Oxidación y reducción

Las reacciones de oxidación-reducción redistribuyen electrones. La oxidación es una pérdida de electrones o un aumento del número de oxidación; la reducción es una ganancia de electrones o una disminución del número de oxidación. Ambos procesos son inseparables porque los electrones transferidos deben conservarse.

Zn0 → +22 e⁻ transferidosCu²⁺+2 → 0oxidación: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻reducción: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cuelectrones perdidos = electrones ganados
Una reacción redox acopla oxidación y reducción. Los electrones no pueden desaparecer: el número liberado por una semirreacción es igual al número consumido por la otra.

Agentes oxidantes y reductores

El agente reductor cede electrones y se oxida. El agente oxidante acepta electrones y se reduce.

En Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, el zinc es el agente reductor y Cu²⁺ es el agente oxidante. Muchos errores surgen de nombrar al agente por lo que le ocurre a la otra especie.

Los números de oxidación revelan reacciones redox no evidentes

No toda reacción redox muestra electrones libres. La combustión, la corrosión y muchas reacciones orgánicas se reconocen por cambios en el número de oxidación.

En CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, el carbono pasa de −4 a +4 y se oxida; el oxígeno pasa de 0 a −2 y se reduce.

separar en semirreaccionesajustar los átomosajustar la carga con e⁻igualar los electronessumar y simplificarmedio ácido: usar H₂O para O y H⁺ para H; medio básico: neutralizar H⁺ con OH⁻ al final
El método de semirreacciones impone simultáneamente la conservación de la masa y de la carga. También funciona para reacciones difíciles de ajustar por inspección.

Ajuste en medio ácido

Para MnO₄⁻ + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺, se separa la reacción. Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻. Para el permanganato, se ajusta O con H₂O, H con H⁺ y la carga con electrones:

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O

Multiplica por 5 la semirreacción del Fe, suma y cancela los electrones.

Medio básico

Un método fiable consiste en ajustar primero como si el medio fuera ácido y añadir después OH⁻ a ambos lados para neutralizar cada H⁺. Se combina H⁺ + OH⁻ en H₂O y se cancelan las moléculas de agua presentes en ambos lados.

Así se mantiene una lógica única, en lugar de memorizar otra lista independiente de pasos.

Redox más allá de una transferencia electrónica evidente

En química covalente, los electrones se comparten en lugar de transferirse por completo, pero el balance mediante números de oxidación sigue registrando el cambio. La hidrogenación de un alqueno reduce el carbono; la oxidación de un alcohol aumenta su número de oxidación aunque no aparezca ningún electrón libre en la ecuación.

La electroquímica hace espacialmente explícita la transferencia de electrones al separar oxidación y reducción en electrodos distintos.

Ejemplo completo de semirreacciones en medio ácido

Ajusta MnO₄⁻ + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺ en medio ácido. La semirreacción del hierro es Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻. Para el manganeso, ajusta primero el oxígeno con cuatro H₂O en los productos, después el hidrógeno con 8H⁺ en los reactivos y, por último, la carga con 5e⁻:

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O

5Fe²⁺ → 5Fe³⁺ + 5e⁻

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O + 5Fe³⁺

Las comprobaciones finales son mecánicas: cuenta cada elemento y verifica la carga total a ambos lados. Los electrones deben cancelarse por completo en la ecuación química global.

Dismutación y comproporción

Una misma especie puede oxidarse y reducirse a la vez. En una dismutación, átomos con un mismo número de oxidación originan productos con números mayores y menores. El peróxido de hidrógeno puede dismutarse:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

El oxígeno parte de −1, pasa a −2 en el agua y a 0 en O₂. El proceso inverso, en el que dos números de oxidación se combinan para dar uno intermedio, es la comproporción.

Redox en baterías, corrosión y metabolismo

Una pila galvánica separa la oxidación de la reducción para que los electrones circulen por un circuito externo. La corrosión acopla la oxidación de un metal a una reacción de reducción, a menudo con oxígeno disuelto. La respiración biológica transfiere electrones a través de una cadena de transportadores redox en lugar de hacerlo en un único paso brusco.

El principio común es la gestión de la energía asociada a los electrones. Los distintos sistemas controlan dónde ocurren oxidación y reducción y cómo se captura la energía libre liberada.

El número de oxidación no implica siempre una transferencia electrónica literal

En reacciones fuertemente iónicas, los cambios de número de oxidación pueden corresponder de forma bastante directa a una transferencia de electrones entre especies. En moléculas covalentes, el número de oxidación suele ser una contabilidad formal obtenida al reasignar la pertenencia de pares electrónicos compartidos.

La oxidación de metano a CO₂ se describe como un paso del carbono de −4 a +4, pero ocho electrones no están primero localizados sobre el carbono para saltar después físicamente al oxígeno. El método de los números de oxidación sigue representando correctamente el balance redox.

Ejemplo de ajuste en medio básico

Considera ClO⁻ → Cl⁻ en medio básico. Ajusta primero la semirreacción como si el medio fuera ácido:

ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O

Añade 2OH⁻ a ambos lados, combina 2H⁺ + 2OH⁻ para formar 2H₂O y cancela después una molécula de agua:

ClO⁻ + H₂O + 2e⁻ → Cl⁻ + 2OH⁻

El método funciona porque en cada etapa se imponen la conservación de los átomos y de la carga.

Transferencia electrónica y energía libre

Una ecuación redox ajustada indica cuántos electrones se transfieren, pero no si la reacción es espontánea ni si es rápida. La termodinámica determina la fuerza impulsora de energía libre; la cinética determina la velocidad.

En electroquímica, el potencial de celda se relaciona con la energía libre de reacción mediante ΔG = −nFE. Un voltaje positivo de una pila galvánica corresponde a un ΔG negativo para la reacción espontánea escrita en esas condiciones.

Termodinámica y cinética son cuestiones distintas. Una reacción redox puede ser favorable y, sin embargo, lenta si la ruptura de enlaces, la reorganización del disolvente u otra barrera de activación dificulta la transferencia electrónica. Los catalizadores pueden cambiar la velocidad sin modificar el número de electrones del balance.

A la inversa, una reacción redox rápida no es necesariamente muy exergónica. La velocidad y la fuerza impulsora responden a preguntas diferentes.

Ejercicios

Agentes

En 2Fe³⁺ + Sn²⁺ → 2Fe²⁺ + Sn⁴⁺, identifica los agentes oxidante y reductor.

Solución

Fe³⁺ se reduce, por lo que es el agente oxidante. Sn²⁺ se oxida, por lo que es el agente reductor.

Número de electrones

¿Cuántos electrones se necesitan para reducir Mn de +7 a +2?

Solución

Una disminución de cinco unidades de oxidación requiere 5 electrones por átomo de Mn.

Conservación

¿Qué dos magnitudes debe conservar una ecuación redox ajustada?

Solución

Los átomos (la masa) y la carga eléctrica neta.