo del ion - electrn Una caracterstica notable de las reacciones redox es que se pueden realizar estando separados los reaccionantes en el espacio y unidos tan slo por una conexin elctrica. Este hecho puede ser extendido conceptualmente a la reaccin para equilibrarla.

El mtodo se basa entonces en considerar que todas las reacciones redox se pueden escribir como dos semireacciones, una representativa del proceso de oxidacin y la otra del proceso de reduccin. Este mtodo permite balancear ecuaciones redox sin importar su grado de complejidad.

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio cido o neutro.

1 Identificar las especies que son oxidadas y reducidas, separando las dos ecuaciones representativas de las correspondientes semireacciones. En el proceso se omiten las especies H+, OH- y H2O a menos que sean ellas las que cambian de estado de oxidacin.

Ej: HgS + NO3- + Cl- (HgCl4)2- + NO2 + SOxidacin: HgS + Cl- (HgCl4)2- + SReduccin: NO3- NO2

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio cido o neutro. (cont.)2 Se balancean todos los tomos con excepcin de H y O

en cada ecuacin de semirreaccin.HgS + 4 Cl- (HgCl4)2- + S

NO3- NO23 Se incluye en cada ecuacin suficiente cantidad de agua

en el miembro deficiente de oxgenoHgS + 4Cl- (HgCl4)2- + S

NO3- NO2 + H2O

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio cido o neutro. (cont.)

4 Se agrega suficiente cantidad de H+ en el miembro deficiente de hidrgeno de cada semirreaccion.HgS + 4Cl- (HgCl4)2- + S

NO3- + 2H+ NO2 + H2O5 Se balancean las semireacciones respecto de las cargas entre

reactivos y productos agregando el nmero adecuado de electronesen el miembro que tiene la mayor carga positiva total.HgS + 4Cl- (HgCl4)2- + S + 2e-

0 + (-4) = (-2) + 0

NO3- + 2H+ + e- NO2 + H2O(-1) + (+2) +(-1) = 0 0

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio cido o neutro. (cont.)

6 Se multiplican las ecuaciones por el factor adecuado de modo que el nmero de electrones en cada una de las semirreacciones sea el mismo.

HgS + 4Cl- (HgCl4)2- + S + 2e-

2NO3- + 4H+ + 2e- 2NO2 + 2H2O7 Se suman las dos ecuaciones obtenidas anteriormente,

de forma que no aparezcan las mismas especies en ambos miembros de la ecuacin final.

HgS + 4Cl- + 2NO3- + 4H+ (HgCl4)2- + S+ 2NO2 + 2H2O8 Se comprueban los balances de tomos y de cargas,

cuidando que los coeficientes sean los menores posibles y que no aparezcan electrones.

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio bsico.

Primero se debe asegurar que todas las especies estn formuladas de acuerdo a como existen en medio bsico. En vez de H+ aparece H2O y se agrega OH- en nmero correspondiente al otro miembro de la ecuacin. Se suman o restan las molculas de agua que aparecen en ambos miembros.

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio bsico.Ej. El ion permanganato reacciona con el etileno en medio

bsico para producir glicol y bixido de manganeso.C2H4 + MnO4- MnO2 + C2H6O2

1: Establecer oxidacin y reduccinOxidacin: C2H4 C2H6O2Reduccin: MnO4- MnO2

2: Balanceo los tomos con excepcin de H y O en cada ecuacin de semirreaccin (aqu tomos de C y Mn)

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio bsico. (cont.)

3: Balance de los tomos de oxgenoC2H4 + 2 H2O C2H6O2

MnO4- MnO2 + 2 H2O 4: Balance de los tomos de hidrgeno

C2H4 + 2 H2O C2H6O2 + 2H+MnO4- + 4 H+ MnO2 + 2 H2O

5: Balance de cargasC2H4 + 2 H2O C2H6O2 + 2H+ + 2 e-MnO4- + 4 H++ 3e- MnO2 + 2 H2O

Procedimiento del Mtodo del ion electrn. Reacciones en medio bsico. (cont.)6: Igualar el nmero de electrones:

3C2H4 + 6 H2O 3C2H6O2 + 6H+ + 6 e-2MnO4- + 8 H++ 6e- 2MnO2 + 4H2O

7: Sumar ambas ecuaciones:3C2H4 + 6 H2O + 2MnO4- + 8 H+ + 6e- 3C2H6O2 + 2 MnO2 + 6H+ + 4 H2O + 6e-

8: Reducir trminos semejantes y revisar balance:3C2H4 + 2 H2O + 2MnO4- + 2H+ 3C2H6O2 + 2 MnO2

9: Llevar la ecuacin a medio bsico cambiando H+ por H2O y agregando OH- en nmero correspondiente al otro miembro de la ecuacin.

3C2H4+ 4 H2O + 2MnO4- 3C2H6O2 + 2 MnO2 + 2OH-

Fuentes de informacin adicionales

Brown et al., 9 ed., pgs. 128-133 y 777 783; 805-811. Problemas 20.1 20.10.Chang: Qumica 6ed., pp. 757-760 y 120-131.