Números de oxidación, axentes redox e axuste por semirreaccións

Que rexistra un número de oxidación

Un número de oxidación é a carga que levaría un átomo se todos os enlaces entre átomos diferentes fosen completamente iónicos, asignando os electróns compartidos ao átomo máis electronegativo; os electróns compartidos entre átomos idénticos repártense por igual. É unha conta formal, non unha carga medida. Na auga, ao osíxeno asígnaselle −2 e a cada hidróxeno +1, aínda que as cargas parciais reais son moito menores.

A oxidación é un aumento do número de oxidación, que corresponde a unha perda de electróns. A redución é unha diminución do número de oxidación, unha ganancia de electróns. As dúas ocorren sempre xuntas, porque os electróns perdidos por unha especie ten que gañalos outra. En calquera ecuación redox, o aumento total do número de oxidación é igual á diminución total, e todo método de axuste se apoia nesa igualdade.

Asignar os números de oxidación por orde de prioridade

Aplica as regras de arriba abaixo da lista. Cando dúas regras entran en conflito, gaña a de máis arriba, e o último átomo descoñecido dunha fórmula obtense por diferenza.

Para o ión dihidroxenofosfato, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, así que P = +5. Para o ión tetrationato, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, así que os catro átomos de xofre suman +10 e a media é +2.5. Un resultado fraccionario significa que átomos do mesmo elemento están en contornos diferentes e que o número indicado é unha media. A magnetita, Fe₃O₄, ten unha media de +8/3 porque contén un Fe²⁺ por cada dous Fe³⁺.

• Un átomo nun elemento puro é 0 (Fe, O₂, S₈).
• Un ión monoatómico é igual á súa carga (Mg²⁺ é +2, Br⁻ é −1).
• Os números de oxidación nunha fórmula suman a carga global.
• O flúor é −1 en todos os seus compostos.
• Os metais do grupo 1 son +1 e os do grupo 2 son +2 nos compostos.
• O hidróxeno é +1 cos non metais e −1 nos hidruros metálicos como o NaH.
• O osíxeno adoita ser −2, pero −1 nos peróxidos (H₂O₂), −½ nos superóxidos (KO₂) e +2 no OF₂.
• O cloro, o bromo e o iodo adoitan ser −1, agás cando están unidos ao osíxeno ou a un halóxeno máis lixeiro.

Nomear o axente oxidante e o axente redutor

O axente oxidante acepta electróns e fai que outra cousa se oxide, polo que el mesmo se reduce. O axente redutor doa electróns e el mesmo se oxida. Nomea a especie enteira e non un único átomo.

Considera 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). O ferro sobe de +2 a +3, así que o Fe²⁺ se oxida e é o axente redutor. O osíxeno baixa de −1 no peróxido a −2 na auga, así que o H₂O₂ se reduce e é o axente oxidante. O hidróxeno permanece en +1 todo o tempo. Dous ións ferro perden cada un un electrón e dous átomos de osíxeno do peróxido gañan cada un un, así que se perden dous electróns e se gañan dous.

Unha mesma especie pode desempeñar os dous papeis. En Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O, un átomo de cloro pasa de 0 a −1 e o outro de 0 a +1. Isto é unha dismutación, e o Cl₂ é á vez o axente oxidante e o redutor.

Axuste por semirreaccións en disolución ácida

Separar a oxidación da redución permite axustar cada transferencia de electróns por separado e despois combinar as metades para que os electróns se cancelen. A auga achega átomos de osíxeno e o H⁺ achega átomos de hidróxeno porque esas son as especies que realmente hai na auga ácida.

Exemplo resolto 1. En medio ácido, o dicromato oxida o nitrito: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. O cromo pasa de +6 a +3 e o nitróxeno de +3 a +5. Semirreacción de oxidación: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, con carga −1 en cada lado. Semirreacción de redución: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, con carga +6 en cada lado. Os seis electróns coinciden con dous átomos de cromo que cambian tres unidades cada un.

Multiplica a semirreacción de oxidación por 3 para que ambas as metades impliquen 6e⁻ e suma: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Cancela 6H⁺ e 3H₂O de cada lado: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Comprobación: Cr 2 e 2; N 3 e 3; O 7 + 6 = 13 e 9 + 4 = 13; H 8 e 8; carga −2 + 8 − 3 = +3 e +6 − 3 = +3.

• Divide a ecuación esquelética nunha semirreacción de oxidación e outra de redución.
• Axusta todos os elementos agás o O e o H.
• Axusta o O engadindo H₂O e despois axusta o H engadindo H⁺.
• Axusta a carga engadindo electróns ao lado máis positivo.
• Multiplica as metades para que os electróns coincidan, suma e cancela o que apareza nos dous lados.
• Comproba átomos e carga, e confirma que non queda ningún electrón.

Adaptar o método á disolución básica

En disolución básica, o OH⁻ é abundante e a ecuación final non debe conter H⁺. Axusta como se a disolución fose ácida e despois engade OH⁻ suficiente a ambos os lados para converter todo o H⁺ en auga. Engadir a mesma especie aos dous lados mantén a ecuación axustada.

Exemplo resolto 2. O hipoclorito oxida o hidróxido de cromo(III) a cromato en medio básico: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. O cromo pasa de +3 a +6 e o cloro de +1 a −1. Semirreacción de oxidación: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Semirreacción de redución: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. O mínimo común múltiplo de 3 e 2 é 6, así que dobra a primeira semirreacción e triplica a segunda.

Ao sumar e cancelar sae 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Engade 4OH⁻ aos dous lados; á dereita, 4H⁺ + 4OH⁻ convértese en 4H₂O. Final: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Comprobación: Cr 2 e 2; Cl 3 e 3; O 6 + 3 + 4 = 13 e 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 e 10; carga −7 en cada lado.

Erros comúns na contabilidade redox

A maioría dos erros redox son erros de contabilidade, e cada un ten unha comprobación específica.

Como proba final, confirma só cos números de oxidación que os electróns perdidos igualan os gañados. No exemplo resolto 2, dous átomos de cromo perden cada un 3 electróns (6 en total) e tres átomos de cloro gañan cada un 2 (tamén 6).

• Nomear un átomo como axente: escribe que o Cr₂O₇²⁻ é o axente oxidante, non o cromo.
• Contar o cambio por átomo pero non por fórmula: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ require 6 electróns, non 3.
• Poñer os electróns no lado equivocado: son produtos nunha semirreacción de oxidación e reactivos nunha de redución. Se falla a comprobación da carga, mira aquí primeiro.
• Axustar o osíxeno con O, O₂ ou O²⁻ en vez de H₂O. Os ións óxido libres non existen na auga.
• Deixar H⁺ nunha resposta en medio básico, ou esquecer cancelar a auga despois de engadir OH⁻.
• Supoñer que o osíxeno é sempre −2: busca peróxidos, superóxidos e enlaces O–F.
• Mesturar a notación: un número de oxidación escríbese co signo primeiro (+3); a carga dun ión escríbese co número primeiro (3+).